UNIVERSIDAD DE ALCALÁ Y

UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS

MASTER OFICIAL EN HIDROLOGÍA Y GESTIÓN DE RECURSOS HÍDRICOS

PROYECTO DE FIN DE MASTER

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO

HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA

MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO

Autor: Antonio Barranco Salido

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO

¿QUÉ ES UN MODELO HIDROLÓGICO?

Es una herramienta que permite simular los procesos

del ciclo hidrológico mediante alguna estructura,

dispositivo, esquema o procedimiento, para lograr

una representación simplificada del sistema, y llegar a conocer, analizar y cuantificar sistemas reales.

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¿POR QUÉ ESTUDIAR LOS MODELOS HIDROLÓGICOS?

El conocimiento sobre su robustez y fiabilidad permitirá su uso en la gestión de cuencas hidrológicas

CUENCAS MEDITERRÁNEAS

Frecuentemente afectadas por intensas lluvias, que provocan inundaciones, con los consiguientes daños económicos y sociales.

Irregularidad en la precipitaciones e importante presión sobre el recurso hídrico

Caudales pico

Estimación disponibilidad

de recurso ante diversos

escenarios pluviométricos.

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El Río Manubles a su paso por Bijuesca el 16/03/11

El Río Manubles a su paso por Áteca el 16/03/11

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Considerando la variable espacial los modelos pueden ser clasificados

Agregados: promediando las variables respecto al espacio de modo global y constante. Distribuidos: dando valores a cada punto del espacio para una resolución dada dentro de una malla o grid. Semidistribuidos: dividiendo el espacio en áreas o unidades de respuesta homogénea.

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¿DE QUÉ DEPENDE LA ELECCIÓN DE UN TIPO U OTRO?

Objetivos del estudio Disponibilidad de datos y medios disponibles

HEC-HMS PUEDE OPERAR EN CUALQUIERA DE LAS VARIANTES

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¿POR QUÉ HEC-HMS?

Permite una fácil integración con el Sistema de Información Geográfica (SIG) ArcGIS mediante las extensiones GeoHMS y Archydro Tools.

La integración con SIG, permite trabajar con modelos distribuidos y pseudo-distribuidos, mejorando de esta forma los resultados.

Permite simular a nivel de evento con un número reducido de parámetros: modelo digital del terreno, usos del suelo, edafología y datos pluviométricos.

Es gratuito y fácilmente descargable a través de internet.

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OBJETIVOS DEL PROYECTO

Establecer una mejor comprensión de una cuenca hidrológica y sus subcuencas mediante la integración de un SIG y un modelo

hidrológico.

ESPECÍFICOS

Valorar el comportamiento del modelo hidrológico HEC-HMS para diferentes tamaños de cuenca y ante eventos de diferente magnitud y

condiciones de humedad del suelo.

Valorar la respuesta de la cuenca hidrológica para el uso de varios métodos de transformación lluvia-caudal.

Comparar la resultados obtenidos con los datos reales aportados

por las estaciones de aforo mediante regresión lineal.

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LOCALIZACIÓN DE LA CUENCA DE ESTUDIO

Localización de la cuenca del río Manubles en el contexto de la cuenca hidrográfica del Ebro

La cuenca hidrológica del río Manubles se localiza entre las provincias de Soria y Zaragoza y cuenta con una superficie de 427 km2. Desde el punto de vista climático se encuentra influida en su cabecera, por un clima de montaña mediterránea interior mientras que la zona media-baja por un clima mediterráneo de marcado carácter continental. Además se caracteriza por una cierta tendencia a la aridez y precipitaciones muy irregulares.

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¿QUÉ HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS UTILIZAREMOS?

ArcGIS como Sistema de Información Geográfica

ArcHydro: es un modelo geoespacial para las aplicaciones de recursos de agua que opera en ArcGIS desarrollado por el Centro de Investigaciones en Recursos de Agua de la Universidad de Texas.

HEC-GeoHMS: es una extensión de ArcGIS desarrollada por Centro de Ingeniería Hidrológica del US Army Corp of Engineers. Permite dividir la cuenca en subcuencas y asignarle a cada una valores de los parámetros hidrológicos. Además , prepara la información para su entrada en el modelo hidrológico HEC-HMS.

HEC-HMS: desarrollado Centro de Ingeniería Hidrológica del US Army Corp of Engineers, es un modelo hidrológico capaz de funcionar de forma distribuida, semidistribuida o agregada y que nos permite simular eventos aislados o procesos continuos.

HEC-DSSVue: es una aplicación desarrollada por Centro de Ingeniería Hidrológica del US Army Corp of Engineers como commplemento a HEC-HMS, permitiendo una mejor salida gráfica y la exportación de los resultados obtenidos a una hoja de cálculo.

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¿QUÉ PROCESOS CONSIDERA NUESTRO MODELO?

Precipitación Pérdidas de la precipitación Desarrollo de la escorrentía superficial Flujo Base

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LA PRECIPITACIÓN

Media aritmética

Polígonos de Thiessen

Método de las isoyetas: más adecuado cuando se trata de valores a

nivel decenal, mensual o anual.

