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CURSO “MODELIZACIÓN MATEMÁTICA APLICADA A LA HIDROLOGÍA: MODELO SWAT”

MÓDULO III

Índice

Contenido 1. 

INTRODUCCIÓN 

2. 

INSTALACIÓN DEL MODELO SWAT EN QGIS (QSWAT)  

3. 

METODOLOGÍA  3.1. 

RECOPILACIÓN Y PREPARACIÓN DE DATOS E INFORMACIÓN 

3.1.1. 

REPROYECTAR UNA CAPA 

3.1.2. 

MODIFICACIÓN DE SHAPEFILES 

3.1.3. 

PREPARAR LA CAPA DE USOS DEL SUELO 

3.1.4. 

PREPARAR LA CAPA DE TIPOS DE SUELO 

3.1.5. 

DATOS CLIMÁTICOS Y PARÁMETROS HÍDROLÓGICOS 

3.1.6. 

CONTAMINANTES 

3.2. 

DELINEACIÓN DE LA CUENCA 

3.3. 

CREACIÓN DE LAS UNIDADES HIDROLÓGICAS DE RESPUESTA (HRU’s)  

3.4. 

DEFINICIÓN Y EDICIÓN DE LOS DATOS DE ENTRADA 

3.4.1. 

Datos climáticos 

3.4.2. 

Tablas de entrada 

3.4.3. 

Edición de los datos de entrada 

3.5. 

SIMULACIÓN CON QSWAT 

3.6. 

CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO 

3.7. 

ANÁLISIS Y EXPLOTACIÓN DE LOS RESULTADOS 

Bibliografía   

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1. INTRODUCCIÓN  

SWAT (Soil Water Assesment Tool o Herramienta para la Evaluación del Suelo y Agua) ha sido desarrollado por Dr. Jeff Arnold y por la Universidad de Texas A&M (TAMU) para el USDA (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos), para su Servicio Agrícola de Investigación. Es un modelo matemático de simulación que permite la representación de cuencas y sistemas reales de forma aproximada y simplificada, permitiendo conocer la dinámica hídrica de estas. Además de modelizar de forma integral escenarios actuales, predice impactos sobre el entorno de cuencas grandes y complejas (con distintos tipos de suelo y uso de los mismos, y bajo diferentes condiciones de manejo), derivados de actividades de manejo del suelo en la generación de agua sedimentos y sustancias químicas propias de la actividad agrícola, cambios en su uso, actividades de reforestación, establecimiento de población, obras hidráulicas, etc. Con ello es una herramienta óptima para realizar una planificación de actividades vinculada a estos aspectos. SWAT es un modelo continuo de tiempo, lo que quiere decir que no es capaz de simular un solo acontecimiento de flujo detallado y de corto plazo, sino que está diseñado para sucesos a largo plazo, por ejemplo, para la programación de las prácticas agrícolas en un año. Cabe destacar que no funciona de forma independiente como un programa individual, sino que es necesario utilizarlo con otro software, específicamente un Sistema de Información Geográfica, semejante a un complemento o una extensión de este. En este caso, como se ha visto anteriormente, será QGIS el programa hospedador de SWAT. SWAT ha sido desarrollado en una combinación de lenguajes: una parte con .NET de Microsoft y la otra en lenguaje Fortran (Photran, gfortran, MakeFile, Eclipse, MinGW y otros). Algunas ventajas de este programa son:     

 

Es sencillo delimitar las cuencas en el espacio de estudio con los modelos digitales de elevación (disponibles de forma pública y en alta calidad). Los límites de la cuenca están en relación directa y natural con los procesos y características del ecosistema. Las subcuencas están relacionadas jerárquica y sistemáticamente, lo que facilita trabajar de forma intuitiva a diferentes escalas. El concepto de cuenca es un concepto popular entendible por la mayoría de las personas. La ventaja de operación del modelo SWAT radica en su interacción con los Sistemas de Información Geográfica y, con ello, el uso de mapas digitales y bases de datos, lo cual hace más fácil el despliegue y análisis de los datos de salida para las posteriores tomas de decisiones, así como la preparación de un modelo a partir de datos ya recogidos.

