TEMA 06: Balance hídrico (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad de Valencia (UV)
Grado Ciencias Ambientales - 2º curso
Asignatura Hidrología continental y marina
Profesor J.A.P.A.
Año del apunte 2017
Páginas 5
Fecha de subida 14/11/2017
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Hidrología continental y marina TEMA 6: BALANCE HÍDRICO LA MODELIZACIÓN HIDROLÓGICA DE CUENCAS DE DRENAJE MODELOS EN HIDROLOGÍA Un modelo es una representación simplificada de la realidad, que se elabora para facilitar su comprensión y estudio, que permite ver de forma clara y sencilla las distintas variables y las relaciones que se establecen entre ellas. Estas representaciones se hacen mediante dibujos, esquemas o expresiones matemáticas.
Modelización hidrológica: es la aplicación de expresiones matemáticas y lógicas, que definen cuantitativamente las relaciones entre las características de la escorrentía (salida) y los factores que forman la escorrentía (entrada).
APLICACIONES DE LOS MODELOS DE FLUJO Ejemplos de aplicaciones en cuatro grandes áreas de estudio, de manera que se pueda tener una idea general y amplia desde la perspectiva de la gestión de los recursos hídricos: DESARROLLO DE MODELOS: se siguen desarrollando modelos hidrológicos (nuevos o existentes). Ello lleva consigo el planteamiento de su construcción y también la valoración de sus componentes en las fases de calibración y validación y en el análisis de sensibilidad de parámetros.
APLICACIÓN EN LA EVALUACIÓN DE IMPACTOS AMBIENTALES: amplitud de los trabajos que consideran la incidencia de los impactos en el régimen hídrico de cuenca producidos por modificaciones ambientales es grande. Destacan tres áreas de aplicación: − − − Las consecuencias de los incendios forestales en la evaluación de los volúmenes de escorrentía producidos y en la representación del hidrograma de cuenca.
El reflejo de la dinámica de las alteraciones de las cubiertas vegetales en la hidrología de cuenca.
La inundabilidad de zonas urbanas por el riesgo y consiguiente daño que las avenidas pueden producir en personas y bienes.
GESTIÓN DE CUENCAS: el desarrollo y puesta a punto de modelos hidrológicos para evaluar y hacer un seguimiento de las cuencas hidrográficas es una de las áreas de aplicación fundamentales de los modelos hidrológicos. Los aspectos de su aplicación y uso son muy variados y va desde la puesta a punto de un modelo determinado para poder evaluar el régimen de cuenca hasta análisis específicos para la cuantificación de las aguas superficiales como recurso hidrológico.
CAMBIO CLIMÁTICO: es una de las áreas de aplicación de muchos estudios ambientales, con los posibles impactos y la adaptación a las condiciones futuras que significarán las modificaciones en los sistemas naturales impuestas por la continuidad de estos impactos. La aplicación de los modelos hidrológicos al estudio del impacto ambiental tiene también una fuerte implantación.
TIPOS DE MODELOS POR REPRESENTACIÓN ESPACIAL (A) Modelos agregados: parametriza los procesos como valores únicos para el conjunto de la cuenca, sin tener en cuenta su diversidad espacial.
(B) Modelos semidistribuidos: da una representación espacial intermedia, utilizando zonas de comportamiento similar que se consideran como agregadas.
(C) Modelos distribuidos: modelo que intenta representar con el mayor detalle los procesos y parámetros.
POR LA FORMA DE REPRESENTAR LOS PROCESOS HIDROLÓGICOS Según el planteamiento matemático del modelo se diferencia entre: Métricos o empíricos: modelos basados en cálculos matemáticos fruto de la experimentación. Contienen parámetros que pueden tener poco significado físico directo y pueden estimarse sólo mediante mediciones simultáneas de entrada y salida.
Teóricos: modelos basados en las leyes de la física. Tiene una estructura lógica similar al sistema del mundo real y puede ser útil en circunstancias cambiantes.
