Calibración de un modelo conceptual distribuido del ciclo de sedimentos. Aplicación a la cuenca experimental de Goodwin Creek (EEUU).

Transcripción

1 Doctorado en Ingeniería del Agua y Medioambiental Calibración de un modelo conceptual distribuido del ciclo de sedimentos. Aplicación a la cuenca experimental de Goodwin Creek (EEUU). Gianbattista Bussi Director: Félix Francés Valencia, 27 de Mayo de 21

2 El problema Modelación del ciclo de sedimentos a escala de cuenca Importante para la descripción de la evolución del paisaje Muchos objetivos: Localización de zonas con pérdida de suelo Identificación de las fuentes de sedimentos Tasas de sedimentación de los embalses Queda mucho por investigar, sobre todo en cuencas naturales P. ej. En la estimación del transporte de sedimentos los errores suelen ser del mismo orden de magnitud que la variable misma Gianbattista Bussi 27/5/21 2

3 El trabajo 1 -La modelación del ciclo de sedimentos 2 -El modelo TETIS-SED 3 -El caso de estudio: Goodwin Creek 4 -Resultados 5 - Gianbattista Bussi 27/5/21 3

4 La modelación del ciclo de sedimentos Impacto de la gota de lluvia Límites de la cuenca Suelo Transporte por flujo laminar Erosión y transporte por flujo en surcos Cárcava Surco Surco Canal Zonas de ladera Direcciones de flujo Gianbattista Bussi 27/5/21 4

5 Los modelos Papers Año Gianbattista Bussi 27/5/21 5

6 Problemas en la modelación del ciclo de sedimentos Representación de los procesos: Complejidad: Modelos físicamente basados o empíricos? Escala temporal: Escala de evento o simulación continua? Validación: El modelo realmente reproduce la dinámica de la cuenca? Fuerte sensibilidad a los parámetros Falta de procedimientos claros de calibración y validación Gianbattista Bussi 27/5/21 7

7 El modelo TETIS-SED TETIS (submodelo hidrológico) Desarrollado en la UPV desde 1994 Conceptual y Distribuido Global: incluye el balance en todo momento Estructura separada del parámetro H u ( i) R1 Factor corrector 9 factores correctores Gianbattista Bussi 27/5/21 8

8 El modelo TETIS: submodelo hidrológico NEVADA LLUVIA T FUSIÓN DE NIEVE X H Nieves Y X1 PRECIPITACIÓN D1 EVAPOTRANSPIRACIÓN Y1 EXCEDENTE X2 T1 H1 HU INFILTRACIÓN D2 Almacenamiento Estático X3 PERCOLACIÓN D3 T2 H2 Almacenamiento Subsuperficial Y2 ESCORRENTÍA DIRECTA X4 PÉRDIDAS SUBTERRÁNEAS X5 D4 T3 H3 Almacenamiento Gravitacional T4 H4 Acuífero Y3 Y4 INTERFLUJO FLUJO BASE Y2 (ESCORRENTÍA DIRECTA) + Y3 (INTERFLUJO) T5 H5 Canal Gianbattista Bussi 27/5/21 9

9 El modelo TETIS: las áreas umbrales AU1 AU2 ÁREAS FUENTE LADERAS CELDAS CON CÁRCAVAS CELDAS CON CAUCES COMPONENTES DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL ÁREA DRENADA DE LA CELDA E. DIRECTA E. DIRECTA + INTERFLUJO E. DIRECTA + INTERFLUJO + FLUJO BASE Gianbattista Bussi 27/5/21 1

10 El modelo TETIS: las áreas umbrales LADERA H2 H3 H4 LADERA H2 H3 H4 LADERA H2 H3 H4 E. directa Interflujo Flujo base LADERA H2 H3 H4 CÁRCAVA H5 H4 CAUCE H5 Gianbattista Bussi 27/5/21 11