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PÉRDIDAS DE LA PRECIPITACIÓN

¿QUÉ ALTERNATIVAS CONTEMPLA EL MODELO HEC-HMS?

Establecimiento del un umbral de precipitación, por debajo el cual no se produce escorrentía superficial y una tasa constante de pérdidas por encima del citado umbral. Utilización del concepto número de curva (NC), desarrollado por U.S. Soil Conservation Service (SCS). Método de Green y Ampt, que tiene en cuenta, entre otros, aspectos tales como la permeabilidad del suelo y el déficit inicial de humedad del suelo. Modelo SMA, que permita simular el movimiento del agua a través del suelo y del subsuelo, su interceptación y almacenamiento den diferentes zonas y escurrimiento superficial de exceso.

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OBTENCIÓN DEL NÚMERO DE CURVA I

Adaptación desarrollada por Témez (1987)

+

Usos del suelo según SCS Edafología-Clasificación hidraúlica

+

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OBTENCIÓN DEL NÚMERO DE CURVA II

+

Clasificación según características hidrológicas

Clasificación según pendientes

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OBTENCIÓN DEL NÚMERO DE CURVA III

Número de Curva de la cuenca en formato de grid o malla

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LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

El modelo HEC-HMS incluye diversos métodos para el desarrollo de la escorrentía superficial y su concentración en un determinado punto del cauce. En el presente proyecto compararemos los siguientes:

El Hidrograma del Soil Conservation Service

Hidrograma de Clark (original)

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RESUMEN DEL PROCESO METODOLÓGICO

Obtención del factor número de curva (NC), partiendo de la información de usos del suelo del Corine Land Cover, de datos edafológicos y las pendientes del modelo digital de elevaciones.

Procesamiento de parámetros hidrológicos mediante ArcHydro Tools, partiendo del modelo digital de elevaciones.

Importación de los datos obtenidos mediante ArcHydro hacia HEC-GeoHMS para generación del modelo de cuenca.

Determinación del área de influencia de cada pluviómetro mediante polígonos de Thiessen.

Exportación del modelo de cuenca a HEC-HMS.

Calibración del modelo obtenido mediante los datos de las estaciones de aforo.

Exportación de los resultados obtenidos a una hoja de cálculo mediante HEC-DSSVue y obtención del grado de ajuste mediante regresión lineal.

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LAS SUBCUENCAS DE ESTUDIO

CUENCA “A” de 35 km2

CUENCA “B” de 146 km2

CUENCA “C” de 427 km2

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LOS EVENTOS SIMULADOS

20/10/09 (15:00) – 22/10/09 (23:45) – evento 1

Se trata de un evento producido tras un periodo seco, es decir, bajo condiciones según SCS tipo (I).

Cuenca Precipitación periodo (mm)

A 34

B 33

C 27

Precipitación ponderada para cada unas de la

cuencas en el evento 1

Banda pluviográfica para la cueca “A”

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LOS EVENTOS SIMULADOS II

15/03/11 (00:00) – 16/03/11 (23:45) Se trata de un evento producido bajo condiciones de humedad según SCS tipo II. Puesto que previo al evento tuvieron lugar una serie de episodios de lluvia repartidos entre los días 11 y 13 de marzo que sumó aproximadamente 17 mm.

Cuenca Precipitación periodo (mm)

A 46

B 49,5

C 45

Precipitación ponderada para cada unas de la

cuencas en el evento 2

Banda pluviográfica para la cueca “B”

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LOS EVENTOS SIMULADOS III

27/03/11 (00:00) – 28/03/11 (23:45) Se trata de un evento producido en condiciones suelo saturado o según SCS tipo III, especialmente debido a las precipitaciones del evento 2.

Cuenca Precipitación periodo (mm)

A 14,6

B 12,9

C 13,2

Precipitación ponderada para cada unas de la

cuencas en el evento 3

Banda pluviográfica para la cueca “C”

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RESULTADOS I

R2 = 0.95 R2 = 0.82 R2 = 0.87

Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “A” mediante el empleo del Hidrograma SCS. De izquierda a derecha (evento 1 al 3).

Se observa un buen ajuste a los caudales pico, y en menor medida al volumen de escorrentía producido para los eventos 2 y 3.

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RESULTADOS II

R2 = 0.53 R2 = 0.82 R2 = 0.93

Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “A” mediante el empleo del Hidrograma Clark. De izquierda a derecha (evento 1 al 3).

Se observa un mejor ajuste aunque cierta tendencia del caudal pico. Para el evento 1, no se obtiene correlación con el aforo, ni del caudal pico ni del volumen de escorrentía.

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RESULTADOS III

R2 = 0.75 R2 = 0.82 R2 = 0.20

Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “B” mediante el empleo del Hidrograma SCS. De izquierda a derecha (evento 1 al 3).

Se observa dificultad de ajuste para hidrogramas con varios picos(evento 1), un buen ajuste del caudal pico para el evento 2 y poca bondad en el evento no independiente (evento 3).

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RESULTADOS IV

Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “B” mediante el empleo del Hidrograma Clark. De izquierda a derecha (evento 1 al 3).

