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APLICANDO EL MODELO SWAT EN LA CUENCA DEL RIO HUANCANE

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO ESCUELA DE POST GRADO MAESTRIA EN INGENIERIA DE RECURSOS HIDRICOS

HUISA H., GUIDO A.; CRUZ P., GABY S.; CALLATA V., PILAR G.; TTIMPO T., NORMA O. Calibración y Validación del Modelo SWAT en la Cuenca del Rio Huancané UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO

APLICANDO EL MODELO SWAT EN LA CUENCA DEL RIO HUANCANE

CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO SWAT EN LA CUENCA DEL RÍO HUANCANE CALIBRATION AND VALIDATION OF THE SWAT MODEL IN THE HUANCANE RIVER BASIN Huisa Guido A., Cruz Gaby S.; Callata Pilar G.; Ttimpo Norma O. Resumen En este trabajo se presentan los resultados obtenidos con la implementación de herramientas informáticas matemáticas en la modelación hidrológica con el modelo SWAT el cual nos permite pronosticar el impacto del manejo del suelo en la generación de sedimentos y la regulación del agua en cuencas hidrográficas. Por sus características, fue escogido para la determinación de caudales promedios mensuales en la cuenca del río Huancané, ubicada en el departamento de Puno, ocupa las superficies de las provincias de Huancané, Moho, San Antonio de Putina y Azángaro, cuya superficie total es de 3,530.8 km2. A partir de datos de precipitación, temperatura y atributos de suelos se utilizó el software SWAT, el cual tiene una gran aceptación internacional y es distribuido libremente. Los resultados obtenidos, mostraron una buena correlación, en cuanto a los volúmenes calculados por medio de la modelación y los observados en una estación hidrométrica; sin embargo, debe ser tenido en cuenta el carácter sintético de los hidrogramas mensuales obtenidos. Se espera que la metodología propuesta en este artículo permita estimar los caudales en fuentes que carecen de estaciones de medición y determinar la respuesta de esta cuenca, a la aplicación de una cobertura según el uso potencial del suelo, afectando lo menos posible la disponibilidad del agua, es el objetivo del presente estudio. Palabras Claves: Simulación Hidrológica, SWAT, Escorrentía Superficial, Calibración. Abstract This paper presents the results obtained with the implementation of mathematical computer tools in hydrological modeling with the SWAT model which allows us to predict the impact of soil management on sediment generation and water regulation in watersheds. Due to its characteristics, it was chosen for the determination of monthly average flows in the Huancané river basin, located in the department of Puno, occupies the surfaces of the provinces of Huancané, Moho, San Antonio de Putina and Azángaro, whose total surface is 3,530.8 km2. The SWAT software was used from rainfall, temperature and soil attributes data, which is widely accepted internationally and freely distributed. The results obtained showed a good correlation, in terms of the volumes calculated by means of modeling and those observed in a hydrometric station; however, the synthetic nature of the monthly hydrographs obtained must be considered. It is expected that the methodology proposed in this article allows to estimate the flows in sources that lack measurement stations and to determine the response of this basin, to the application of a coverage according to the potential use of the soil, affecting as little as possible the availability of water, is the objective of the present study. Key Words: Hydrologic Simulation, SWAT, Surface Runoff, Calibration.