11 El modelo TETIS-SED: submodelo sedimentológico Integración de CASC2D-SED (Johnson et al., 2) en TETIS Balance entre: Capacidad de transporte Disponibilidad de sedimentos Capacidad de transporte, disponibilidad de sedimentos Capacidad de transporte Disponibilidad de sedimentos Transporte limitado por la disponibilidad de sedimentos Carga en suspensión Tamaño del grano Transporte limitado por la capacidad de trasporte del flujo Carga en el lecho Gianbattista Bussi 27/5/21 12

12 El modelo TETIS-SED: submodelo sedimentológico Sub-modelo sedimentológico - LADERA: Capacidad de transporte: Kilinc-Richardson modificada Material disponible q t ( tons / m* s) Suspendido Depositado Material parental = 2321 S 1.66 o Q W Carga en suspensión Carga de lecho 2.35 Erosión K.15 C P Suspendido Depositación Depositado Gianbattista Bussi 27/5/21 13

13 El modelo TETIS-SED: submodelo sedimentológico Sub-modelo sedimentológico CÁRCAVAS Y CAUCES: Capacidad de transporte: Engelund-Hansen Material disponible Cwi G =.5* * G 1 Suspendido Depositado V * Sf * ( G 1)* g * dsi Carga en suspensión Carga de lecho Erosión Rh* Sf ( G 1)* dsi Suspendido Depositación Depositado Gianbattista Bussi 27/5/21 14

14 El modelo TETIS-SED: los parámetros del modelo Estructura separada del parámetro θ i, j R iθi, j 3 Factores Correctores (FCs): q = KR * t q t Cw = EH * Cw i i 2 Cw i 1 Cw = EH * i Gianbattista Bussi 27/5/21 15

15 El modelo TETIS-SED: las condiciones iniciales Sedimentos disponibles al momento del comienzo de la crecida: afectan sensiblemente al volumen final de sed. transportados Ej: efecto gully cleanout Caudal sólido Qs2 Qs1 Ql Caudal líquido Gianbattista Bussi 27/5/21 16

16 El modelo TETIS-SED: las condiciones iniciales Atención!: en ríos de grandes dimensiones y poca pendiente este bucle refleja otro fenómeno Rama ascendente Curva de gasto (flujo permanente) Nivel V real < V calculada Curva de gasto real (flujo no permanente) Rama ascendente V real > V calculada Caudal Gianbattista Bussi 27/5/21 17

17 El modelo TETIS-SED: las condiciones iniciales Varios tipos de bucle de histéresis Qs Qs Qs Qs Ql Ql Ql Ql Qs Qs Qs Ql Ql Ql Gianbattista Bussi 27/5/21 18

18 Algoritmo de calibración automática Shuffled Complex Evolution (University of Arizona) Combinación de aproximaciones determinísticas y probabilísticas. Evolución de un complejo (cluster) de puntos en el espacio de los parámetros en la dirección del mejoramiento global. Evolución competitiva Barajado de los complejos. Muy eficiente y rápido Usado en todo el mundo Ya ha sido aplicado satisfactoriamente a TETIS (submod. hidrológico) numerosas veces Gianbattista Bussi 27/5/21 19

19 Introducción La modelación TETIS-SED Goodwin Creek Resultados La cuenca: Goodwin Creek Mississippi River Panola County Long River MISSISSIPPI Yazoo River Mississippi State _ pluviometros caudales Altura 129 m 67 m Cuenca experimental (USDA) Escorrentía directa predominante Afectada por cárcavas y badlands Gianbattista Bussi 27/5/21 2

20 Introducción La modelación TETIS-SED Goodwin Creek Resultados La cuenca: Goodwin Creek Datos hidrometeorológicos: 6 estaciones de aforo (líquido y sólido) alta resolución temporal 16 pluviómetros alta resolución temporal Serie temporal continua de caudales líquidos Caudales sólidos disponibles en 3 eventos: 1981, 1982, 1983 Parámetros iniciales: Gianbattista Bussi 27/5/21 21

21 Resultados: Calibración hidrológica 45 4 Observado Simulado 35 Q (m3/s) Q (m3/s) Tiempo (horas) 12 Evento 1981, est. Q Q (m3/s) Tiempo (horas) Evento 1982, est. Q Evento 1983, est. Q1 Tiempo (horas) Gianbattista Bussi 27/5/21 23