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2. INSTALACIÓN DEL MODELO SWAT EN QGIS (QSWAT)  

En el Modulo II quedan resumidos los requisitos técnicos para la instalación correcta de QSWAT y el proceso de instalación de QGIS. Antes de llevar a cabo la instalación de SWAT es necesario haber comprobado el cumplimiento de los requisitos y haber instalado QGIS. 1. Una vez se ha instalado QGIS correctamente se instalarán, el programa SWAT y su Editor. El orden de instalación carece de importancia. En este caso se comezará por instalar el editor. De nuevo se accede a la página oficial de SWAT siguiendo el siguiente enlace: http://swat.tamu.edu/software/qswat/ 2. Después se descargará la versión 2012.12.19 del SWAT Editor haciendo click en el enlace que se proporciona en la página, señalado en la Figura 1.  

Figura 1: Página oficial de SWAT. Instalación. 

 

 

3. Cuando se haya completado la descarga será necesario descomprimir el archivo. Posteriormente se comenzará la instalación ejecutando “setup.exe”. Se usará la carpeta de destino por defecto: C:\SWAT\SWATEditor. 4. Con esto el editor está instalado. Por último se instalará la versión 1.4 de SWAT. Para ello es necesario hacer click en el recuadro verde de la Figura 1, que contiene el rótulo “DOWNLOAD QSWAT 1.4”. De esta manera QSWAT queda instalado.  

 

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3. METODOLOGÍA  

Antes de comenzar a describir cada paso a seguir para realizar una simulación en SWAT se introducirá la metodología de forma general. La Figura 2 es un esquema en el que se presentan dichos pasos, comenzando por la recopilación de información, una parte de gran importancia en la modelización.

Figura 2: Desarrollo metodológico de la modelización en QSWAT (Uribe, 2010)  

 

 

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QSWAT funciona basándose en la resolución de un balance hídrico para determinar la entrada, salida y almacenamiento de agua en la cuenca. Necesita información de diversos aspectos del entorno físico, ya que está basado en principios físicos. Fuente especificada no válida. Por ello, antes de comenzar con la calibración y la simulación es necesario hacer un análisis exploratorio y búsqueda de los datos que requiere SWAT. Es conveniente crear una carpeta del proyecto que incluirá los datos para SWAT (SWAT hace una parte del trabajo y contiene Figura 3: Ciclo hidrológico del agua en el que se basa el  bases de datos disponibles, pero cada balance hídrico en SWAT.  usuario debe hacer otra parte) para mantener toda la información ordenada y clasificada. Más adelante se explicará que parte de la preparación de la información corresponde al usuario. Este paso salva mucho tiempo, ya que ayuda a encontrar la información cuando es necesitada. A partir de este momento, en el que se dispone de todos los datos de partida, interviene el programa QSWAT en la utilización de esa información y la resolución de la simulación. La simulación con QGIS sigue una serie de pasos de forma ordenada. Cada paso debe completarse de forma correcta antes de pasar al siguiente ya que éste depende de los resultados del anterior. Estos pasos son: 1. Definición y división de las cuencas, y de los elementos que permiten dividirlas en subcuencas. Para ello es bueno manejar los DEM y los SIG con claridad.  El dato base de origen es un DEM.  Es necesario tener cartografía e imágenes satélite HD de apoyo y tener definidos los ríos. En el caso del ejercicio que se realizará en el Módulo IV se utilizará un shapefile de líneas para definir la red de ríos.  

Figura 4: Delineación de la cuenca y subcuencas en SWAT. 