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1. INTRODUCCION Para una apropiada planificación y desarrollo de los recursos hídricos de una cuenca, estado o región, se tiene que conocer la oferta o disponibilidad de éstos, tanto en cantidad y régimen, como en calidad. La disponibilidad de agua es, un dato básico para la planificación del abastecimiento a centros poblados y el desarrollo de áreas agrícolas bajo regadío, pero también para el manejo ambiental de un territorio. Cuando en una cuenca hidrográfica de interés no existen mediciones de la escorrentía producida, la opción más ampliamente utilizada en las últimas décadas ha sido la simulación hidrológica. SWAT (Arnold et al., 1998; Neitsch et al., 2002a y 2002b) es uno de los modelos paramétricos más utilizados en la actualidad, manteniéndose en continua revisión y expansión, tanto en su uso generalizado, como en la precisión y cantidad de procesos hidrológicos simulados. “El modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) es la continuación de cerca de 30 años de esfuerzos de simulación llevados a cabo por el Servicio de Investigación Agrícola (ARS) del Departamento Agrícola de Estados Unidos (USDA). SWAT ha ganado la aceptación internacional como herramienta robusta e interdisciplinaria para el modelaje de cuencas, como se evidencia en conferencias internacionales sobre SWAT”. 2. BREVE DESCRIPCION DEL MODELO SWAT Gassman et al. (2007) hacen una excelente y completa descripción del modelo, sin emplear formulación matemática alguna. SWAT es un modelo a escala de cuencas, operando de manera continua en el tiempo a intervalos diarios, diseñado para predecir en cuencas sin mediciones, el impacto que tienen las actividades de manejo en la producción de agua, sedimentos y químicos de la agricultura. 3. MATERIALES Y METODOS

El modelo se fundamenta en procesos físicos; es computacionalmente eficiente con capacidad para realizar simulaciones sobre largos períodos de tiempo. Entre los principales componentes se incluye clima, hidrología, propiedades y temperatura del suelo, crecimiento de las plantas, nutrientes, biocidas, bacterias patógenos y manejo de la tierra. En SWAT, una cuenca se divide en subcuencas y éstas, a su vez, se subdividen en unidades de respuesta hidrológica (HRUs), las cuales son unidades homogéneas en uso y manejo de la tierra y en las características del suelo. Las HRUs representan porcentajes del área de una subcuenca y no tienen identificación espacial dentro de una simulación SWAT. Alternativamente, una cuenca puede dividirse solamente en subcuencas caracterizadas por el tipo de suelo y por el uso y manejo de la tierra dominantes. SWAT requiere datos climáticos diarios de entrada, incluyendo precipitación, temperatura máxima y mínima del aire, radiación solar, humedad relativa y velocidad del viento, los cuales pueden ser registros medidos o generados por el mismo modelo; si se tiene que generar, se calcula de una tabla que contiene 13 variables climáticas mensuales introducidas por el usuario, estimadas a partir de mediciones de largo plazo de los registros climáticos. SWAT realiza un balance hidrológico general para cada HRU, en el cual la precipitación, más riego y deshielo, se divide en escorrentía superficial e infiltración, redistribución del agua en el perfil del suelo, evapotranspiración, flujo subsuperficial lateral proveniente del perfil del suelo y flujo de retorno desde los acuíferos superficiales. La recarga debajo del perfil del suelo se distribuye entre los acuíferos superficial y profundo. Desde el primero, además del flujo de retorno, también puede ocurrir evapotranspiración por plantas con raíces profundas; el agua que va al acuífero profundo, se asume que sale del sistema.

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3.1. Área de estudio La metodología propuesta tiene como objetivo generar los caudales promedios mensuales de una fuente de agua tomando como caso específico la cuenca del río Huancané en el departamento de Puno, por medio de la modelación continua a partir de información

climatológica (precipitación y temperatura) e información física (tipo de suelo, uso del suelo, características morfométricas y datos geográficos) del área de estudio. La Figura 1 muestra un esquema de la metodología seguida para el cumplimiento del objetivo planteado.

Figura 1. Ubicación de la cuenca del río Huancané.

3.2. Información de Uso de Suelo La información que el SWAT requiere sobre tipo y uso de suelo, se tomó del Servidor WaterBase (Monitoreado por la Universidad de las Naciones Unidas organizado por la UNU-INWEH) con el objetivo de avanzar en la práctica de la gestión integrada de los recursos hídricos (GIRH) en los países de desarrollo. Se presenta en la Figura No. 2. 3.3. Información Meteorológica

Se seleccionaron siete estaciones meteorológicas administradas por el SENAMHI, recabándose la información histórica para un periodo de 19 años a partir de los servidores de descarga que almacenan datos climatológicos como son Temp – Global Weater, Precipitación – Pisco 2.1(SENAMHI), a fin de alimentar la base de datos del generador de clima del SWAT. Las estaciones seleccionadas constan en la Tabla No. 1 y se muestra en la Figura 2.

