Saja-Besaya (Modelo Tetis V.7.2), para estimación probabilística de avenidas en los períodos de estiaje
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- Eva Herrero Valverde
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1 Modelación hidrológica distribuida da de la cuenca ca Saja-Besaya (Modelo Tetis V.7.2), para estimación probabilística de avenidas en los períodos de estiaje Autores: Félix Francés y Juan Camilo Múnera Universidad Politécnica de Valencia - España Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente Grupo de Investigación de Hidráulica e Hidrología XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica Cartagena de Indias, Septiembre 2008
2 Objetivos del estudio Conocer el caudal que circula en los ríos Saja-Besaya cuando se producen las descargas de sistemas unitarios (DSU s) en las zonas urbanas de la cuenca baja. Generar caudales en varios puntos de la cuenca aguas arriba de la ciudad de Torrelavega y aguas abajo de la confluencia: Implementar un modelo hidrológico, discretización temporal diaria: Simular serie histórica de caudales diarios cerca de áreas urbanas (énfasis en caudales mínimos). Implementar Modelo hidrológico, discretización temporal horaria: Generar hidrogramas de crecidas (énfasis en estación estival). Análisis probabilístico de eventos simulados Caracterización estadística de la evolución de caudales desde el inicio del hidrograma en el tiempo para ser considerados en la dilución de DSU s. C.A. Cantabria XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
3 Información disponible Información hidrometeorológica diaria suficiente Buena cobertura pluviométrica diaria Incertidumbre en aforos ETP fuera de la cuenca Información espacial suficiente Buena calidad del MED y mapas de vegetación Información aceptable de suelos y geológica Información de evento (horaria) pobre No hay hidrogramas con resolución temporal horaria o menor para calibrar Lluvia horaria reconstruida en 3 puntos de la cuenca XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
4 Localización del área de estudio, cuenca Saja Besaya y puntos de interés Características generales Drenaje general Sur-Norte Clima húmedo Litología: Predominan arcillas y limonitas, conglomerados, areniscas, calizas y margas. C.A. Cantabria Area cuenca ca = Km 2 Suelos: predominan cambisoles Vegetación: Bosques de robles y frondosas en partes altas; pastos, cultivos, matorral, eucaliptos y pinedos en parte media-baja. Red de drenaje en parte alta y media con altas pendientes y cauces encajonados. XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
5 El Modelo hidrológico TETIS Desarrollado en la UPV desde 1994 Distribuido en el espacio: Reproduce la variabilidad ab espacial a del Ciclo Hidrológico Reducción del efecto de escala espacial Explotación de toda la información espacio-temporal existente Modelación de propagación separada en laderas y cauces Propagación no lineal en cauces mediante O.C.G. (IAHR, La Habana, 2002) XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
6 Estimación de parámetros Parámetros geomorfológicos g Conceptualización traslación escorrentía: Onda Cinemática Geomorfológica, Vélez, J.I. Tesis Doctoral (2001) a Qb c d b a1 Q b c n Q c ( ) d yso cn d w w Q d n XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
7 Modelo hidrológico TETIS Modelo Global: incluye el balance en todo momento Simulación adecuada de la humedad inicial 5 variables de estado H(t) () 4 flujos de salida Y(t) PRECIPITACIÓN X 1 D 1 EXCEDENTE T1 H u X * 2 H 1 INFILTRACIÓN X 3 Problema potencial con parámetros en Almacenamiento superficial PERCOLACIÓN modelos distribuidos: T3 Calibración de elevado número de parámetros en cada celda a partir de un hidrograma en la salida. Solución: Estructura separada del parámetro efectivo: Primera fase: estimación a partir de información física y ambiental Segunda fase: Factor corrector global X 4 PÉRDIDAS SUBTERRÁNEAS H u (i) H u X 5 ( i ) R D 2 D 3 D 4 1 T4 EVAPOTRANSPIRACIÓN Y 1 Almacenamiento estático T2 H 2 H 3 H 4 Y 2 Y 3 Almacenamiento gravitacional Y 4 Almacenamiento en acuífero ESCORRENTÍA SUPERFICIAL INTERFLUJO FLUJO BASE Calibración T5 H 5 Almacenamiento XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
8 Estimación de parámetros espaciales Obtención del MED de 500 m agregado a partir del original: MED de 5 m Red de drenaje MED 500 m XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
9 Estimación de parámetros espaciales Parámetros derivados del MED : Pendientes Direcciones de drenaje Celdas acumuladas XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
10 Estimación de parámetros espaciales Permeabilidad en superficie (a partir de mapa edafológico con clasificación de suelos del SCS) XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
