modelaciÓn hidrolÓgica distribuida en cuencas...
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MODELACIÓN HIDROLÓGICA DISTRIBUIDA EN CUENCAS ANDINAS POCO
INSTRUMENTADAS MEDIANTE LA APLICACIÓN DE TÉCNICAS DE
REGIONALIZACIÓN DE PARÁMETROS HIDROLÓGICOS.
JUAN GUILLERMO ARIAS CASTAÑEDA
Trabajo de grado como requisito parcial para optar el título de Magíster en
Planificación y Manejo Ambiental de Cuencas Hidrográficas.
Director:
MIGUEL IGNACIO BARRIOS PEÑA
UNIVERSIDAD DEL TOLIMA
FACULTAD DE INGENIERIA FORESTAL
MAESTRÍA EN PLANIFICACIÓN Y MANEJO AMBIENTAL DE CUENCAS
HIDROGRÁFICAS
IBAGUE - TOLIMA
2015
ACTA DE SUSTENTACION.
3
DEDICATORIA
A Dios, por darnos a mi Madre, a mi Esposa, a mi Hija, y a mí, una segunda
oportunidad para valorar la vida y luchar por nuestros ideales.
A la memoria de mis seres queridos que ya dejaron el mundo terrenal.
A Mariana Sofía, motor de mi vida, y polo a tierra de mis emociones y pensamientos.
A mi Esposa, quien ha sido especialmente paciente y comprensiva.
A mi Madre, quien ha dado todo por mí.
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AGRADECIMIENTOS.
El autor expresa sus más sinceros agradecimientos a:
Al Ingeniero Miguel Ignacio Barrios Pena, quien más que director, ha sido coequipero en
este propósito, tutor y amigo.
A todos aquellos que mediante un riguroso análisis legal al interior de la Universidad del
Tolima, llegaron al acuerdo de consejo 096 de 2014, que fue el primer “Jalón de orejas”
para llegar a buen término del presente documento.
A las directivas de la Corporación Autónoma Regional del Tolima, sin cuyos permisos y
licencias concedidos no hubiese sido posible este cometido.
A los doctores Jorge Julián Vélez Upegui, Fernando Mauricio Castro Barrios, y el
Ingeniero Pedro Antonio Chacón Moreno, quienes de una manera amable, y
desinteresada ha compartido gran parte de su conocimiento con el autor.
A Aura Lucia Díaz Ricaurte, por su apoyo en el manejo de las herramientas SIG.
Al ingeniero Juan Diego Marín Herrera, a quien se le auguran grandes éxitos
profesionales por su respeto, paciencia, y dedicación.
Al Politólogo Jaime Castro, y la Trabajadora Social Maddy Soranyi Martínez López
quienes desde su baja comprensión del mundo numérico supieron aportar su granito de
arena al desarrollo del presente trabajo.
A mis compañeros de lucha en el espinoso camino, Ingenieros Oscar Giovanny Linares
Triviño, Diego Andrés Borrero Silva, y Bióloga Betty Lorena Carvajal Bonilla.
5
A todos aquellos quienes con aquella pregunta que tanto malestar me causaba, de una
u otra forma me impulsaron a llegar al final de este capítulo de mi vida.