 

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2. Crear las Unidades Hidrológicas de Referencia (HRU´s). En este momento es necesario definir:  Usos del suelo.  Características o tipos de suelos.  Datos de pendiente. Estos se generarán a partir del DEM y los datos de usos y tipos de suelo. El formato de los datos es muy específico, por lo que esta fase puede llevar mucho tiempo. SWAT cuenta con varias opciones para ingresarlos. Al finalizar, SWAT permite manejar varios parámetros y valores de área y/o porcentaje para definir las HRUs. 3. Introducir los datos climáticos. 4. Se activará en este momento un módulo para poder interactuar con las tablas creadas en el paso anterior, y con sus datos. Este módulo tiene interfaces gráficas que permiten manejar algunos de los componentes, lo que permite un manejo muy rápido y versátil de estos diferentes tipos de datos. 5. Simulación con SWAT. Correr la simulación de SWAT de todo el modelaje. En este paso se produce un proceso interactivo entre SWAT y el usuario, en el que se realizan estudios de escenarios. Cada vez que se corre el modelo los resultados quedan almacenados para poder hacer comparaciones. 6. Calibración del programa y validación de los resultados: para lo que es necesario el programa SWAT-CUP. La calibración puede apoyarse con Excel, graficando los datos cada vez que se hace una simulación. Una forma más fácil y potente es programar ecuaciones de las estadísticas de rendimiento (NSE, MSE, Percent Bias…) en lenguaje estadístico R.

3.1.

RECOPILACIÓN Y PREPARACIÓN DE DATOS E INFORMACIÓN

SWAT usa modelos semiempíricos que requieren de datos específicos acerca del clima, propiedades físicas del suelo, topografía, vegetación y prácticas de manejo, que ocurren en la cuenca. Requiere información a introducir como datos de entrada. Esta información es la resumida en los siguientes puntos:

 



Topografía: definida mediante un archivo DEM (Modelo Digital de Elevaciones), aunque SWAT reconoce también SRTM o Aster.



Red de ríos: en el ejercicio del módulo IV se definirá con un shapefile de líneas.



Entrada y salida de agua en la cuenca a través de la red de ríos: Puede localizarse manualmente o con un archivo vectorial.



Propiedades del suelo: textura, profundidad, conductividad hidráulica. Provienen de bases de datos que SWAT contiene, aunque depende del tipo de suelo que hay en cada zona, por lo que es necesario aportar al programa un mapa

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de tipos de suelo. Es necesario ligar este mapa a una tabla que permita asociar cada tipo de suelo del mismo con el código que reconoce la base de datos de SWAT. 

Usos del suelo: vegetación, cultivos y sectores urbanos. Funciona de la misma forma que los tipos del suelo. Se aporta un mapa al que se asociará una tabla con los códigos que reconoce la base de datos de SWAT.



Manejo del suelo: uso de fertilizantes, tipo de labranza, número de animales de ganado. Definido por los usos del suelo.



Clima y datos meteorológicos: precipitación, temperatura del aire, velocidad del viento, humedad relativa y radiación solar, en forma de datos numéricos.



Localización y naturaleza de elementos puntuales como pozos o embalses.



Calidad del agua y fuentes de contaminación puntuales.



Otros factores, como lo procesos físicos asociados con el movimiento del agua o los sedimentos, ciclos de los nutrientes, etcétera, son modelados directamente por SWAT.