11 Estimación de parámetros espaciales Estimación grosera de la permeabilidad profunda a partir del mapa litológico XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
12 Estimación de parámetros espaciales Tipologías de vegetación para la ET e intercepción: A partir de mapa de aprovechamiento de cultivos y núcleos urbanos XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
13 Estimación de parámetros espaciales Almacenamiento en superficie = intercepción + charcos Intercepción= f(mapa de cubierta del suelo) Charcos = f(mapa de cubierta del suelo y mapa de pendientes) Almacenamiento Capilar del suelo Profundidad efectiva de raíces x (Capacidad de campo P. marchitez) f(tipo de suelo) Almacenamiento estático Suma de Almacenamiento en superficie y Almacenamiento estático XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
14 Proceso de calibración Estimación de parámetros por comparación entre el valor observado y el simulado de alguna variable de estado Tradicionalmente: el caudal en el punto de desagüe Evaluación del modelo: Comparación gráfica Funciones objetivos: Error de balance BE (%) Qi Si Qi 100 ( ) Error raíz-cuadrático medio (F.O. calib.) RMSE Q i S i Índice de Eficiencia (Nash-Sutcliffe) NSE 1 n n i1 2 2 Qi Si Q i Qm 1 2 XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
15 Información Hidrometeorológica Serie diaria de Precipitación en corrales de Buelna Precipitación diaria (mm) 0/1948 0/1949 0/1950 0/1951 0/1952 0/1953 0/1954 0/1955 0/1956 0/1957 0/1958 0/1959 0/1960 0/1961 0/1962 0/1963 0/1964 0/1965 0/1966 0/1967 0/1968 0/1969 0/1970 0/1971 0/1972 0/1973 0/1974 0/1975 0/1976 0/1977 0/1978 0/1979 0/1980 0/1981 0/1982 0/1983 0/1984 0/1985 0/1986 0/1987 0/1988 0/1989 0/1990 0/1991 recipitación media anual (mm) Fecha Serie diaria de caudales R. Besaya (Torrelavega) y = x x R 2 = Elevación (msnm) Correlación entre la precipitación Caudal (m 3 /s) Pr anual y la altitud de pluviómetros en la cuenca del Saja-Besaya oct- oct- Fecha XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
16 Estimación de ETP en cuenca Saja-Besaya Información de partida: Serie diaria de ETP en Aeropuerto de Sondika (Bilbao) ETP media anual y mensual en algunas estaciones de la región ETP diaria (mm m) ETP anual en Cantabria (dos fuentes de información) Regresión lineal (Curva regional) ETP (mm) Fecha y = x R 2 = Serie diaria de ETP en Apto Sondika (Bilbao) Altura (msnm) Relación regional de ETP anual con la cota XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
17 Extrapolación de ETP a cuenca S-B (Resultados en 9 puntos de la cuenca) Serie estandarizada Apto Sondika Ciclo anual de ETP estimado en 9 puntos interiores distribuidos en la cuenca Z Sondika d, M ) ETP ( Sondika d M, ) Sondika M Promedio % DE ETP ANUAL ( Sondika M Saja-01 Saja-02 Saja-03 Saja-04 Besaya-01 Besaya-02 Besaya-03 Besaya-04 OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR MY JUN JUL AGO SEP MES Besaya-05 ETP en una subcuenca del R. Besaya ETP estandarizada 51 31/12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/00 diaria (mm) Fecha i i Sondika Sondika ETP d M Z d M M 1 (, ) (, ) M /51 /53 /55 /57 /59 /61 /63 /65 /67 /69 /71 /73 /75 /77 /79 /81 /83 /85 /87 /89 /91 /93 /95 /97 /99 /01 ETP d Fecha XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
18 Modelo diario Períodos de calibración y validación teniendo en cuenta: Número de estaciones pluviométricas disponibles 26 Comienzo y final de las series de Q, P y ETP (período común) 24 Puesta 22 en marcha de trasvase desde el Ebro a finales de 1982 Estaciones con datos en la cuenca S_B y vecinas 20 Período de calibración: a Estaciones con datos sólo dentro de la cuenca S-B Período de validación: a Períodos de simulación en régimen natural: # estaciones a Todos las simulaciones se inician con 3 meses de calentamiento 2 para propagar el estado de humedad inicial 0 /1948 /1949 /1950 /1951 /1952 /1953 /1954 /1955 /1956 /1957 /1958 /1959 /1960 /1961 /1962 /1963 /1964 /1965 /1966 /1967 /1968 /1969 /1970 /1971 /1972 /1973 /1974 /1975 /1976 /1977 /1978 /1979 /1980 /1981 /1982 /1983 /1984 /1985 /1986 /1987 /1988 /1989 /1990 /1991 Fecha XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
19 Calibración modelo diario Calibración automática de los F.C. (Francés et al., 2007) Eliminando 2 picos no explicables por la precipitación observada Proceso iterativo entre los modelos diario y horario: Optimización inicial de parámetros en modelo diario Ajuste del F.C. de la velocidad en cauces en modelo horario Rango de variación, valores iniciales para la optimización automática y valor calibrado Factor corrector Mínimo Máximo Valor Inicial Valor calibrado R1 Almacenamiento estático R2 Evapotranspiración R3 Infiltración R4 Escorrentia directa R5 Percolación R6 Flujo subsuperficial R7 Pérdidas subterraneas R8 Flujo base R9 Velocidad del flujo Coeficiente XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