6
CONTENIDO
INTRODUCCION 22
1 OBJETIVOS 24
1.1 OBJETIVO GENERAL 24
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 24
2. REVISION BIBLIOGRAFICA. 25
2.1 PROCESOS HIDROLOGICOS Y MODELACION HIDROLOGICA. 25
2.1.1 Clasificación de los modelos hidrológicos. 28
2.1.2 Discusión epistémica de la validez de los modelos hidrológicos. 29
2.2 REGIONALIZACION DE PARAMETROS. 31
2.2.1 Regionalización hidrológica como herramienta de apoyo a la toma de decisiones.
31
2.2.2 Técnicas de regionalización hidrológica. 32
2.2.2.1 Métodos basados en la distancia. 32
2.2.2.2 Métodos basados en regresiones. 33
2.2.3 Investigación en regionalización hidrológica. 33
2.3 SELECCIÓN DEL MODELO HIDROLOGICO. 37
2.3.1 Experiencias de modelación con TETIS en el mundo, y en Colombia. 39
3 MATERIALES Y METODOS 46
3.1 MATERIALES. 46
3.2 METODOS 48
3.2.1 DESCRIPCION DE LA ZONA DE ESTUDIO. 49
3.2.1.1 Unidad hidrográfica Estación Montezuma (Código IDEAM: 21217180). 53
3.2.1.2 Unidad hidrográfica Estación San Vicente (Código IDEAM: 21217220) 54
3.2.1.3 Unidad hidrográfica Estación Puente La Bolívar (Código IDEAM: 21217280)
54
7
3.2.1.4 Unidad hidrográfica Estación Puente Luisa (Código IDEAM: 21217140) 55
3.2.1.5 Unidad hidrográfica Estación Puente Carretera (Código IDEAM: 21217120)55
3.2.1.6 Unidad hidrográfica Estación El Carmen (Código IDEAM: 21217200). 56
3.2.1.7 Unidad hidrográfica Estación Payande (Código IDEAM: 21217070) 56
3.2.2 CALCULO DE ÍNDICES DE SIMILARIDAD. 57
3.2.2.1 Características físicas de la cuenca. 59
3.2.2.2 Índices climáticos. 62
3.2.2.3 Indices de Caudal – Streamflow Signatures. 63
3.2.3 ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS DEL MODELO HIDROLÓGICO. 64
3.2.3.1 Parámetros derivados del modelo de Elevación Digital. 64
3.2.3.2 Parámetros derivados del suelo 70
3.2.3.3 Parámetros derivados de la Geología 75
3.2.3.4 Parámetros derivados de las coberturas del suelo. 77
3.2.4 CALIBRACION Y VALIDACION DEL MODELO 78
3.2.4.1 Periodos de Calibración y Validación. 78
3.2.4.2 Análisis de homogeneidad y consistencia de los datos de precipitación. 79
3.2.4.3 Análisis de correlación entre las estaciones de precipitación y de caudal. 81
3.2.4.4 Calibración y validación de los modelos. 81
3.2.5 CALCULO DE CORRELACIONES Y ANALISIS DE SIMILARIDAD. 84
4 RESULTADOS. 86
4.1 CALCULO DE INDICES DE SIMILARIDAD. 86
4.2 MODELACION HIDROLOGICA. 88
4.2.1 Calibración y validación en estación Montezuma. 90
4.2.1.1 Calibración en estación Montezuma. 90
4.2.1.2 Validación Temporal en estación Montezuma. 91
4.2.2 Calibración y validación en estación San Vicente. 92
4.2.2.1 Calibración en estación San Vicente. 92
4.2.2.2 Validación Temporal en estación San Vicente. 96
4.2.3 Calibración y validación en estación Puente La Bolívar. 97
4.2.3.1 Calibración en estación Puente La Bolívar 97
8
4.2.3.2 Validación en estación Puente La Bolívar. 100
4.2.4 Calibración y validación en la estación Puente Luisa. 103
4.2.4.1 Calibración en la estación Puente Luisa. 103
4.2.4.2 Validación en estación Puente Luisa. 105
4.2.5 Calibración y validación en estación Puente Carretera. 107
4.2.5.1 Calibración en estación Puente Carretera. 107
4.2.5.2 Validación temporal en estación Puente Carretera. 109
4.2.6 Calibración y validación en estación El Carmen. 111
4.2.6.1 Calibración en estación El Carmen. 111
4.2.6.2 Validación temporal en estación El Carmen. 113
4.2.7 Calibración y validación en estación Payande. 115
4.2.7.1 Calibración en estación Payande. 115
4.2.7.2 Validación temporal en estación Payande. 117
4.3 DISCUSION EN TORNO A LOS RESULTADOS DE CALIBRACION Y
VALIDACION. 119
4.4 ANALISIS DE REGIONALIZACION DE LOS PARAMETROS CALIBRADOS EN
CADA ESTACION. 122
4.4.1 Correlaciones entre índices de similaridad. 125
4.4.2 Depuración de índices correlacionados. 126
4.4.3 Análisis de relaciones de similaridad. 128
5 CONCLUSIONES 132
RECOMENDACIONES
REFERENCIAS 137
9
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Elementos y terminología de la modelación. Modificado de Schlesinger et al,
1979, por Refsgard J.C., y Henriksen H.J. 2004. 30
Figura 2. Esquema conceptual de tanques del modelo TETIS 8.3.0, a nivel de celdas.
