JUAN GUILLERMO ARIAS CASTAÑEDA

Transcripción

1 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

2 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. 3

4 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. 4

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. 5

6 CONTENIDO INTRODUCCION 22 1 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECIFICOS REVISION BIBLIOGRAFICA PROCESOS HIDROLOGICOS Y MODELACION HIDROLOGICA Clasificación de los modelos hidrológicos Discusión epistémica de la validez de los modelos hidrológicos REGIONALIZACION DE PARAMETROS Regionalización hidrológica como herramienta de apoyo a la toma de decisiones Técnicas de regionalización hidrológica Métodos basados en la distancia Métodos basados en regresiones Investigación en regionalización hidrológica SELECCIÓN DEL MODELO HIDROLOGICO Experiencias de modelación con TETIS en el mundo, y en Colombia MATERIALES Y METODOS MATERIALES METODOS DESCRIPCION DE LA ZONA DE ESTUDIO Unidad hidrográfica Estación Montezuma (Código IDEAM: ) Unidad hidrográfica Estación San Vicente (Código IDEAM: ) Unidad hidrográfica Estación Puente La Bolívar (Código IDEAM: ) 54 6

7 Unidad hidrográfica Estación Puente Luisa (Código IDEAM: ) Unidad hidrográfica Estación Puente Carretera (Código IDEAM: ) Unidad hidrográfica Estación El Carmen (Código IDEAM: ) Unidad hidrográfica Estación Payande (Código IDEAM: ) CALCULO DE ÍNDICES DE SIMILARIDAD Características físicas de la cuenca Índices climáticos Indices de Caudal Streamflow Signatures ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS DEL MODELO HIDROLÓGICO Parámetros derivados del modelo de Elevación Digital Parámetros derivados del suelo Parámetros derivados de la Geología Parámetros derivados de las coberturas del suelo CALIBRACION Y VALIDACION DEL MODELO Periodos de Calibración y Validación Análisis de homogeneidad y consistencia de los datos de precipitación Análisis de correlación entre las estaciones de precipitación y de caudal Calibración y validación de los modelos CALCULO DE CORRELACIONES Y ANALISIS DE SIMILARIDAD RESULTADOS CALCULO DE INDICES DE SIMILARIDAD MODELACION HIDROLOGICA Calibración y validación en estación Montezuma Calibración en estación Montezuma Validación Temporal en estación Montezuma Calibración y validación en estación San Vicente Calibración en estación San Vicente Validación Temporal en estación San Vicente Calibración y validación en estación Puente La Bolívar Calibración en estación Puente La Bolívar 97 7

8 Validación en estación Puente La Bolívar Calibración y validación en la estación Puente Luisa Calibración en la estación Puente Luisa Validación en estación Puente Luisa Calibración y validación en estación Puente Carretera Calibración en estación Puente Carretera Validación temporal en estación Puente Carretera Calibración y validación en estación El Carmen Calibración en estación El Carmen Validación temporal en estación El Carmen Calibración y validación en estación Payande Calibración en estación Payande Validación temporal en estación Payande DISCUSION EN TORNO A LOS RESULTADOS DE CALIBRACION Y VALIDACION ANALISIS DE REGIONALIZACION DE LOS PARAMETROS CALIBRADOS EN CADA ESTACION Correlaciones entre índices de similaridad Depuración de índices correlacionados Análisis de relaciones de similaridad CONCLUSIONES 132 RECOMENDACIONES REFERENCIAS 137 8

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 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 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 9

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 , 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 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 en la unidad hidrográfica de la Estación San Vicente

11 Figura 20. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance hídrico para el periodo de validación 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 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 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 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 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 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 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 en la unidad hidrográfica de la Estación El Carmen

12 Figura 28. Hidrograma de salida, curvas de duración de caudales, y flujos de balance hídrico para el periodo de validación 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 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 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

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 en la hidrográfica de la Estación Montezuma. 91 Tabla 8. Índices de eficiencia para el periodo de validación en la unidad hidrográfica de la Estación Montezuma. 92 Tabla 9. Índices de eficiencia en el periodo de calibración , para la unidad hidrográfica de la Estación San Vicente. 96 Tabla 10. Índices de eficiencia para el periodo de validación en la unidad hidrográfica de la Estación San Vicente

14 Tabla 11. Índices de eficiencia para el periodo de calibración en la unidad hidrográfica de la Estación Puente La Bolívar. 100 Tabla 12. Índices de eficiencia para el periodo de validación en la unidad hidrográfica de la Estación Puente La Bolívar. 103 Tabla 13. Índices de eficiencia para el periodo de calibración en la unidad hidrográfica de la Estación Puente Luisa. 103 Tabla 14. Índices de eficiencia para el periodo de validación en la unidad hidrográfica de la Estación Puente Luisa. 105 Tabla 15. Índices de eficiencia para el periodo de calibración en la unidad hidrográfica de la Estación Puente Carretera. 107 Tabla 16. Índices de eficiencia para el periodo de validación en la unidad hidrográfica de la Puente Carretera. 109 Tabla 17. Índices de eficiencia para el periodo de calibración en la unidad hidrográfica de la Estación El Carmen. 111 Tabla 18. Índices de eficiencia para el periodo de validación en la unidad hidrográfica de la Puente Carretera. 113 Tabla 19. Índices de eficiencia para el periodo de calibración en la unidad hidrográfica de la Estación Payande. 115 Tabla 20. Índices de eficiencia para el periodo de validación en la unidad hidrográfica de la estación Payande

15 Tabla 21. Factores correctores en el periodo , para las 7 unidades hidrográficas en estudio. 121 Tabla 22. Índices de Nash - Sutcliffe para la regionalización de parámetros en el periodo , 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 , 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 , para los caudales con mayor probabilidad de excedencia al Q Medio

16 LISTA DE ANEXOS Anexo A. Abreviaciones empleadas para cada uno de.los indices evaluados en el proyecto 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 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 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 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 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 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

17 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 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