22 Calibración del modulo de sedimentos Calibración de KR y EH1 en Q7 (cabecera) Condiciones iniciales = NSE= Q solido (m3/s).8.6 Q sólido (m3/s) Tiempo (horas) Q líquido (m3/s) Caudal solido observado Caudal solido total simulado Caudal Observado Caudal Simulado Gianbattista Bussi 27/5/21 24

23 Calibración del modulo de sedimentos Estimación condiciones iniciales: RECIRCULACIÓN Gianbattista Bussi 27/5/21 25

24 Calibración del modulo de sedimentos NSE= Q solido (m3/s).8.6 sólido (m3/s) Q Tiempo (horas) Q líquido (m3/s) Caudal solido observado Caudal solido total simulado Caudal Observado Caudal Simulado Calibración de KR y EH 1 en la estación Q7, evento 1981 Gianbattista Bussi 27/5/21 27

25 Calibración del modulo de sedimentos NSE= Q solido (m3/s).4.3 Q sólido (m3/s) Calibración de EH 2 en la estación Q1, evento Tiempo (horas) Q líquido (m3/s) Caudal solido observado Caudal solido total simulado Caudal Observado Caudal Simulado.1 Calibración de EH 2 en la estación Q1, evento 1981 Gianbattista Bussi 27/5/21 28

26 Análisis de sensibilidad: factores correctores En Q7 6% 5% 1.1 EV % VOL = FC+ 5% VOL VOL FC 5% FC 5% EV, EQ (%) 4% 3% 2% 1% RMSE EQ% = RMSE = Q max, FC + 5% N Q Q max, FC 5% max, FC 5% ( QFC 5% QFC+ ) 5% i= 1 N 2 En Q1 EV, EQ (%) % 6% 5% 4% 3% 2% KR parámetros EV EQ RMSE EH RMSE 1% % KR EH1 EH2 parámetros EV EQ RMSE.1 Gianbattista Bussi 27/5/21 3

27 Análisis de sensibilidad: condiciones iniciales (cárcavas) Q1 Evento 1981 VARIACIÓN: de m3/m a 15 m3/m Qs (m3/s) Qs (m3/s) Tiempo (horas) OBS Ql (m3/s) Observado Q7 Evento 1981 VARIACIÓN: de m3/m a 15 m3/m Qs (m3/s) Qs (m3/s) Tiempo (horas) Ql (m3/s) OBS Observado Gianbattista Bussi 27/5/21 31

28 Análisis de sensibilidad: condiciones iniciales (cauces) Q1 Evento 1981 VARIACIÓN: de m3/m a 15 m3/m ) Qs (m3/s) ) Qs (m3/s) Tiempo (horas) Ql (m3/s) OBS Observado Gianbattista Bussi 27/5/21 32

29 Análisis de sensibilidad: condiciones iniciales (textura) Q1 Evento 1981 Variación de la textura en Cárcavas Qs (m3/s) Tiempo (horas) 2 ARCILLA 2 LIMO 2 ARENA OBS.7 Qs (m3/s) Ql (m3/s) Observado 2 ARENA 2 LIMO 2 ARCILLA Q1 Evento 1981 Variación de la textura en Cauces Qs (m3/s) Qs (m3/s) Tiempo (horas) 1 ARCILLA 1 LIMO 1 ARENA OBS Ql (m3/s) Observado 2 ARENA 2 LIMO 2 ARCILLA Gianbattista Bussi 27/5/21 33

30 Validación Problema: las condiciones iniciales de sedimentos disponibles afectan sensiblemente el volumen total movilizado Necesidad de estimar dichas condiciones iniciales 2 métodos: Recirculación Calibración manual Gianbattista Bussi 27/5/21 34

31 Validación Volumen total simulado de sedimentos (m 3 ) Evento 1982 CI recirculación CI calibración Volumen total simulado de sedimentos (m 3 ) Evento 1983 CI recirculación CI calibración Volumen total observado de sedimentos (m 3 ) Volumen total observado de sedimentos (m 3 ) Gianbattista Bussi 27/5/21 35

