Simulación hidrológica de caudales de estiaje con...
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Simulación hidrológica de caudales de estiaje con gvSIG (SEXTANTE) gvSIG (SEXTANTE) Oscar Abarca 1,2 , Miguel Bernabé 1 1 Departamento de Ingeniería Topográfica y Cartografía, Universidad Politécnica de Madrid 2 2 Departamento de Ingeniería Agrícola, Facultad de Agronomía, Universidad Central de Venezuela Obj i Introducción En este trabajo se aplicaron las herramientas de modelación hidrológica implementadas por gvSIG, a través del sistema SEXTANTE, para simular caudales de estiaje sobre una cuenca hidrográfica y sub-cuencas componentes. Objetivo Evaluar la aplicabilidad de la herramienta gvSIG (SEXTANTE) para la estimación de la disponibilidad de agua en cuencas de pequeño tamaño, con poca información hidro- climática y con vocación para el abastecimiento de poblaciones rurales o el riego. Modelo hidrológico Á d t di GvSIG implementa, a través de SEXTANTE, una adaptación del modelo TOPMODEL, desarrollado por Beven y Kirby (1979). Este modelo se basa en el cálculo de un índice topográfico o índice de humedad, de acuerdo a la expresión: a W = W es el índice topográfico o índice de humedad del suelo, Área de estudio El modelo hidrológico se aplicó sobre la cuenca hidrográfica del río El Limón, ubicada en la Cordillera de la Costa Central del Estado Aragua – Venezuela. Ubicación del área de estudio, cuenca del río El Limón, estado Aragua Venezuela (1863 ha). S T W ln 0 donde: a es el área aportante específica, que se obtiene de dividir el área aportante por el ancho de celda, S es la pendiente del terreno, T 0 es la transmisividad del suelo saturado Sub-cuencas abastecedoras tributarias del río El Limón Caracterización hidrológica Calibración de parámetros Metodología Caracterización hidrológica Esta etapa se realizó para conocer las características físico-naturales del área de estudio y hacer una estimación inicial de los parámetros del modelo hidrológico. Variable Formato Escala original Características Información básica disponible Parámetros Valor inicial Fuente del valor inicial Valor definitivo 1 Flujo inicial en el subsuelo por unidad de área [m/h] 0,0000328 Valor por defecto de SEXTANTE 0,000145 2 Media ponderada de LnTo [Ln(m 2 /h)] ‐2,8 Ponderación de calicatas 3 3 Parámetro de escala M 0 03 Beven (1997b) 04 Parámetros del modelo Topmodel Calibración de parámetros original Topografía Shape (líneas) 1:25.000 Equidistancia: 20 m Cobertura y uso Shape (polígonos) 1:15.000 Suelos Shape (puntos) Calicatas Clima Shape (puntos) Diaria 8 Estación de Precip. 1 Estación de Evapor. Hidrología Shape (puntos) Diaria 1 Estación de Niveles Curva de gasto Acueductos Shape (puntos) 13 obras de captación 3 Parámetro de escala M 0,03 Beven (1997b) 0,4 4 Déficit inicial en zona radicular [m] 0 Balance hídrico mensual (enero) 0,005 5 Máximo déficit en zona radicular [m] 0,120 Capa: Capacidad de Retención de Agua 0,200 6 Retardo de la zona no saturada (flujo subsuperficial) por unidad de déficit [h] 5 Capa: Isócronas de Escurrimiento 1 7 Velocidad en canal [m/s] 3600 Capa: Velocidad (Modelización del Flujo en Canales) 750 Ortofoto Geo‐tiff Resolución: 2,5 m 8 Velocidad interna en subcuenca [m/s] 3600 Capa: Velocidad (Modelización del Flujo en Canales) 1750 9 Conductividad hidráulica superficial [m/h] 0,03 Maderey (2005) (K de suelos medios) 0,03 10 Succión capilar del suelo en el frente de humedad (Ecuación de Green y Ampt, Ψ) [m] 0,06 Chow et al (1999) (Ψ de arena margosa) 0,06 11 Contenido de agua en el frente de humedad (Ecuación de Green y 0,7 Estimación por Balance hídrico 0,7 Et i hid li áti b l MDT d l Ampt) (%) (enero) Estaciones hidro-climáticas sobre el MDT de la cuenca estudiada Proceso de calibración de parámetros Simulación hidrológica Estadístico Valor final R (Período de estiaje) 0,93 Diferencia Volumen (%) 0,21 Capas derivadas de la caracterización con SEXTANTE Días Calibración 1991 Precipitación Q Sextante Q Observado Parámetros optimizados Validación Parámetros no válidos Índice Topográfico HIDROCLIMATOLOGÍA (Pr, Ev, ETP, Qobs) Pendientes Flujo acumulado Transmisividad del suelo MODELO HIDROLOGICO Calibración Manual 0 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 80 100 120 1 31 61 91 121 151 181 211 241 271 301 331 361 Q (m3/s) Pr (mm) Conclusiones - Se desarrolló una secuencia metodológica que permitió aplicar el modelo TopModel para la simulación hidrológica de caudales de estiaje. La caracterización hidrológica