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Tabla 1: Estaciones Seleccionadas CODIGO

ESTACION

UBICACIÓN

LATITUD

LONGITUD

ALTURA

114093

PUTINA

INTERIOR

14°55'15.50"

69°52'03.80"

3878

115037

HUANCANE

INTERIOR

15°12'05.40"

69°45'12.80"

3890

114042

MUÑANI

INTERIOR

14°46'01.00"

69°57'06.50"

3948

114097

ANANEA

EXTERIOR

14º40'42.40"

69°32'03.30"

4660

115119

COJATA

EXTERIOR

15°01'31.50"

69°21'49.30"

4380

114058

CRUCERO

EXTERIOR

14º21'51.10"

70°01'33.30"

4183

115038

HUARAYA - MOHO

EXTERIOR

15°23'17.80"

69°29'03.40"

3890

Figura 2. Localización de estaciones de medición. Mapas de uso actual de suelos, pendientes y suelos

Con los registros diarios de precipitación se genera un registro diario de caudales el que debe ser contrastado con los valores reales de caudal medidos en la estación de aforo, a fin de determinar las diferencias existentes entre los caudales reales y simulados, para proceder a calibrar el modelo y de esta manera poder simular un registro histórico. Los valores de precipitación diaria registrados en cada estación, utilizados en el modelamiento corresponden a un periodo de diecinueve años (1979 – 1998).

3.4. Caudales Observados Con la finalidad de calibrar y validar el modelo, se recopilaron los caudales medios diarios observados en la estación hidrométrica Puente Huancané, geográficamente se localiza en las coordenadas geográficas de 15º12'57.10" de latitud sur y 69º47'33.37" de longitud oeste, y a una altitud de 3,814 msnm, para el mismo período de los registros de precipitación diaria.

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4. RESULTADOS

basó en datos diarios, sin embargo, se optó por presentar los resultados mensuales, debido a la facilidad de manipulación de los datos.

El método permite la simulación del balance hídrico a escala de paso diaria, mensual y anual, en el presente estudio su calibración se Ajuste de parámetros

tomando como base el trabajo de Torres (2004), realizando corridas con variaciones no mayores de 10% en la mayoría de los parámetros, en la Tabla 2, se reportan los parámetros a los cuales el modelo se comportó sensible.

El ajuste de parámetros se realizó de acuerdo al manual del SWAT, el cual indica los parámetros de entrada que más afectan las salidas del modelo y su orden de importancia,

Parámetro

Significado

CN2 SOL_AWC

Curva numero de cada subcuenca Capacidad de agua disponible en el suelo

180

200

160

180

140

160

120

140

Observados

Caudal (m³/s)

Tabla 2: Parámetros sensibles que afectan a los valores de salida de SWAT

100 80 60

Grado de Sencibilidad Alto Alto

y = 1.2036x + 20.088 R² = 0.5877

120 100 80 60

40

40

20

20 1989

1988

1989

1987

1988

1987

1987

1986

1986

1985

observado

1985

1984

1984

1983

1984

1982

1983

1982

1982

0

0 0

20

40

60

80

100

120

140

Generados

generados

Figura 3: Caudales medios mensuales generados y simulados con el SWAT, para un periodo de diez años.

A una primera simulación, se puede observar que los datos se subestiman esto considerando que se ha disminuido el número curva en 10%, y se ha bajado la capacidad disponible de agua del suelo en 40%, obteniendo los resultados mostrados en la Figura 3, también podemos ver que no se llega a tener un buen ajuste en términos de coeficiente de correlación con un valor de 0.59.

Algunos autores consideran que los modelos hidrológicos están sujetos a errores, los cuales pueden ser aleatorios o sistemáticos, y que los análisis de la media, desviación estándar y coeficiente de correlación, no son suficientes para poder detectarlos (Aitken, 1973), en tal sentido en la Tabla 3, se muestran los principales estadísticos obtenidos en una primera iteración por calibración.