R2 = 0.15 R2 = 0.93 R2 = 0.74

Se observa un mal ajuste al hidrograma de varios picos, un buen ajuste para el caudal pico y escorrentía para el evento 2 y una tendencia a la laminación en el caso del evento 3.

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RESULTADOS V

R2 = 0.22 R2 = 0.65 R2 = 0.45

Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “C” mediante el empleo del Hidrograma SCS. De izquierda a derecha (evento 1 al 3).

Se observa un mal ajuste para el hidrograma de varios picos, un buen ajuste para el caudal pico ante el evento 2 y un cierto desfase en el tiempo de retardo para el evento 3.

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RESULTADOS VI

R2 = 0.10 R2 = 0.93 R2 = 0.88

Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “C” mediante el empleo del Hidrograma Clark. De izquierda a derecha (evento 1 al 3).

Se observa un mal ajuste para el hidrograma de varios picos, un buen ajuste para el caudal y el volumen de escorrentía para el evento 2 y un buen ajuste del tiempo base del hidrograma aunque cierta laminación del caudal pico para el evento 3.

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COMENTARIOS A LOS RESULTADOS

El uso del Hidrograma Unitario de Clark mejora el ajuste de las simulaciones en el caso de los eventos nº 2 y nº 3, es decir para los eventos más cuantiosos o tras situaciones de saturación.

La mejora del ajuste es de menor entidad para el caso de la cuenca A, es decir, para la cuenca pequeña.

El ajuste es considerablemente mayor mediante el empleo del Hidrograma de Clark para las cuencas B y C, es decir, para las cuencas de mayor tamaño.

El Hidrograma SCS solo obtuvo mejor ajuste para el caso de las cuencas A y B ante el evento nº 1, es decir, para las cuencas de escala pequeña o microcuenca para eventos menos intensos y suelo seco.

Ninguno de los métodos de transformación lluvia-caudal obtuvo un buen ajuste para la simulación de la cuenca C y el evento nº 1, es decir, para la cuenca mayor y la menor precipitación.

Empleando ambos modelos de transformación se han obtenido buenos ajustes para el caudal pico, aunque el empleo de Hidrograma de Clark manifiesta cierta tendencia a la laminación del caudal pico.

Existe una cierta tendencia a un mejor ajuste del caudal pico mediante el empleo del Hidrograma SCS, si bien, minusvalora en términos generales la escorrentía total producida, de ahí que los coeficientes de correlación obtenidos para los eventos nº 2 y nº 3 sean más bajos.

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CONCLUSIONES I

•La integración del modelo hidrológico HEC-HMS con el Sistema de Información Geográfica ArcGis a través de las extensiones HEC-GeoHMS y ArcHydro Tools facilita el manejo del modelo, al permitir introducirle una parte importante de las variables que necesita, especialmente en lo referente al modelado de la cuenca, permitiendo además trabajar con información distribuida o pseudo-distribuida •El modelo HEC-HMS logra a nivel de evento y una vez calibrado, un buen ajuste para los tamaños de cuenca estudiados en este proyecto, si bien, ha resultado determinante la elección del modelo de transformación lluvia – caudal. •El Hidrograma Unitario SCS y el Hidrograma Unitario de Clark han demostrado una buena capacidad predictiva para la obtención de caudales punta, aunque se ha observado cierta tendencia a la laminación o reducción del caudal punta empleando el Hidrograma de Clark, fruto del almacenamiento transitorio del agua en el conjunto de la cuenca que éste considera. •El comportamiento de ambos hidrogramas ha diferido notablemente para la estimación del volumen de escorrentía generada. El Hidrograma de Clark ha demostrado estimar con mayor bondad el efecto regulador que en la respuesta hidrológica se produce en cada una de las cuencas, ante eventos de precipitación de cierta importancia. Efecto regulador que se ha producido para todos los tamaños de cuenca y para los eventos más intensos o tras saturación.

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CONCLUSIONES II

•Un proceso crítico y que ha ofrecido dificultad es la generación de la lluvia efectiva, la mayoría de los métodos existentes como el de Green y Ampt requieren el conocimiento de parámetros físicos que raramente se encuentran a disposición, con lo que el método del NC se convierte en un método aplicable con los niveles de información habituales. Si bien este método requiere de al menos un buen conocimiento edafológico de la zona. •También es crítico, el valor que adopta el NC en función del estado de humedad preliminar, pues evento nº 1 y el evento nº 2 han tenido lugar bajo condiciones de humedad del suelo diferentes, sin embargo, en algunos casos e observan valores del NC similares. •Para la cuenca nº 1 y empleando el hidrograma SCS se ha obtenido un mejor ajuste permitiendo que el modelo optimice el parámetro tiempo de concentración, de tal forma que el valor que el modelo da como óptimo difiere notablemente de los valores que desde el punto de vista bibliográfico son aceptados. •A diferencia de otros modelos hidrológicos que requieren del conocimiento de un importante número de variables, el modelo HEC-HMS permite efectuar simulaciones satisfactorias con un número reducido de parámetros.