realizada con SEXTANTE permitió determinar los parámetros iniciales de Parámetros no optimizados Parámetros válidos Simulación CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA Parámetros iniciales Capacidad de Retención de agua Isócronas Velocidad Flujo acumulado Pendientes Transmisividad ƒ(Ko Prof ) Cuencas y subcuencas Calicatas (Text., MO, Prof., Ko) Serie sintética de Q simulados (Cuenca n) Datos de Entrada Producto Final Producto Intermedio Modelo tdlói ‐ La caracterización hidrológica realizada con SEXTANTE permitió determinar los parámetros iniciales de entrada del modelo. ‐ El elemento clave en la caracterización y simulación hidrológica es el MDT. ‐ La implementación del modelo es sencilla y requiere poca información climática (precipitación, temperatura, HR) y edáfica (profundidad, textura, MO, conductividad). ƒ(Ko, Prof.) (Text., MO, Prof., Ko) HIDROCLIMATOLOGÍA (Pr, Ev, ETP, Qobs) Productos de la Caracterización Hidrológica Producto Final Proceso de Simulación Curva de duración de caudales diarios - quebrada Guamita 150 160 170 180 190 200 simulados (l/s) metodológico para la simulación hidrológica ‐ La calibración del modelo no puede ser realizada automáticamente por lo que se recomienda la incorporación de una subrutina de optimización. Referencias IV Jornadas Internacionales gvSIG Valencia‐España, d d b Curva de duración de caudales - Quebrada Guacamaya 55 65 75 85 95 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Frecuencia (%) Q simulados (l/s) 130 140 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Frecuencia (%) Q Curva de duración de caudales - quebrada El Manguito 360 (l/s) Beven, K.; Kirkby, M. (1979): “A physically based variable contributing area model of basin hydrology”. Hydrological Sciences Bulletin, v. 24, no. 1, p. 43-69. 3‐5 de diciembre 2008 210 260 310 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Frecuencia (%) Q simulados Simulación de caudales de estiaje en las sub-cuencas estudiadas
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Simulación hidrológica de caudales de estiaje con gvSIG (SEXTANTE)gvSIG (SEXTANTE)
Oscar Abarca1,2, Miguel Bernabé1
1 Departamento de Ingeniería Topográfica y Cartografía, Universidad Politécnica de Madrid 22 Departamento de Ingeniería Agrícola, Facultad de Agronomía, Universidad Central de Venezuela
Obj iIntroducción
En este trabajo se aplicaron las herramientas de modelación hidrológica implementadas por gvSIG, a través del sistema SEXTANTE, para simular caudales de estiaje sobre una cuenca hidrográfica y sub-cuencas componentes.
ObjetivoEvaluar la aplicabilidad de la herramienta gvSIG (SEXTANTE) para la estimación de la disponibilidad de agua en cuencas de pequeño tamaño, con poca información hidro-climática y con vocación para el abastecimiento de poblaciones rurales o el riego.Modelo hidrológicoÁ d t diGvSIG implementa, a través de SEXTANTE, una adaptación del modelo
TOPMODEL, desarrollado por Beven y Kirby (1979). Este modelo se basa en el cálculo de un índice topográfico o índice de humedad, de acuerdo a la expresión:
aW =W es el índice topográfico o índice de
humedad del suelo,
Área de estudioEl modelo hidrológico se aplicó sobre la cuenca hidrográfica del río El Limón, ubicada en la Cordillera de la Costa Central del Estado Aragua – Venezuela.
Ubicación del área de estudio, cuenca del río El Limón, estado Aragua Venezuela (1863 ha).
STW
ln0
donde:
a es el área aportante específica, que seobtiene de dividir el área aportante porel ancho de celda,
S es la pendiente del terreno,
T0 es la transmisividad del suelo saturado Sub-cuencas abastecedoras tributarias del río El Limón
Caracterización hidrológica Calibración de parámetros
MetodologíaCaracterización hidrológicaEsta etapa se realizó para conocer las características físico-naturales del área de estudio y hacer una estimación inicial de los parámetros del modelo hidrológico.
Variable Formato Escala original
Características
Información básica disponible
Parámetros Valor inicial Fuente del valor inicial
Valor definitivo
1 Flujo inicial en el subsuelo por unidad de área [m/h]
0,0000328 Valor por defecto de SEXTANTE
0,000145
2 Media ponderada de LnTo [Ln(m2/h)]
‐2,8 Ponderación de calicatas
3
3 Parámetro de escala M 0 03 Beven (1997b) 0 4
Parámetros del modelo TopmodelCalibración de parámetros
originalTopografía Shape (líneas) 1:25.000 Equidistancia: 20 mCobertura yuso
Shape (polígonos) 1:15.000
Suelos Shape (puntos) CalicatasClima Shape (puntos) Diaria 8 Estación de Precip.
