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Modelización hidrológica de las cuencas de los ríos Múrtigas yCaliente (Huelva, España). Calidad de los datos de aforos.

Hydrological modeling of the rivers Múrtigas and Caliente catchments (Huelva, Spain). Stream-gauge data quality.

Laura Galván y Manuel Olías

Departamento de Geodinámica y Paleontología. Universidad de Huelva. Campus �El Carmen�. Avda. 3 de Marzo s/n. 21071 Huelva.laura.galvan@dgyp.uhu.es

ABSTRACT

Hydrological modeling of the Odiel River by means of th SWAT program (Soil and Water AssessmentTool) revealed a need for stream-gauge stations in the northern part of the basin. This is because materialswith different hydrological behaviour from those of the rest of the basin outcrop in this area. For thatreason this work develops a model of the Múrtigas and Caliente River catchments located adjacent to thenorth of Odiel basin and with similar hydrological characteristics. The monthly values of the NSE (Nashand Sutcliffe Efficiency) obtained for the validation period are -0.73 for the Múrtigas River and 0.73 for theCaliente River. The reason for these low values is that the data from stream-flow measurements are ofteninaccurate. The data quality is especially poor in the Múrtigas River stream-gauge station, which is currentlythe only in operation. Due to the necessity of accurate data for the calibration of the hydrological models,and the fact that the data quality obtained from the stream-flow measurements in the Múrtigas andCaliente river stations is very low, it is not possible to calibrate properly the model. It is, therefore, arguedthat the reliability of stream-gauge stations in this area must be improved.

Key words: Hydrological modeling, SWAT, Múrtigas river, Caliente river, flow data quality.

Geogaceta, 48 (2010), 123-126 Fecha de recepción: 15 de febrero de 2010ISSN: 0213-683X Fecha de revisión: 21 de abril de 2010

Fecha de aceptación: 28 de mayo de 2010

Introducción y objetivos

La red fluvial del río Odiel, situada enla provincia de Huelva, está intensamentecontaminada por drenaje ácido de minas.Para evaluar la carga contaminante trans-portada por los afluentes de este río, esnecesario disponer de datos de calidad delagua y contar con series de caudal conti-nuas espacial y temporalmente. Debido ala escasez de estaciones de aforo, para ge-nerar datos de caudales se ha aplicado elmodelo hidrológico SWAT en la cuencadel río Odiel (Galván et al., 2008). Parala calibración de este modelo se utiliza-ron los dos únicos puntos con datos deaforos disponibles, ambos puntos situa-dos en la parte sur de la cuenca (existeotra estación de aforos �Sotiel-, en la par-te central de la cuenca, sin embargo susdatos se desecharon por ser de muy malacalidad). Aunque se obtuvieron buenosresultados (valores de NSE por encimadel 0.75; Moriasi et al., 2007), se puso demanifiesto la conveniencia de tener algúnpunto para calibrar el modelo en la partenorte de la cuenca, ya que en esta zonaafloran materiales carbonatados con uncomportamiento hidrogeológico diferen-

te al resto. Existen estaciones de aforosen las cuencas de los ríos Múrtigas y Ca-liente, que lindan con la cuenca del ríoOdiel y tienen características similares ala parte norte de ésta última.

El objetivo de este trabajo es aplicar elmodelo SWAT a las cuencas de los ríosMúrtigas y Caliente para obtener losparámetros relativos a las aguas subterráneasy, por otro lado, evaluar la calidad de los da-tos de aforos de las estaciones disponibles.

Metodología

El programa SWAT (Soil and WaterAssessment Tool; Neitsch et al., 2002)permite trazar las redes de drenaje y lassubcuencas a partir del Modelo Digital deElevaciones y calcula el balance diario deagua a partir de datos meteorológicos, re-lieve, tipos de suelos y usos del suelo.

El modelo está constituido por una se-rie de submódulos que se emplean parasimular diferentes procesos hidrológicos.El programa se basa en la ecuación gene-ral de balance hídrico:

donde SWt es el contenido final de agua

en el suelo, SW0 es el contenido inicial de

agua en el suelo, t el tiempo, Rday

la preci-pitación, Qsurf la escorrentía superficial,Ea la evapotranspiración, Wseep es la canti-dad de agua acumulada en la zona satura-da y Q

gw la cantidad de agua que retorna

hacia los ríos como flujo base (Neitsch etal., 2002).

Para calibrar y validar el modelo secuenta con dos estaciones de aforos per-tenecientes a la ConfederaciónHidrográfica del Guadiana. Una localiza-da en el río Múrtigas (Fig. 1) en la que sehan utilizado los datos desde 1980 a 2006(aunque existe un largo periodo sin datosentre 1995 y 2000). La otra situada sobreel río Caliente (Fig. 1), sólo dispone dedatos hasta 1987 (se utiliza el periodo1980-87). Existe otra estación de aforosdespués de la unión de ambos ríos quedejó de funcionar en 1956. Los datos deaforos están publicados en la página webdel CEDEX (http://hercules.cedex.es/anuarioaforos).