Conceptuales: modelos intermedios entre los modelos teóricos y los empíricos.
FASES DE MODELIZACIÓN HIDROLÓGICA (EN CUENCAS AFORADAS) 1.
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Identificación de necesidades y modelo Parametrización Calibración Validación Evaluación de la bondad de ajuste del modelo (los limites) LA MODALIZACIÓN CON BALANCES HÍDRICOS Características: 1.
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Requerimientos mínimos de información: vegetación/cubiertas, humedad del suelo y climáticos.
Naturaleza físico-empírica.
Análisis distribuido.
Aplicable a cuencas no aforadas (puede ser calibrado con factor de calibración-correlación) = necesariamente tendrá imprecisión.
5. Su mejor adaptación es a escala mensual= elude el tiempo de viaje y retraso de la precipitación.
6. Se basa en la aplicación de álgebra de mapas con SIG.
FORMULACIÓN CONTENIDO DE HUMEDAD DEL SUELO Se asume que el suelo tiene una capacidad de humedad particular (θ). Una variable de estado (Si), representa el almacenamiento de humedad del suelo al final de un mes i la humedad será entonces añadida o extraída del suelo, dependiendo de si la precipitación del mes (Pi), es mayor o menor que la evapotranspiración potencial (ETPi).
1. Pi ≥ ETPi, el contenido de humedad del suelo del mes se resuelve como: 𝑆𝑆𝑆𝑆 = min{(𝑃𝑃𝑃𝑃 − 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸) + 𝑆𝑆𝑆𝑆 − 1, 𝜃𝜃} donde Si-1 se refiere a la humedad del suelo al inicio del mes, o el contenido de humedad del mes anterior.
2. Pi < ETPi, la humedad residente en el suelo al final del mes quedaría como: EVAPOTRANSPIRACIÓN REAL 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸−𝑃𝑃𝑃𝑃 � 𝜃𝜃 𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝑆𝑆𝑆𝑆 − 1�− Para el primero de los casos, la evapotranspiración real del mes (ETPi) se considera igual a la potencial. Pero si la precipitación no supera la evapotranspiración potencial estimada, entonces la real es igual a la suma de la precipitación y la humedad antecedente menos la humedad del suelo de ese mismo mes: EXCEDENTE HÍDRICO 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 = 𝑃𝑃𝑃𝑃 + 𝑆𝑆𝑆𝑆 − 1 − 𝑆𝑆𝑆𝑆 Sólo se da excedente de humedad en los suelos cuando el contenido de humedad al final del mes es igual a su capacidad de retención máxima. El exceso de humedad (Ti) se resuelve entonces como: PRESENTACIÓN DE RESULTADOS 𝑇𝑇𝑖𝑖 = 𝑃𝑃𝑃𝑃 − 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 + 𝑆𝑆𝑆𝑆 − 1 − 𝜃𝜃 El modelo produce mapas de los componentes, incluyendo precipitación y ETP, del balance hídrico para todos los intervalos temporales analizados. Asimismo, se extraen tablas de síntesis de las imágenes para posteriores análisis.
Cartografía/imágenes mensuales de: Precipitación (P) Evapotranspiración potencial (ETP) P-ETP Evapotranspiración real (ETR) Contenido de humedad en el suelo Escorrentía superficial Excedente hídrico Series temporales, tablas y gráficos de síntesis: 1.
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Precipitación (P) Evapotranspiración potencial (ETP) P-ETP Evapotranspiración real (ETR) Contenido de humedad en el suelo Escorrentía superficial Excedente hídrico 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 4400000 4395000 4390000 4385000 4380000 4375000 4370000 4365000 4360000 685000 690000 695000 700000 705000 710000 715000 720000 725000 730000 contenido de humedad (mm) 1.
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4405000 300 254.92 200 100 126.48 125.69 116.36 102.75 99.13 50.73 50.96 47.36 41.63 0 V. Potencial 1956 1978 1991 1998 escenario Media areal de Crmh* Media de contenido de humedad de la serie climática (1951:90) FUNCIONAMIENTO DE LOS MODELOS MODELOS COMERCIALES MIKE Categorías de modelización: conjunto de aplicaciones que abarcan un amplio espectro de modelizaciones hidrológicas en cantidades (flujo) y cantidad (transporte) del agua.