Esta información de entrada es agrupada en distintas categorías: 1. Drenaje de las subcuencas, red de ríos y canal principal: determinan, junto a la topografía, cuál es la cuenca en estudio y cómo esta está dividida en subcuencas. El canal principal es el tramo de la red de ríos central al que llegan todos los afluentes y que define la entrada y salida de agua (por ejemplo desde el nacimiento del río en la montaña hasta su desembocadura en el mar) a la red de ríos y, por tanto, los límites de la cuenca. 2. Unidades de respuesta hidrológica (HRU): que son creadas por el programa después de delimitar la cuenca en estudio, y que requiere información sobre el uso y tipo de suelos. 3. Clima: datos meteorológicos. 4. Estanques/humedales, agua subterránea, y otros elementos puntuales. Toda esta información está disponible en distintas fuentes. En muchos estudios es conveniente recoger estos datos de forma experimental en lugar de depender de fuentes que ya los ofrecen, ya que, de esta manera, se asegura la veracidad y exactitud de los mismos, así como su adecuación al tiempo, ya que son recogidos dentro de un intervalo temporal cercano al momento en que se realiza la simulación. En cualquier caso, recurrir a los datos recogidos en bibliografía siempre es útil para comparar con los datos recogidos en campo y detectar errores. En este curso, dado que el objetivo es aprender a  

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utilizar el programa SWAT, los datos serán todos bibliográficos. Una vez recopilados estos datos es necesario prepararlos previamente a su utilización en el programa SWAT. Las herramientas utilizadas para realizar las modificaciones más comunes han sido vistas en el ejercicio 2, por lo que en esta ocasión no serán explicadas en profundidad. Si los datos recogidos son actuales y estos y las capas que los representan en Sistemas de Información Geográfica coinciden con el estado actual del sistema en estudio se evitarán muchas correcciones y actuaciones de preprocesamiento. En la mayoría de los casos sí es necesario hacer algunas de estas correcciones. 3.1.1. REPROYECTAR UNA CAPA  

La herramienta más usada para la preparación de capas ráster y vectoriales es la reproyección de su Sistema de Coordenadas. La mayor parte de las capas proceden de fuentes distintas, y, por lo tanto, sus Sistemas de Proyección difieren. Para evitar errores originados por esto es necesario reproyectar las capas a un mismo Sistema como se ha visto en el ejercicio 2 y como se verá en el ejercicio 3. De esta manera, todas ellas serán visualizadas adecuadamente en un mismo espacio y podrán converger en los algoritmos que SWAT pone en funcionamiento al simular. En el módulo IV será necesario reproyectar el Modelo Digital de Elevaciones y las capas de usos y tipos del suelo.   3.1.2. MODIFICACIÓN DE SHAPEFILES  

Cuando transcurre un periodo de tiempo desde que se elabora una capa vectorial (como por ejemplo, la que vimos en el ejercicio 2 llamada “geología.shp”) hasta que se utiliza en una modelización, se corre el riesgo de que ésta haya quedado desactualizada y que el estado actual del entorno no sea el representado por esta capa. Si se da el caso será necesario modificar la capa que se va a usar para modelar en base a otras capas, mapas o imágenes de satélite. Este proceso no se desarrolla siempre de la misma forma, depende de la capa que queremos actualizar y la información que debe contener. Tres ejemplos muy comunes son: redes de ríos, mapas geológicos o de tipos de suelo, y mapas de uso del suelo. A continuación se describe brevemente cuál es la manera más sencilla de actualizar cada una de estas capas. A. Red de ríos: una red de ríos viene representada como un shapefile de líneas, por lo que el objetivo será modificar los tramos de líneas que no sigan el curso actual de los ríos. Lo más directo es tomar como referencia una imagen satélite de buena calidad y actual de la zona en la que está la red, e ir editando el dibujo de las líneas para que se ajusten a los tramos visibles de los ríos. Es lo que se hizo de manera introductoria en el ejercicio 2. Es común que algunos de los tramos no sean visibles en la imagen satélite. En este caso es mejor no editarlos o eliminarlos, ya que hay muchos ríos de cauce pequeño que transcurren en el subsuelo. De la misma forma se procede con elementos como lagos y embalses.

 

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Figura 5: Red de ríos en QSWAT. 