1 Estación de Evapor.Hidrología Shape (puntos) Diaria 1 Estación de Niveles
Curva de gastoAcueductos Shape (puntos) 13 obras de captación
3 Parámetro de escala M 0,03 Beven (1997b) 0,44 Déficit inicial en zona radicular [m] 0 Balance hídrico
mensual (enero)0,005
5 Máximo déficit en zona radicular [m]
0,120 Capa: Capacidad de Retención de Agua
0,200
6 Retardo de la zona no saturada (flujo subsuperficial) por unidad de déficit [h]
5 Capa: Isócronas de Escurrimiento
1
7 Velocidad en canal [m/s] 3600 Capa: Velocidad (Modelización del Flujo en Canales)
750
p (p ) pOrtofoto Geo‐tiff Resolución: 2,5 m
j )8 Velocidad interna en subcuenca
[m/s]3600 Capa: Velocidad
(Modelización del Flujo en Canales)
1750
9 Conductividad hidráulica superficial [m/h]
0,03 Maderey (2005)(K de suelos medios)
0,03
10 Succión capilar del suelo en el frente de humedad (Ecuación de Green y Ampt, Ψ) [m]
0,06 Chow et al (1999)(Ψ de arena margosa)
0,06
11 Contenido de agua en el frente de humedad (Ecuación de Green y
0,7 Estimación por Balance hídrico
0,7
E t i hid li áti b l MDT d l
Ampt) (%) (enero)
Estaciones hidro-climáticas sobre el MDT de la cuenca estudiada
Proceso de calibración de parámetros
Simulación hidrológica
Estadístico Valor final
R (Período de estiaje) 0,93
Diferencia Volumen (%) 0,21
Capas derivadas de la caracterización con SEXTANTE
DíasCalibración 1991 Precipitación
Q SextanteQ Observado
Parámetros optimizados Validación
Parámetros no válidos
Índice Topográfico
HIDROCLIMATOLOGÍA (Pr, Ev, ETP, Qobs)
Pendientes
Flujo acumulado
Transmisividad del suelo
MODELO HIDROLOGICO CalibraciónManual 0
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120
1 31 61 91 121 151 181 211 241 271 301 331 361
Q (m
3/s)
Pr (m
m)
Q
Conclusiones- Se desarrolló una secuencia metodológica que permitió aplicar el modelo TopModel para la simulación
hidrológica de caudales de estiaje.
La caracterización hidrológica realizada con SEXTANTE permitió determinar los parámetros iniciales de
Parámetros no optimizados Parámetros válidos
SimulaciónCARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA
Parámetros iniciales
Capacidad de Retención de agua
Isócronas
Velocidad
Flujo acumulado
Pendientes
Transmisividad ƒ(Ko Prof )
Cuencas y subcuencas
Calicatas(Text., MO, Prof., Ko)
Serie sintética de Q simulados(Cuenca n)Datos de Entrada
Producto Final
Producto Intermedio Modelo t d ló i ‐ La caracterización hidrológica realizada con SEXTANTE permitió determinar los parámetros iniciales de
entrada del modelo.
‐ El elemento clave en la caracterización y simulación hidrológica es el MDT.
‐ La implementación del modelo es sencilla y requiere poca información climática (precipitación, temperatura, HR) y edáfica (profundidad, textura, MO, conductividad).
ƒ(Ko, Prof.) (Text., MO, Prof., Ko)
HIDROCLIMATOLOGÍA (Pr, Ev, ETP, Qobs)
Productos de la Caracterización
Hidrológica
Producto Final
Proceso de Simulación
Curva de duración de caudales diarios - quebrada Guamita
150160170180190200
sim
ulad
os (l
/s)
metodológico para la simulación hidrológica
‐ La calibración del modelo no puede ser realizada automáticamente por lo que se recomienda la incorporación de una subrutina de optimización.
ReferenciasIV Jornadas Internacionales
gvSIGValencia‐España,d d b
Curva de duración de caudales - Quebrada Guacamaya
55
65
75
85
95
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Frecuencia (%)
Q s
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)
130140
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Frecuencia (%)
Q
Curva de duración de caudales - quebrada El Manguito
360 (l/s
)
Beven, K.; Kirkby, M. (1979): “A physically based variable contributing area model of basin hydrology”. Hydrological Sciences Bulletin, v. 24, no. 1, p. 43-69.
3‐5 de diciembre 2008
210
260
310
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Frecuencia (%)
Q s
imul
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Simulación de caudales de estiaje en las sub-cuencas
estudiadas
