Prospectivas y Aplicaciones del Modelo Hidrológico SWAT: Adaptación del modelo para su uso en la Cuenca Hidrográfica del Canal de Panamá

Transcripción

1 Prospectivas y Aplicaciones del Modelo Hidrológico SWAT: Adaptación del modelo para su uso en la Cuenca Hidrográfica del Canal de Panamá Presentado por: Jordan Oestreicher Estudiante de Maestría Universidad de McGill Montreal, Québec Canadá

2 Resumen Introducción y contexto El modelo SWAT Calibración, validación y evaluación del modelo Aplicaciones I: Modelación del crecimiento del cultivo de piña II: Modelación de diferentes usos del suelo III: Modelación de cambios climáticos Conclusiones

3 La Cuenca Hidrográfica del Canal de Panamá y la zona de investigación El rendimiento y el flujo de agua Brinda agua para: La generación de electricidad (34%) El agua potable en las áreas urbanas (7%) Las operaciones del canal (59%) Problemas: La sedimentación de los reservorios Los cambios climáticos Aumenta de la demanda de agua

4 Expansión del cultivo de piña en las subcuencas Que impacto tiene? Aumento del sedimento Cambios en el rendimiento de agua Implicaciones para las operaciones del Canal?

5 SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Modelo hidrológico con componentes distintos: Escurrimiento: método SCS-Curve Number Erosión: método MUSLE Recarga y flujo de aguas subterráneas Evapotranspiración: tres modelos Transporte de químicos y de nutrientes Calidad de agua Clima: WXGEN método estadístico Crecimiento de la planta y rendimiento del cultivo Prácticas agrícolas y manejo del suelo

6 Requisitos de SWAT: Programas El modelo es accesible Se puede conseguir en: Plataforma requerida: ArcGIS 9.2 o ArcView 3.2 o 3.3 Con la extensión Spatial Analyst, entre otras.

7 Requisitos de SWAT: Datos para construir el modelo DEM (Modelo Digital de Elevación) Al menos se recomienda uno de 50 metros Suelo Textura, capacidad de disponibilidad del agua, conductividad hidráulica, profundidad, albedo, contenido de carbono, densidad, entre otros. Hasta 10 horizontes Cobertura vegetal y uso del suelo Sensores remotos Datos climáticos Temperatura y precipitación Otros: humedad, velocidad del viento, radiación solar, etc. Datos observados o simulados

8 Requisitos de SWAT: Datos de suelo Los datos de suelo disponibles: Textura Materia orgánica y contenido de carbono Profundidad Como obtener los parámetros faltantes? Ecuaciones para calcular las propiedades hidráulicas a partir de la textura y materia orgánica La capacidad de disponibilidad del agua, la conductividad hidráulica y la densidad En este caso, el programa utilizado fue el Soil Properties Calculator Disponible en:

9 Requisitos de SWAT: Datos climáticos Dos estaciones de precipitación en el área de investigación Dos estaciones climáticas con datos desde hace 70 años Temperatura tomada de esas estaciones Datos usados para la construcción del modelo WXGEN

10 Requisitos de SWAT: Datos para calibrar y validar el modelo Flujo de agua y sedimentos suspendidos Estación aforo con registro diario Años Rendimiento de sedimentos y erosión Aproximación para diferentes usos del suelo

11 Calibración y Validación del flujo de agua 25 Observed Flow Simulated Flow Precipitation Flow (m3/s) Precipitation (mm) Week ( ) 450

12 Calibración y Validación del flujo de agua Simulated flow (m 3 /s) calibration validaiton Linear (calibration) Linear (validaiton) R 2 = 0.79 E NS = 0.78 R 2 = 0.76 E NS = Observed flow (m 3 /s)

13 Calibración y Validación del flujo base 8 calibration validation Simualted Baseflow (m3/s) Linear (calibration) Linear (validation) R2 = 0.82 ENS = 0.66 R2 = 0.78 ENS = Observed Baseflow (m3/s)

14 Calibración y Validación del flujo base Observed Baseflow Simulated Baseflow Flow (m 2 /s) Week ( )

15 Calibración y Validación del sedimento 2500 R 2 = E NS = R 2 = E NS = 0.31 Simulated Sediment (Mg) Calibration Validation Linear (Calibration) Linear (Validation) Observed Sediment (M g)

16 Calibración y Validación del sedimento Simulated Sediment Observed Sediment Simulated Flow Observed Flow Sediment (Mg) Flow (m 3 /s) Year

17 Para mejorar las simulaciones del modelo en la subcuenca Datos de las estaciones aforos Estaciones ubicadas dentro de la cuenca (mas detalle espacial) Amplio tiempo de observación (mas detalle temporal) Obtener datos climáticos del área Precisar los parámetros del suelo Precisar los factores del MUSLE La piña Precisar las simulaciones de diferentes coberturas Cuantificar el sedimento producido por diferentes usos de suelo/cobertura vegetal Pero, el modelo no puede simular el impacto del ganado