 

 

B. Mapas geológicos o mapas de tipos de suelo: en este caso suelen estar disponibles en capas vectoriales que pueden ser modificadas y, si fuese necesario, transformadas en archivos ráster. Si solo hay disponibilidad de archivos ráster éstos pueden transformarse en vectoriales en QGIS para su edición y posteriormente volver a ser transformados en shapefiles. Lo más sencillo en este caso es modificar el archivo vectorial que define la geología y los tipos del suelo en base a mapas geológicos. Es conveniente asegurar que el mapa es más reciente que la capa que se va a modificar. Estos mapas son fácilmente extraídos de las páginas web y de descargas de las Instituciones Geológicas de cada Estado, y están georreferenciados, por lo que pueden ser proyectados en los Sistemas de Información Geográfica sin mayor complicación. En el caso de España el Instituto Geológico y Minero de España (IGME): http://www.igme.es/  

 

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Figura 6: Mapa geológico de España (Cartografía del IGME). 

 

 

C. Mapas de usos del suelo: de la misma forma que los mapas geológicos, es necesario editar estas capas en formato vectorial en lugar de formato ráster. En este caso se tiene la opción, al igual que al modificar redes de ríos, de editar estas capas en base imágenes satélite. En función de los elementos que se visualicen en cada zona (agua, vegetación, cultivo, asfalto…) se puede ajustar la capa de usos del suelo al escenario actual.

Figura 7: Mapa de usos del suelo CORINE Land Use ( (Al Shamas, 2017). 

 

 

 

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3.1.3. PREPARAR LA CAPA DE USOS DEL SUELO  

Algunos de los datos que requiere SWAT para llevar a cabo la modelización requieren un tratamiento especial. Es el caso de los usos y tipos del suelo. Los siguientes apartados explican brevemente el procesado que sufren estos antes de ser incluidos en la simulación, y cómo son introducidos en el programa. El programa SWAT recomienda establecer los usos del suelo a partir de la página de descargas de Waterbase (mencionada en el Módulo II), y en los ejercicios III y IV se seguirá esta recomendación. La página waterbase permite descargar las capas de usos y tipos de suelo en formato ráster tiff, que es el formato requerido por SWAT por lo que no será necesario convertirlas a otros formatos. Al importar estas capas en QGIS se observa que cada píxel posee un número en su tabla de atributos que hace referencia al uso del suelo en ese píxel. Este código no está ajustado a la base de datos que contiene SWAT, que en lugar de números reconoce abreviaturas de letra (AGRL para agricultura, por ejemplo), por lo que es necesario asociar esta capa a las tablas que contiene la base de datos con el código de abreviaturas que entiende SWAT. Es decir, esta asociación permite al programa reconocer que en ese píxel con ese código numérico se produce un determinado uso del suelo. El proceso es relativamente sencillo y se verá con detalle en el ejercicio III. En resumen, para introducir información sobre los usos del suelo en la cuenca en estudio son necesarias tres cosas: la base de datos de SWAT, capa ráster tiff que distribuye las áreas con distintos usos en el suelo, y una tabla que relaciones ambas cosas. A. La base de datos de SWAT es propia del programa y no es necesario que el usuario intervenga de ninguna forma. B. La capa ráster tiff de áreas de usos del suelo es descargable desde el apartado Download de la página de Waterbase: http://www.waterbase.org. Se puede ver su apariencia en QGIS en la Figura 8. En el ejercicio III se verá como descargar tanto la capa de usos como la de tipos de suelos de esta fuente.

 

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Figura 8: Capa de usos del suelo de Europa (de la página Waterbase) visualizada en QGIS. 