La bondad de ajuste de los datos me-didos y calculados por el modelo se anali-zará visualmente (gráficos de evoluciónde caudales simulados y observados) y a

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partir de los estadísticos: coeficiente decorrelación de Pearson (r), parámetro deeficiencia de Nash y Sutcliffe (NSE; Nashy Sutcliffe, 1970), error cuadrático medio(RMS; Hogue et al., 2006) y la desvia-ción de volúmenes de escorrentía (DV;Boyle et al., 2006).

Área de estudio

Hasta las estaciones de aforos consi-deradas, la subcuenca del río Múrtigastiene una superficie de 35.2 km2, mientrasque la del río Caliente es de 63.8 km2. Aefectos de la modelización, se consideran7 subcuencas en la zona (Fig. 1).

En cuanto a los datos de entrada alprograma, la topografía se ha obtenido apartir del Modelo Digital del Terreno dela Junta de Andalucía. Para el río Calientela cota máxima alcanza los 912 m de alti-tud, siendo la altitud media de 549 m. Enel río Múrtigas la cota máxima es de 957m y la altitud media de 649 m.

Respecto a los datos meteorológicos,se dispone de 3 estaciones de la AgenciaEstatal de Meteorología, dos situadas enel interior de la cuenca y otra próxima asu límite sur (Fig.1). Los datos diarios(precipitaciones y temperaturas) desde1980 a 2006 se han comprobado y com-pletado por medios estadísticos. La preci-pitación media anual de la zona es de 922mm y la temperatura media de 16 ºC. La

ETP se calcula mediante el método deHargreaves (Neitsch et al., 2002).

Como se puede observar en el mapalitológico (Fig. 1), los materiales quedrenan la subcuenca del río Caliente sonen su mayor parte volcanosedimentarios,rocas básicas volcánicas, gneisses y aflo-ramientos de arenas y gravas con inclu-siones de conglomerados. Por otro lado,en la subcuenca del río Múrtigas los ma-teriales predominantes son losvolcanosedimentarios, aunque existenafloramientos de calizas y dolomías, are-nas y gravas.

La información sobre los suelos hasido obtenida de un estudio edafológicode la zona (Fernández de Villarán, comu-nicación personal). Para cada tipo de sue-lo se ha determinado: profundidad delperfil, textura, porcentaje de materia or-gánica, conductividad hidráulica satura-da a 50 y 100 cm de profundidad, densi-dad aparente, grupo hidrológico del nú-mero de curva y capacidad de aguadisponible.

Para los usos del suelo se ha partidode la información facilitada por laConsejería de Medio Ambiente de la Jun-ta de Andalucía, procedente de lafotointerpretación de un vuelo realizadoen 1999. Los usos mayoritarios son el te-rreno forestal (43% de la superficie de lacuenca), zona agrícola (23%) y pastizal(15%).

Resultados y discusión

Para el río Múrtigas se ha utilizadopara la calibración el periodo de 1980 a1993 y se han reservado para la valida-ción los datos de 1994 a 2005. En el ríoCaliente se utilizará para la calibración elperiodo 1980 a 1984 y para la validaciónde 1985 a 1987.

Tras la primera simulación, con losparámetros de aguas subterráneas que tie-ne el modelo por defecto, se puso de ma-nifiesto la escasa relación entre datos si-mulados y observados y la necesidad decalibración del modelo. El parámetroalfa_bf (equivalente al coeficiente deagotamiento) puede variar entre 0 (paraacuíferos con una respuesta muy rápidafrente a la precipitación) y 1 (paraacuíferos con mucha inercia). Tanto parael río Múrtigas como el Caliente se usa unvalor de 0.2, ya que en la zona existen al-gunos pequeños afloramientos de mate-riales permeables (Fig. 1).

Mediante el modelo se obtiene unaaportación anual media de 14.2 hm3 parael río Múrtigas. En este río Martos-Rosillo et al. (2006) estiman 18 hm3 deaportación mediante el método de Témezpara el periodo 1958 a 1994. La aporta-ción media obtenida en el río Caliente esde 21.2 hm3/año. Estos valores suponenunos caudales específicos de 12.8 y 10.6L/s.km2 para los ríos Múrtigas y Caliente,respectivamente. Hay que tener en cuentaque los valores obtenidos para el ríoMúrtigas y Caliente no corresponden almismo periodo.

Fig. 1.- Mapa litológico de la cuenca.

Fig. 1.- Lithologic map.

Tabla I.- Índices estadísticos mensualespara el periodo de calibración.

Table I.- Monthly statistical indexes for thecalibration period.