Fuente: (Muñoz Ramos et al., 2014) 41
Figura 3. Simplificación 2D del movimiento horizontal propuesto por el modelo TETIS
8.3.0. Fuente: (Francés García et al., 2014) 42
Figura 4. Esquema metodológico bajo el cual se desarrolló el proyecto. 48
Figura 5. Ubicación general de las cuencas hidrográficas de análisis para el desarrollo
del proyecto. 53
Figura 6. Modelo de Elevación Digital (MDE) STRM de 90 metros utilizado para el
desarrollo del proyecto. 65
Figura 7. Mapa de dirección de flujo, derivado del Modelo de Elevación Digital (MDE)
STRM de 90 metros utilizado como fichero Input para el desarrollo del proyecto. 66
Figura 8. Mapa de celdas acumuladas, derivado del fichero input de dirección de flujo
utilizado para el desarrollo del proyecto. 67
Figura 9. Mapa de pendientes, derivado del Modelo de Elevación Digital (MDE) STRM
de 90 metros utilizado como fichero Input para el desarrollo del proyecto. 68
Figura 10. Mapa de Velocidad del Flujo en ladera, derivado del mapa de pendientes
utilizado como fichero Input para el desarrollo del proyecto. 69
10
Figura 11. Mapa de almacenamiento estático del suelo (Hu) utilizado como fichero Input
para el desarrollo del proyecto. 73
Figura 12. Mapa de conductividad hidráulica del suelo (Ks) utilizado como fichero Input
para el desarrollo del proyecto. 74
Figura 13. Mapa de conductividad hidráulica del interflujo (Ksh) utilizado como fichero
Input para el desarrollo del proyecto. 75
Figura 14. Ejemplo grafico de periodo de calibración y validación, estación Montezuma.
80
Figura 15. Ejemplo gráfico de análisis de doble masa para las estaciones Las Juntas y
El Secreto. 82
Figura 16. Ejemplo grafico de análisis de correlación para las estaciones de precipitación
presentes en el área de influencia de la estación Montezuma. 83
Figura 17. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de calibración 1999 – 2001, en la unidad hidrográfica de la
Estación Montezuma. 94
Figura 18. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de validación 2002 - 2005 en la unidad hidrográfica de la Estación
Montezuma. 95
Figura 19.Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de calibración 1999 - 2001 en la unidad hidrográfica de la Estación
San Vicente. 98
11
Figura 20. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de validación 2002 - 2005 en la unidad hidrográfica de la Estación
San Vicente. 99
Figura 21. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de calibración 1999 - 2001 en la unidad hidrográfica de la Estación
Puente La Bolívar. 101
Figura 22. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de validación 2004 – 2007 en la unidad hidrográfica de la Estación
Puente La Bolívar. 102
Figura 23. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de calibración 1996 – 1999 en la unidad hidrográfica de la Estación
Puente Luisa. 104
Figura 24. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de validación 2001 – 2004 en la unidad hidrográfica de la Estación
Puente Luisa. 106
Figura 25. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de calibración 1999 - 2001 en la unidad hidrográfica de la Estación
Puente Carretera. 108
Figura 26. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad hidrográfica de la Estación
Puente Carretera. 110
Figura 27. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de calibración 1999 - 2001 en la unidad hidrográfica de la Estación
El Carmen. 112
12
Figura 28. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad hidrográfica de la Estación
El Carmen. 114
Figura 29. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de calibración 1999 - 2001 en la unidad hidrográfica de la Estación
Payande. 116
Figura 30. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad hidrográfica de la Estación
Payande. 118
Figura 31. Graficas acumuladas de Precipitación Vs Caudal para los periodos de
calibración y validación en las unidades hidrográficas Montezuma (A), Payande (B),
Puente Carretera (C), y El Carmen (D). 120
Figura 32. Grafica de los factores correctores en las siete unidades hidrográficas objeto
de análisis. 122
Figura 33. Grafica de correlaciones lineales (Pearson) entre las diferencias absolutas de
los índices de similaridad calculados en las siete unidades hidrográficas objeto de
análisis. 126
Figura 34. Grafica de correlaciones No Lineales (Spearman) entre las diferencias
absolutas de los índices de similaridad calculados en las siete unidades hidrográficas
objeto de análisis. 127
Figura 35. Árbol de clasificación de similaridad entre las siete unidades hidrográficas
objeto de análisis. 131
13
LISTA DE TABLAS.