 

Esta capa debe ser reproyectada al sistema de coordenadas en el que están el resto de capas introducidas en SWAT, y recortada al área que ocupa la zona de estudio (es conveniente dejar margen) para no incluir datos de más en el programa, ya que ralentiza el procesamiento matemático. C. La tabla, para las capas de Waterbase, está incluida por defecto en SWAT, por lo que sólo es necesario seleccionarla llegado el momento (se verá en el ejercicio III). Utilizar los datos proporcionados por Waterbase tiene la ventaja de llevar menos tiempo de preparación de las capas y otros datos de entrada, aunque también tiene el inconveniente de ser menos detallados y exactos, ya que estas capas recogen la información de usos del suelo en todo el mundo en un ámbito más general. Por esto en muchos casos es conveniente realizarlo de otras formas, aunque el proceso se complique. Para los estudios realizados dentro del territorio Español es de utilidad recurrir a los mapas proporcionados por el Centro Nacional de Información Geográfica en su Centro de Descargas (http://centrodedescargas.cnig.es/CentroDescargas/index.jsp). En esta fuente encontramos las capas CORINE Land Cover, con información muy detallada y actualizada. Estas capas están disponibles en formato shapefile y con un código numérico que SWAT no reconoce, por ello su preprocesamiento es más largo y complejo. Estas capas deben ser reproyectadas, cortadas y rasterizadas. Y además es necesario editar su tabla de atributos previamente al rasterizado para añadir el código numérico que SWAT sí reconoce. El rasterizado de una capa se hace según los campos de su tabla de atributos, pudiendo elegir el campo con los datos que queremos que conserve el ráster que resultará de la utilización de esta herramienta, en este caso el campo creado con el código numérico de SWAT. Además es necesario crear una tabla en formato .csv en Excel que relacione este código

 

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del ráster con el código de siglas que SWAT le asocia en su base de datos. También existe la opción de elaborar una base de datos según los requerimientos de SWAT (recogidos en la tabla Acces “ExampleDataset” dentro de la misma carpeta, y a su vez, en la carpeta “ExampleDataset”), y sustituir la que éste ya implementa por defecto por la elaborada nuevamente. Es un proceso complejo que requiere un trabajo exhaustivo de búsqueda de información y conocimientos avanzados sobre ordenación de territorio y el lenguaje y códigos de SWAT.   3.1.4. PREPARAR LA CAPA DE TIPOS DE SUELO  

El escenario más conveniente es que la cuenca esté situada dentro de los Estados Unidos. Se seleccionará una de la siguientes opciones como base de datos a utilizar en SWAT (dependiendo del origen de la capa de tipos del suelo y su relación con ellas): STATSGO, STATSGO2 o SSURGO. Estos son mapas de suelos que responden a la base de datos SSURGO descargable del siguiente link: http://swat.tamu.edu/media/63316/SWAT_US_SSURGO_Soils.zip Al descomprimir el archivo se obtiene una tabla de Acces que debe ser instalada en la carpeta “Databases” del editor de SWAT (SWAT Editor), localizada en C:\SWAT\SWATEditor\Databases. Por otra parte, para cualquier otra parte del mundo, es posible hacer una nueva tabla que suponga una base de datos de suelos (como indica la tabla Acces “ExampleDataset” dentro de la misma carpeta, y a su vez, en la carpeta “ExampleDataset”), y sustituir con ella la tabla “usersoils” en la base de datos “QSWATRef2012” que tiene por defecto SWAT. Esta base de datos requiere una información específica de las propiedades de suelo, que mayoritariamente se obtienen en estudios de campo y análisis en laboratorio. Al tener una disponibilidad reducida de datos, se recurre a programas como Soil Water Characteristic (SWC), donde varias propiedades se pueden obtener basados en % de arena y % de arcilla. Cabe destacar que este programa solo se utilizó para obtener el valor de conductividad hidráulica. Por ello, elaborar una nueva base de datos es, como se dijo anteriormente, un proceso exhaustivo y complejo. La cuenca en estudio en los ejercicios 3 y 4 está situada en A Coruña, España, por lo que el proceso es diferente dada la incompatibilidad con la base de datos SSURGO, sólo aplicable al área geográfica de los Estados Unidos. Un tercer procedimiento es similar al que se lleva a cabo con la capa de usos del suelo. Siguiendo de nuevo las recomendaciones del equipo de SWAT se establecen los tipos del suelo a partir de la página de descargas de Waterbase, como se verá en el ejercicio III. Como ocurre con la de usos del suelo, al importar la capa de tipos de suelos en QGIS se comprueba que cada píxel posee un número en su tabla de atributos que hace referencia al uso del suelo en ese píxel. Del mismo modo, este código no está ajustado a la base de datos que contiene SWAT (con las abreviaturas como código para reconocer los distintos tipos de suelos), y se debe asociar igualmente a las tablas que contiene la