En la tabla I y figuras 2 y 3 se com-prueba que el ajuste obtenido para el pe-riodo de calibración se puede considerarbueno para el río Múrtigas (NSE de 0.67;Moriaisi et al., 2007), mientras que soninsatisfactorios para el Caliente (NSE de0.46). La desviación de los volúmenes deescorrentía (DV) es próxima a 1 en amboscasos, lo que refleja la semejanza entre lasaportaciones totales simuladas y observa-das. En el río Caliente los peores resulta-dos de coeficiente de correlación y NSEparecen deberse a que las curvas de ago-

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tamiento no se han conseguido reprodu-cir con los parámetros de aguas subterrá-neas introducidos en el modelo.

No obstante, en ambos casos se ob-serva que los datos de aforos presentanmuy mala calidad, repitiéndose los mis-mos valores continuadamente en el tiem-po y con saltos discontinuos de caudalesdando un aspecto de �escalones y mese-tas� en los hidrogramas a nivel diario(Figs. 2 y 3).

Fig. 5.- Evolución de las aportaciones mensuales simuladas y observadas en el río Calientedurante el periodo de validación.

Fig. 5.- Monthly evolution of simulated and observed contributions of the Caliente river for thevalidation period.

Fig. 4.- Evolución de las aportaciones mensuales simuladas y observadas en el río Múrtigasdurante el periodo de validación.

Fig. 4.- Monthly evolution of simulated and observed contributions of the Múrtigas river for thevalidation period.

Tabla II.- Índices estadísticos mensualespara el periodo de validación.

Table II.- Monthly statistical indexes for thevalidation period.

En cuanto a la validación del modelo(Tabla II y Figs. 4 y 5), para el Calientelos resultados son buenos según Moriasiet al. (2007). Se comprueba un buen ajus-te en la evolución mensual de las aporta-ciones simuladas y observadas (Fig. 5).

Por el contrario, para la validación,los índices estadísticos del Múrtigas ex-hiben un ajuste muy deficiente. Destacaen este caso una desviación de los volú-menes de escorrentía de 0.13, es decir,las aportaciones observadas son casi 10veces superiores a las simuladas. En laestación de aforos del río Múrtigasexiste un importante periodo sin datosentre 1995 y 2000, no obstante, eso nojustifica las diferencias observadaspues los periodos sin datos de caudal nose tienen en cuenta para el cálculo delos índices estadísticos. El problema ra-dica en que a partir del año 2000 loscaudales aforados son muy superiores alos anteriores (Fig. 4), aparentementesin ningún tipo de justificación. Es de-cir, los datos de aforos del río Múrtigasa partir del año 2000 (y hasta la actuali-dad) son posiblemente erróneos.

Conclusiones

Los datos de aforos en las cuencas delos ríos Múrtigas y Caliente tienen muymala calidad y presentan numerosos pe-riodos sin datos, complicando la labor decalibración y validación del modeloSWAT. En la zona existen tres estacionesde aforo pero una se abandonó en 1956.De las dos restantes, la del Caliente pre-senta una mejor calidad de la informa-ción, pero también dejó de funcionar en

Fig. 3.- Ejemplo de evolución diaria entre caudales simulados y observadospara el río Caliente.

Fig. 3.- Example of daily evolution of simulated and observed stream flow forCaliente river.

Fig. 2.- Ejemplo de evolución diaria entre caudales simulados y observadospara el río Múrtigas.

Fig. 2.- Example of daily evolution of simulated and observed stream flow forMúrtigas river.

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1987. No obstante, los datos diarios deesta estación también muestran una faltade precisión en las medidas de la estaciónde aforos, que es enmascarada cuando serepresentan los datos mensualmente.

Por último, los datos de la estación deaforos del río Múrtigas presentan una cali-dad muy deficiente, sobre todo a partir delaño 2000, donde los caudales aforados sonmuy superiores a los calculados.

Otra dificultad adicional en la calibra-ción puede provenir de aportes subterrá-neos procedentes del exterior de la cuen-ca (Martos-Rosillo et al., 2006). No obs-tante, mediante el modelo se consiguenreproducir los recursos anuales, lo queimplicaría que los recursos subterráneos�externos� no tienen una gran importanciaen estas cuencas.

En teoría, los datos de aforos sirvenpara calibrar el modelo. En la práctica elmodelo parece mucho más fiable que losdatos experimentales de aforo, sería con-veniente analizar en detalle el funciona-miento actual de estas estaciones. Por úl-timo se pone de manifiesto la convenien-

cia de disponer en esta zona de estacionesde aforos que aporten datos fiables y ten-gan un funcionamiento a largo plazo.

Agradecimientos

Este trabajo se ha realizado gracias alconvenio entre la Universidad de Huelva yla Consejería de Medio Ambiente de laJunta de Andalucía «Caracterización de lacontaminación minera, y modelizaciónhidrológica de la cuenca del río Odiel» yuna beca del Programa de Formación delProfesorado Universitario del Ministeriode Educación y Ciencia (FPU). Asimismose agradece al Dr. Fernández de Villarán lainformación edafológica de la zona.

Este manuscrito ha sido notablementemejorado gracias a los comentarios y su-gerencias del Dr. Juan Gisbert y un revi-sor anónimo.

Referencias

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