32 Simulación continua cincominutal Herramienta para la estimación de la condiciones iniciales Simulación del periodo precedente al evento (p. ej. 1 año) Análogo a estimación de las condiciones de humedad en la simulación hidrológica Reproducción realística de los procesos que llevan a una determinada situación de sed. depositados en la cuenca Gianbattista Bussi 27/5/21 37

33 Simulación continua cincominutal Reproducción del efecto de depositación de material en las cárcavas (causa del ciclo de histeresis) Ej: erosión depositación neta después del evento de 1982 CÁRCAVAS LADERAS CAUCES Gianbattista Bussi 27/5/21 38

34 Simulación continua cincominutal EV 1982 Gianbattista Bussi 27/5/21 39

35 Simulación continua cincominutal EV 1983 Gianbattista Bussi 27/5/21 4

36 Simulación continua cincominutal 1 1 Volumen total simulado de sedimentos (m 3 ) 1 1 Evento 1982 CI recirculación CI calibración CI simulación continua Volumen total simulado de sedimentos (m 3 ) 1 1 Evento 1983 CI recirculación CI calibración CI simulación continua Volumen total observado de sedimentos (m 3 ) Volumen total observado de sedimentos (m 3 ) Gianbattista Bussi 27/5/21 41

37 Simulación continua diaria Objetivos: Análisis del funcionamiento de TETIS-SED en la simulación de horizontes temporales del orden de algunos años Análisis del efecto de la escala temporal sobre los factores correctores Metodología: No se dispone de series temporales continuas de caudal sólido Se ha simulado con Dt=5 min el periodo y se ha tomado la serie obtenida y agregada a Dt=1 día como valor observado Gianbattista Bussi 27/5/21 42

38 Simulación continua diaria.6 FC Valor KR.12 EH EH2.225 Caudal sólido (m3/s) Tiempo (horas) Q sed simulado Qsed observado Periodo de calibración, Q1 Estación NSE Error Volumen.6 Q % Q % Q % Q % Q % Q % Caudal sólido (m3/s) Tiempo (horas) Q sed simulado Qsed observado Periodo de calibración, Q7 Gianbattista Bussi 27/5/21 43

39 Comparación de TETIS-SED con otros modelos 1 Volumen total simulado de sedime entos (m3) 1 1 Ogden & Heilig, 21 Rojas, 22 TETIS-SED (Montoya, 28) TETIS-SED (this work) Volumen total observado de sedimentos (m3) Gianbattista Bussi 27/5/21 44

40 Aportes del trabajo TETIS-SED es un modelo a baja complejidad pero con base física Se propone un procedimiento de calibración preciso, flexible y rápido Se proporciona un método sencillo para comprobar que el modelo reproduzca la dinámica interna de la cuenca Se define la sensibilidad del modelo a FCs y a las condiciones iniciales Se proponen tres metodologías para estimar la cantidad de sedimentos disponibles a la erosión Se comprueba la utilidad de TETIS-SED también a la escala histórica Gianbattista Bussi 27/5/21 46

41 Líneas de investigación futuras Validación de TETIS-SED en otras cuencas Calibración de TETIS-SED con volúmenes de sedimentos acumulados en obras trasversales a los ríos (presas, azudes, etc.) Mejora del modelo y análisis de sus prestaciones a la escala histórica Incorporación de fuentes puntuales de sedimentos al modelo (deslizamientos, inestabilidad de los taludes, etc.) Gianbattista Bussi 27/5/21 47

42 Producción científica En el marco del presente trabajo se han producido dos ponencias en congresos JIA, Madrid, Octubre 29 Presentación oral EGU General Assembly, Viena (Austria), Mayo 21 Poster y dos artículos para revistas científicas, actualmente en fase de redacción: Ingeniería del Agua (solicitado) Revista internacional a definir Gianbattista Bussi 27/5/21 48

43 Gracias por la atención Gianbattista Bussi 27/5/21 49