 

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base de datos. Este proceso se verá con detalle también en el ejercicio III. Los tres factores para definir los tipos del suelo en la zona de estudio son: la base de datos de SWAT, capa ráster tiff que distribuye las áreas con distintos tipos en el suelo, y la tabla que relaciona ambas cosas. No se entrará en más detalle en el desarrollo de esto, ya que queda convenientemente descrito en el punto 1.3.3. con la capa de usos del suelo. La apariencia de la capa descargada del Waterbase y proyectada en QGIS es la que presenta la Figura 9.  

Figura 9: Capa de tipos del suelo de Europa (de la página Waterbase) visualizada en QGIS. 

 

  3.1.5. DATOS CLIMÁTICOS Y PARÁMETROS HÍDROLÓGICOS  

El clima determina las entradas y salidas de agua en el sistema por fenómenos climáticos, por lo que controlan el equilibrio en el mismo junto a la red de ríos y cualquier otro elemento hidrológico en el sistema (como lagos, pozos o embalses). Los datos climáticos que SWAT necesita son: -

Precipitación diaria (mínimo y obligatorio) Temperatura aérea máxima y mínima (mínimo y obligatorio) Radiación solar Velocidad del viento Humedad relativa

El modelo genera un conjunto de datos para cada subcuenca. Los valores para cualquiera de ellas son generados de forma independiente y no hay correlación espacial de los valores entre las distintas subcuencas.

 

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TEMPERATURA DEL SUELO La temperatura del suelo diaria promedio (que afecta al movimiento de agua y la tasa de decrecimiento de los contaminantes y residuos), por otra parte, se calcula en la superficie y en el centro de cada capa de suelo. La temperatura en superficie depende de la cobertura de nieve, de planta y de residuo, la temperatura en la superficie descubierta de suelo y la temperatura en el día anterior. La de cada capa de suelo depende de la temperatura en superficie, la media anual de la temperatura aérea y la profundidad del suelo en el cual se da variación de temperatura (profundidad húmeda), que a su vez depende de la densidad bruta y el contenido en agua. HIDROLOGÍA GENERAL Y LA INTERVENCIÓN DE PARÁMETROS CLIMÁTICOS SWAT tiene en cuenta que parte del agua puede ser interceptada por las plantas (almacenamiento de dosel), que parte del agua que cae será transformada en escorrentía y parte se infiltra en el suelo. Además tiene en cuenta la parte del agua que es evapotranspirada (desde plantas, superficie y suelo). El agua que fluye como escorrentía contribuye rápidamente a la corriente superficial, mientras que el agua infiltrada avanza lentamente. Calcula también la erosión del suelo y la formación de sedimentos para cada HRU utilizando la cantidad de pérdidas de agua. En el modelo se produce la redistribución de agua por infiltración a capas más bajas cuando la de arriba está saturada y la de abajo no lo está. Cabe destacar que si la temperatura de la capa es 0ºC o menor, no habrá redistribución de agua. La evapotranspiración es un término referido a todos los procesos en los que agua en fase líquida o sólida se convierte en vapor atmosférico. Esto incluye los procesos de evaporación de agua desde ríos y lagos, suelo descubierto, la sublimación desde superficie de hielo y nieve, y la transpiración de las plantas. La evaporación del agua en el suelo es calculada en SWAT mediante funciones exponenciales de profundidad del suelo y contenido de agua. La transpiración de la vegetación se simula en función de la evapotranspiración potencial y el índice de área de la hoja.