Funcionalidad: su aplicación está adaptada a prácticamente todo tipo de cuencas y superficies.
Tipo de modelo: de base física, avanzada.
Nivel de dificultad técnica: alto.
Naturaleza geográfica (espacial): espacial.
Compatibilidad con otros sistemas: diseñado para incorporar datos espaciales de otros sistemas. Tiene un módulo específico para la incorporación de datos extremos (MIKE Zero).
Limitaciones: muy exigente en información, alcanzando un alto número de parámetros. Su sofisticación exige un alto nivel de entrenamiento.
MODELOS DE ACCESO LIBRE SWMM AGNPS WEPP Categorías de modelización: hidrología urbana, escorrentía, transporte de solutos.
Funcionalidad: modelo adaptado para analizar sucesos de precipitación como flujo continuo. Trabaja de manera semidistribuidos con subcuencas dentro del mismo sistema de una cuenca general. Junto con los procesos de escorrentía (cantidad de agua) simula también la calidad.
Tipo de modelo: de base física.
Nivel de dificultad técnica: intermedio.
Naturaleza geográfica (espacial): semi-espacial.
Compatibilidad con otros sistemas: no posee herramientas de incorporación de datos elaborados con sistema de información geográfica. Para ello hay que crear un sistema de interconexión entre el software proveedor de datos y SWMM.
Limitaciones: la falta de facilidades para incorporar datos externos provenientes de GIS.
Categorías de modelización: calidad del agua, contaminación difusa.
Funcionalidad: conjunto de programas que caracteriza la parte del ciclo hidrológico que permite el transporte de contaminantes. Permite la predicción de la contaminación difusa en cuencas agrícolas y puede ser usado para planteamiento y desarrollo de buenas prácticas de gestión.
Tipo de modelo: de base física.
Nivel de dificultad técnica: alto.
Naturaleza geográfica (espacial): espacial.
Compatibilidad con otros sistemas: no posee módulos directos de incorporación de datos elaborados con sistemas de información geográfica. Para ello hay que crear un sistema de interconexión entre el software proveedor de datos y AGNPS.
Limitaciones: su instalación inicial es difícil.
Categorías de modelización: erosión.
Funcionalidad: integra una amplia cantidad de parámetros que permiten establecer criterios extensos para determinar la erosión. Tiene la doble opción de aplicarse a laderas y cuencas.
Tipo de modelo: de base empírica.
Nivel de dificultad técnica: intermedio.
Naturaleza geográfica (espacial): semi-espacial.
Compatibilidad con otros sistemas: además de la versión estándar, en los últimos años se está desarrollando una que permite su compatibilidad con ARCGIS, al menos la versión 9.2.
Limitaciones: es un modelo pesado para cultivos, sobre todo. Su utilización en cuencas forestales exige una profunda revisión de los valores y parámetros que se requieren. Debe también adaptarse el tipo de cultivos del lugar en el que se aplica si no tienen representación directa en el modelo.
EUROSEM Modelo distribuido aplicable a parcelas y pequeñas cuencas, que simula bien los fenómenos de rotura de agregados, transporte y deposición de sedimento y predice la escorrentía y la pérdida de suelo, ofreciendo como resultado hidrogramas y sedimentogramas de eventos de lluvia aislados.
Está diseñado con una estructura modular, por lo que cada componente puede ser desarrollado más detalladamente. Además, se pueden incorporar nuevas entradas para mejorar los módulos individuales y es capaz de operar en intervalos de una tormenta, describiendo el proceso erosivo en detalle.
De igual manera y para la evaluación del modelo a escala de cuencas, aparecen problemas a la hora de redistribuir el agua dentro del perfil del suelo durante periodos en que la intensidad de lluvia es menor a la infiltración.
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