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Modelo Hidrológico Distribuido J2000: Caso de Estudio en la Cuenca Árida del Hurtado Hidrología Andina, 17 – 20 de Noviembre de 2015

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Page 1: Modelo Hidrológico Distribuido J2000: Caso de …...•Uso del suelo: – Albedo, resistencia superficial para suelos saturados, índice de área foliar, altura vegetativa efectiva,

Friedrich Schiller University of Jena

Department of Geoinformatics, Hydrology and Modelling

Modelo Hidrológico Distribuido J2000: Caso

de Estudio en la Cuenca Árida del Hurtado

Hidrología Andina, 17 – 20 de Noviembre de 2015

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J2000

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• Desarrollado originalmente por Krause (2002) y en

desarrollo continuo por el Departamento de

Geoinformática, Hidrología y Modelación de la FSU-

Jena

• Escala a nivel de cuenca

• Modelación física y conceptual de procesos

hidrológicos

• Distribución espacial cuasi completa

• Separación del escurrimiento en sus componentes

• Métodos para la regionalización de datos de fuentes

puntuales

• Estructura modular

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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ESTRUCTURA

3 Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

Núcleo GUI

Repesentación del conocimiento

Parametrización del

modelo

Creación del modelo

Descripción del modelo (XML)

Runtime system

•Configuración

•Ejecución

•Comunicación del sistema

Librería

(procesos hidrológicos,

análisis estadísticos,

componentes de la GUI, …)

Librería

•Tipos de datos

•I/O

•Componentes básicos

•Conversión de unidades

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PROCESOS HIDROLÓGICOS

4 Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

Subsuperficial (RD2)

Base 1 (RG1)

Base 2 (RG2)

Superficial (RD1)

Componentes del escurrimiento

Zona alta

Zona baja

Agua subterránea

Lan

d U

se M

anag

em

en

t

Infiltración

MPS

Suelo

DPS

Precipitación

Precipitación neta

Evapotranspiración

PercolaciónAscenso capilar

LPS

Intercepción

Nieve

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DATOS REQUERIDOS

• Series temporales:

– Precipitación

– Temperaturas máximas, mínimas y medias

– Caudal (para la calibración y validación)

• Geodatos:

– Modelo de elevación digital

– Suelos

– Cobertura del suelo

– Geología

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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PARÁMETROS REQUERIDOS

• Geología:

– Capacidad de almacenamiento del depósito subterráneo,

coeficiente de almacenamiento del depósito subterráneo

• Uso del suelo:

– Albedo, resistencia superficial para suelos saturados, índice de

área foliar, altura vegetativa efectiva, profundidad de las raíces,

impermeabilidad

• Suelos:

– Profundidad del suelo, coeficiente de permeabilidad, asenso

capilar, capacidad para el aire, capacidad de campo

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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OBJETIVOS Y METODOLOGÍA

• Evaluación de la calidad y homogeneidad de los

datos hidro-meteorológicos

• Simulación de los procesos hidrológicos en una

cuenca montañosa utilizando dos modelos

hidrológicos distintos

• Comparación de los resultados de la modelación

utilizando diferentes criterios de desempeño

7

Yt

Tiempo Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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ÁREA DE ESTUDIO

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

• Superficie: 670 km²

• 2,000 – 5,500 m.s.n.m.

• Clima Bsk

• Temperatura 13°C (min)

– 21°C (max)

• Precipitación: 147 mm

anuales (1979-2006)

• Caudal: 3.28 m³/s

(1979-2006)

• Influencia relevante de

El Niño y la ODP en el

clima local

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DESAFÍOS

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• Datos escasos

• Partes altas de la cuenca sin

mediciones

• Régimen nival Simulación

adecuada de procesos nivales y

glaciares

• Influencia de ENSO (eventos

extremos)

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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DISTRIBUCIÓN ESPACIAL

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SWAT

J2000

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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COMPARACIÓN DE PROCESOS

Proceso J2000

Evapotranspiración Hargreaves (1985)

Derretimiento de la nieve Factor grado día

Infiltración Capacidad de infiltración máxima (tres casos distintos: verano, invierno y

nieve)

Escorrentía superficial Almacenamiento lineal

Intercepción Basado en el índice de área foliar (Dickinson 1984).

Interflow and percolation Tasa de percolación máxima

Flujo subsuperficial: almacenamiento lineal

Routing Kinematic wave normal mode

Regionalización de mediciones

puntuales

Ponderación a distancia con corrección de elevación

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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UNIDADES DE RESPUESTA HIDROLÓGICA (HRUS)

• Unidades homogéneas de modelación incluyendo

características topográficas, edafológicas, geológicas y de

uso de suelo

• Entidades de modelación

– 195 HRUs – SWAT

– 3,208 HRUs – J2000

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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CALIBRACIÓN (DIARIA)

0

100

200

300

400

5000

5

10

15

20

25

30

35

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

Pre

cip

itació

n [

mm

]

Caudal

[m³/

s]

Precip Observed J2000 SWAT

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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VALIDACIÓN (DIARIA)

0

100

200

300

400

5000

5

10

15

20

25

30

35

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

Pre

cip

itació

n [

mm

]

Caudal [m

³/s]

Precip Observed J2000 SWAT

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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COMPONENTES DE FLUJO

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

0

5

10

15

20

25

Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun

Flu

jo [

mm

]

RD1 RD2 RG1 RG2

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CRITERIOS DE DESEMPEÑO

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• Criterios típicos: – r²

– NS

Calibración

Validación

r² NS

J2000 0.62 0.53

SWAT 0.75 0.70

LNS MAE NSrel

0.70 1.33 0.91

0.45 1.43 0.77

r² NS

J2000 0.66 0.64

SWAT 0.74 0.70

LNS MAE NSrel

0.82 1.00 0.90

0.01 1.37 0.69

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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CRITERIOS ALTERNATIVOS

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-1,5

-0,5

0,5

1,5

19

91

19

92

19

93

19

94

19

95

19

96

19

97

19

98

19

99

20

00

20

01

20

02

20

03

lnC

aud

al

lnobserved lnj2000 lnSWAT

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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CONCLUSIONES

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• Falta de datos representativos plantea un desafío de incertidumbre

• Sin embargo, ambos modelos fueron capaces de representar, en términos generales, el hidrograma:

– Subpredicción de eventos extremos

– Caudales bajos fueron mejor simulados por el J2000

• La selección de criterios de desempeño al evaluar modelos hidrológicos es de suma importancia:

– Criterios erróneos pueden conducir a suposiciones y decisiones equivocadas

• Procesos hidrológicos deben ser validados en el campo

• Aplicaciones de este tipo de modelos incluyen pronósticos de cambio climáticos o escenario de cambios en el uso del suelo

Hidrología Andina, 17-20.11.2015, Santiago, Chile

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Gracias!