Tabla 3: Comparación de estadísticos de salida para caudales medios mensuales.

Cuenca

Area (km²)

Modelo

Cuenca Huancané

3,530.80

SWAT

En el análisis de la Figura 3, se puede determinar que después de la época de avenidas, los caudales tienden a sobre

Media Obs.

Gen.

Desv. Estand. Obs. Gen.

22.16

33.34

44.40

49.42

estimarse, por lo que podría ser influenciado por la precipitación, o recarga de aguas sub

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superficiales, que deben ser analizados detalladamente. Se considera que la distribución de las HRU, jerarquizadas por el modelo llegan a ser 161 unidades y 40 sub cuencas modelando la interacción de la cobertura y las unidades de suelo, son importantes ya que inciden en el parámetro sensible detectado que es el numero curva, afectando directamente en el escurrimiento superficial. 5. CONCLUSIONES Las primeras predicciones realizadas tanto a nivel de escala diaria y mensual, se han identificado dos parámetros sensibles que afectan directamente a la generación del escurrimiento superficial, mediante el modelo hidrológico SWAT. Para la aplicación del modelo hidrológico, se muestran buenos ajustes en épocas de estiaje, proporcionados por el producto PISCO en su versión 2.1, llegando a la conclusión que el producto tiene buenos ajustes de correlación y pueden ser de utilidad en su utilización en proyectos de aprovechamiento hídrico en épocas de estiaje. Una de las ventajas proporcionadas por el modelo SWAT, es su interacción con los sistemas de información geográfica, y con ello, el uso de mapas digitales y base de datos, lo cual hace más fácil el proceso de manipulación de información espacial, pudiendo realizar análisis posteriores del comportamiento de escurrimiento de las cuencas, y cambios escenarios para cambios de cobertura, para las posteriores tomas de decisiones, en manejo de cuencas. La calibración del modelo no representa un aporte científico, pero si una herramienta de trabajo para tomar en consideración, planes de trabajo integral, y optimización de la calibración del modelo hidrológico SWAT. 6. RECOMENDACIONES Debido a la importancia que en proyectos de desarrollo tiene la información meteorológica,

es necesario ampliar, la red y de ser posible automatizar la recolección y transmisión de la información. Se deben realizar estudios de tipo y uso de suelo a mayor detalle, con información referente a fin de definir varias alternativas de manejo integral de cuencas desde el punto de vista de su cobertura de tipo de suelo y sus usos, lo que podría ser de utilidad al momento de analizar los sedimentos, modulo que también incluye el modelo SWAT. 7. BIBLIOGRAFIA ARNOLD, J. G.; WILLIAMS, J. R.; NICKS, A. D. & N. B. SAMMONS. 1990. SWRRB – A basin scale simulation model for soil and water resources management. Texas A & M Univ. Press, College Station. BARRIOS, ALEX G.; URRIBARRI, LISBETH A. (2009). Aplicación del Modelo SWAT en los Andes Venezolanos: Cuenca Alta del Rio Chama GALO AGUILAR NARANJO, FERNANDO OÑATE VALDIVIESO (2003). Aplicación del Modelo SWAT para la Estimación de Caudales y Sedimentos en la la Cuenca Alta del Rio Catamayo. GASSMAN, P. W.; REYES, M. R.; GREEN, C. H. & J. G. ARNOLD (2007). The Soil and Water Assessment Tool: historical development, applications, and future research directions. Transactions of the ASABE. SENAMHI. Servidor Pisco 2.1 TORRES, E. FERNANDEZ D., OROPEZA J. Y MEJIA E.; Calibración del modelo hidrológico SWAT en la cuenca “El Tejocote”, Atlacomulco, Estado de México, 2004. WATERBASE, Servidor monitoreado por la Universidad de las Naciones Unidas, organizado por UNU-INWEH.