20 Resultados calibración modelo diario Comparación gráfica e índices estadísticos: Parámetro Valor RMSE 11.1 NSE 0.81 E. Vol. (%) 4.6 Caudal (m 3 /s) Precipitación diaria (mm) / /11/ /01/ /03/ /05/ /07/ /09/ /11/ /01/ /04/ /06/ /08/1981 / /12/ /01/ /04/ /06/ /08/ /10/1982 Fecha (t = 1 día) Precipitación Q. obs. (reducción picos) Q. simulado XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
21 Calibración modelo diario Estacionariedad de almacenamientos to (mm) 100 Almacenamien /7/79 1/8/79 31/8/79 1/10/79 31/10/79 1/12/79 31/12/79 31/1/80 1/3/80 1/4/80 1/5/80 31/5/80 1/7/80 31/7/80 31/8/80 30/9/80 31/10/80 30/11/80 31/12/80 30/1/81 2/3/81 1/4/81 1/5/81 1/6/81 1/7/81 1/8/81 31/8/81 1/10/81 31/10/81 1/12/81 31/12/81 30/1/82 2/3/82 1/4/82 2/5/82 1/6/82 2/7/82 1/8/82 1/9/82 1/10/82 Fecha (t = 1 día) Alm. Estático Alm. Gravitacional Alm. Acuífero XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
22 Resultados validación modelo diario Comparación gráfica e índices estadísticos: Parámetro Valor RMSE 14.8 NSE 0.65 E. Vol. (%) 9.87 Caudal (m 3 /s) / /04/1971 / /03/ /09/ /04/ /09/ /04/1974 / /04/1975 / /04/ /09/ /04/1977 / /04/1978 / /04/1979 /1979 Fecha (t = 1 día) Q. obs. (reducción picos) Q. simulado XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
23 Modelo horario Períodos de calibración y validación (modelo diario) Período de simulación: a meses de calentamiento Función objetivo de calibración: RMSE medio diario Aunque en el modelo horario se siguió un procedimiento riguroso de calibración ió siguiendo i el criterio i anterior, no tiene sentido hablar de ajustes dado que el caudal observado es diario. El modelo tiende a sobreestimar los caudales de estiaje, por lo que se recomienda utilizar los simulados en el modelo diario. XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
24 Resultados modelo horario Precipitación media (mm) Caudal (m 3 /s) 21/03/ /03/ /04/ /04/ /04/ /05/ /05/ /05/ /06/ /06/ /06/ /07/ /07/ /07/ /08/ /08/ /08/ /09/ /09/ /09/ /10/ /10/ /10/1979 Fecha (t = 1 hora) Q. simulado BE3 Q. observado (diario) BE3 Precipitación media XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
25 Análisis estadístico de eventos ocurridos en época de estiaje en el período simulado Separación de todos los eventos de crecida en puntos de simulación Inicio de evento: criterio de incremento de caudal Finalización de evento: cuando transcurren 14 horas consecutivas sin lluvia (duración mínima 20 horas) En cada evento se establece como caudal inicial el caudal diario del día anterior (modelo diario) Con este caudal se corrigen los caudales del evento Análisis estadístico del caudal al inicio del evento y de los caudales transcurridas 5, 10, 15 y 20 horas. Magnitud de la tormenta t asociada -en términos de probabilidad bilid d de no excedencia- para comparar con eventos sintéticos. XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
26 Resultados análisis estadístico de eventos Punto Be1 5.5 Punto Be Caud dal (m 3 /s) Prob. = 0.50 Prob. = 0.60 Prob. = 0.70 Prob. = Tiempo desde el inicio del evento (h) Caud dal (m 3 /s) Prob. = 0.50 Prob. = 0.60 Prob. = 0.70 Prob. = Tiempo desde el inicio del evento (h) 7.0 Punto Sa Punto Sa-Be Caudal (m 3 /s) Prob. = 0.50 Prob. = 0.60 Prob. = 0.70 Prob. = 0.80 Caudal (m 3 /s) Prob. = 0.50 Prob. = 0.60 Prob. = 0.70 Prob. = Tiempo desde el inicio del evento (h) Tiempo desde el inicio del evento (h) XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
27 Conclusiones En este trabajo se presenta la aplicación del modelo hidrológico distribuido Tetis para generar series de caudales a diferentes escalas temporales y en diversos puntos de interés de la cuenca de estudio. Debido a la falta de datos de caudal con alta resolución temporal, se han implementado dos versiones del modelo para la cuenca Saja-Besaya: diaria y horaria. El modelo diario presenta excelentes resultados, no obstante la incertidumbre en algunas fuentes de información base (parámetros del suelo, la ETP). El modelo horario reproduce adecuadamente los hidrogramas de respuesta, no obstante la pobre distribución espacial de las precipitaciones que fueron reconstruidas previamente a esta escala temporal. La caracterización estadística de los eventos simulados permite estimar un orden de magnitud del caudal esperado para diferentes tiempos transcurridos desde el comienzo de la tormenta en función de su magnitud, expresada en términos de probabilidad de no excedencia. XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de Indias, Septiembre
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