Tabla 1. Información secundaria utilizada en el desarrollo del proyecto. 47
Tabla 2. Estaciones hidrométricas definidas para el desarrollo del proyecto. 52
Tabla 3. Índices de similaridad a ser calculados en cada una de las unidades
hidrográficas definidas para el desarrollo del proyecto. 57
Tabla 4. Códigos de cubierta del suelo, y coeficientes de cultivo mensuales definidos
para el desarrollo del proyecto. 77
Tabla 5. Periodos de calibración y validación para cada una de las estaciones
hidrométricas definidas para el desarrollo del proyecto. 84
Tabla 6. Índices de similaridad calculados para cada una de las unidades hidrográficas
definidas para el desarrollo del proyecto. 86
Tabla 7. Índices de eficiencia para el periodo de calibración 1999 – 2001 en la
hidrográfica de la Estación Montezuma. 91
Tabla 8. Índices de eficiencia para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad
hidrográfica de la Estación Montezuma. 92
Tabla 9. Índices de eficiencia en el periodo de calibración 1998 – 2001, para la unidad
hidrográfica de la Estación San Vicente. 96
Tabla 10. Índices de eficiencia para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad
hidrográfica de la Estación San Vicente. 97
14
Tabla 11. Índices de eficiencia para el periodo de calibración 1998 – 2001 en la unidad
hidrográfica de la Estación Puente La Bolívar. 100
Tabla 12. Índices de eficiencia para el periodo de validación 2004 – 2007 en la unidad
hidrográfica de la Estación Puente La Bolívar. 103
Tabla 13. Índices de eficiencia para el periodo de calibración 1996 – 1999 en la unidad
hidrográfica de la Estación Puente Luisa. 103
Tabla 14. Índices de eficiencia para el periodo de validación 2001 – 2004 en la unidad
hidrográfica de la Estación Puente Luisa. 105
Tabla 15. Índices de eficiencia para el periodo de calibración 1998 – 2001 en la unidad
hidrográfica de la Estación Puente Carretera. 107
Tabla 16. Índices de eficiencia para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad
hidrográfica de la Puente Carretera. 109
Tabla 17. Índices de eficiencia para el periodo de calibración 1998 – 2001 en la unidad
hidrográfica de la Estación El Carmen. 111
Tabla 18. Índices de eficiencia para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad
hidrográfica de la Puente Carretera. 113
Tabla 19. Índices de eficiencia para el periodo de calibración 1998 – 2001 en la unidad
hidrográfica de la Estación Payande. 115
Tabla 20. Índices de eficiencia para el periodo de validación 2002 – 2005 en la unidad
hidrográfica de la estación Payande. 117
15
Tabla 21. Factores correctores en el periodo 1998 – 2001, para las 7 unidades
hidrográficas en estudio. 121
Tabla 22. Índices de Nash - Sutcliffe para la regionalización de parámetros en el periodo
1998 – 2001, para los caudales con mayor probabilidad de excedencia al Q Medio. 124
Tabla 23. Errores medios cuadráticos (RMSE) para la regionalización de parámetros en
el periodo 1998 – 2001, para los caudales con mayor probabilidad de excedencia al Q
Medio. 124
Tabla 24. Errores en volumen (%) para la regionalización de parámetros en el periodo
1998 – 2001, para los caudales con mayor probabilidad de excedencia al Q Medio. 125
16
LISTA DE ANEXOS
Anexo A. Abreviaciones empleadas para cada uno de .los indices evaluados en el
proyecto. ................................................................................................................ 144
Anexo B. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion Puente Luisa transferidos
a la estacion Puente la Bolivar. ................................................................................... 146
Anexo C. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion Puente la Bolivar
transferidos a la estacion Puente Luisa....................................................................... 149
Anexo D. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion Montezuma transferidos a
la estacion Payande. ................................................................................................... 152
Anexo E. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion Payande transferidos a la
estacion Montezuma. .................................................................................................. 155
Anexo F. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion Puente Luisa transferidos
a la estacion San Vicente. ........................................................................................... 158
Anexo G. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion San Vicente transferidos a
la estacion Puente Luisa. ............................................................................................ 161
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Anexo H. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion Puente la Bolivar
transferidos a la estacion Montezuma. ........................................................................ 164
Anexo I. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance
hídrico para los factores correctores calibrados en la estacion Montezuma transferidos a
la estacion Puente la Bolivar. ...................................................................................... 167