18 Para mejorar las simulaciones del modelo en la subcuenca

19 Para mejorar las simulaciones del modelo en la subcuenca

20 Aplicación I: Modificación de parámetros para el cultivo de piña

21 Aplicación I: La modificación de parámetros del cultivo de piña SWAT viene con la capacidad de simular muchos cultivos y plantas, pero la piña no es uno de ellos Sin embargo, se puede simular plantas no incluidas en el modelo Se necesita datos sobre el ciclo de crecimiento Índice del área de hoja, conversión de energía en biomasa, absorción de nutrientes, etc. Estos datos fueron tomados de la literatura para simular el cultivo de piña Todavía ningunos son disponibles en Panamá Fuentes de datos: Hawai, México, Brasil, e Australia

22 Aplicación I: La modificación de parámetros del cultivo de piña

23 Aplicación I: La modificación de parámetros del cultivo de piña

24 Aplicación I: Problema con la modificación de parámetros del cultivo de piña Sin embargo, SWAT fue desarrollado para uso en los Estados Unidos Donde se siembra la mayoría de sus cultivos en la primavera y se cosecha antes del invierno Entonces, todo pasa dentro de un año (Enero - Diciembre) La programación del SWAT exige que se coseche todos los cultivos al final de cada año simulado Pero, el cultivo de piña toma más de un año para madurar (promedio en Panamá 372 días) Un problema que se puede remediar, pero con la ayuda de un programador de ordenador

25 Aplicación I: Problema con la modificación de parámetros del cultivo de piña Existe otra opción: ALOHA Un modelo del crecimiento de piña Simular los impactos del clima, los nutrientes, la disponibilidad de agua etc. en la planta Exitosas simulaciones en África, Australia y Hawai Se puede conectar ALOHA con SWAT

26 Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal

27 Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal Si todos los cultivos de piña fueron reemplazados con bosques o pastos, En cuánto se reduciría la producción de sedimentos y el rendimiento de agua en la cuenca del Río Caño Quebrado? Sedimento cumulativo (Mg/ha) Piña Boseque Pasto Año Reducciones de erosión: Bosque: -62% Pastos: -58% Rendimiento de agua: Bosque: +5% Pastos: +1%

28 Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal Si todos los cultivos de piña fueron reemplazados con bosques o pastos, En cuánto se reduciría la producción de sedimentos y el rendimiento de agua en la cuenca del Río Caño Quebrado? Rendimiento de Agua (mm) Pasto Bosque Piña ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Mes Reducciones de erosión: Bosque: -62% Pastos: -58% Rendimiento de agua: Bosque: +5% Pastos: +1%

29 Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal

30 Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal Existe unos problemas con esta predicción SWAT no puede simular los impactos del ganado: Compactación del suelo Erosión El rendimiento de agua dependería en el especie de árbol y el manejo del bosque: Plantaciones de Teca vs. Bosques naturales Los impactos del crecimiento del bosque

31 Aplicación III: Modelación de los efectos de los cambios climáticos

32 Aplicación III: Modelación de los efectos de los cambios climáticos Cómo los cambios climáticos afectarían el rendimiento de agua en la cuenca del Río Caño Quebrado? Utilizar escenarios de cambios climáticos HADCM2 y HADCM3 (HADely center Climate Models) Modelos climáticos muy especializados Comparar los resultados con el escenario Business as usual Donde el uso del suelo no cambia y no hay efectos de los cambios climáticos

33 Aplicación III: Modelación de los efectos de los cambios climáticos Rendimiento de agua (mm) BAU HADCM2 HADCM3 Reducciones: HADCM2: -5% HADCM3: -6% 0 ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic Mes

34 Aplicación III: Modelación de los efectos de los cambios climáticos ñ HADCM 3 HADCM 2 BAU Reducciones: HADCM2: -5% HADCM3: -6% Año Rendimiento de agua cumulativo (mm

35 Otras Aplicaciones Efectos de los cambios climáticos sobre el rendimiento de los cultivos Existe la posibilidad de modelar los efectos de la subida del dióxido de carbono y de la radiación solar Efectos de diferentes prácticas del manejo del suelo Cuál sería el impacto de usar curvas de nivel o reducir el arado? Cómo afectarían el riego y el consumo de agua al flujo y el rendimiento de agua? Efectos de la urbanización Y mucho mas

36 Conclusiones Muchas posibilidades y prospectivas, pero: Se necesita mejorar la modelación del cultivo de piña Se debe precisar la erosión y sedimento producido por los pastos y la piña Predicciones con diferentes escenarios Cambios climáticos y cobertura vegetal Modelación de las prácticas del manejo de suelo Arado, riego, curvas de nivel o terrazas, etc.

37 Conclusiones La Cuenca Hidrográfica del Canal de Panamá: Apoyo en la toma de decisiones Se debe realizar reforestación en la cuenca? Hay otras opciones? El modelo SWAT es una herramienta con múltiples aplicaciones Decidir las buenas prácticas Facilita las decisiones: leyes políticas ambientales y sociales

38 MUCHAS GRACIAS Hay Preguntas?