Figura 10: Evapotranspiración en el Ciclo Hidrológico 

 

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El programa, además, tiene en cuenta pérdidas por transmisión. Esto son pérdidas de flujo de superficie por lixiviación desde el cauce de los ríos. Ocurre en corrientes intermitentes o efímeras (la contribución de agua sucede solo en determinados momentos del año, o para n algún momento y deja de haber contribución). Estas pérdidas se calcula en función del ancho del canal y la duración de longitud y flujo. CANAL PRINCIPAL Y DISTRIBUCIÓN DEL AGUA POR LA RED DE RÍOS Cuando SWAT calcula las cargas de agua, sedimentos, nutrientes y pesticidas al canal principal, estas son dirigidas por la red de corrientes de la cuenca en una determinada estructura de orden. Además, mientras esto está computándose, SWAT modeliza las transformaciones que pueden sufrir las sustancias químicas o contaminantes en esta corriente. El procesamiento del canal principal tiene tres componentes: el flujo de agua, en el que se tienen en cuenta pérdidas por evaporación, filtración, uso humano, y recarga por precipitación; transporte de sedimento, que tiene en cuenta la deposición de los mismos y su degradación; y las transformaciones de los nutrientes y pesticidas, que tiene en cuenta si están disueltos y son transportados con el agua o si están absorbidos en los sedimentos y son depositados con ellos. La simulación hidrológica está compuesta por dos fases: 



 

Fase Terrestre del Ciclo Hidrológico: controla la cantidad de agua, sedimentos, nutrientes y pesticidas descargados en el canal principal de cada subcuenca. Fase de Enrutamiento del Ciclo Hidrológico: define el movimiento de todo ello a través de la red de canales hasta el vertedero.

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Figura 11: Ciclo del agua y procesos que sufre en el programas SWAT 

FASE TERRESTRE El modelo SWAT está conformado por un conjunto de modelos, los cuales se emplean para simular distintos procesos hidrológicos. El modelo hidrológico está controlado por la ecuación de equilibrio del agua:



 

Ecuación 1: Ecuación de equilibrio del agua 

Donde:        

 

SWt es el contenido final del agua en el suelo (mm) SW0 es el contenido inicial de agua en el suelo en un día (mm) t es tiempo (días) Rday es la cantidad de precipitación en un día (mm) Qsurf es la cantidad de escorrentía de la superficie en un día (mm) Ea es la cantidad de evaporación en un día (mm) Wseep es la cantidad de agua que percola en un día (mm) Qgw es la cantidad de flujo de retorno en un día (mm)

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FASE DE ENRUTAMIENTO La fase de enrutamiento se divide en la que ocurre en el canal principal y en los demás canales. En ella se tiene en cuenta las pérdidas y aportes de agua cuando esta fluye río abajo, la deposición y degradación de los sedimentos, y las transformaciones de los nutrientes y pesticidas. Lo mismo se aplica a los depósitos y reservas de agua y sedimentos, en ellos también hay aportes y pérdidas que son calculados.

Figura 12: Transporte de contaminantes a través de la red de ríos 

 

  3.1.6. CONTAMINANTES  

SWAT es capaz de simular la presencia de nutrientes (fósforo y nitrógeno), a través de sus ciclos característicos. Pueden ser introducidos por los canales y transportados río abajo y por escorrentía, o por flujo subterráneo lateral (contribución de agua que se origina debajo de la superficie pero encima de la zona saturada de agua). La cantidad de nutrientes utilizada por las plantas es estimada utilizando el enfoque de oferta y demanda (sección de crecimiento de la planta). Además de esto, los nutrientes pueden ser eliminados del suelo a través del flujo masivo de agua. Las cantidades de nitrato en la escorrentía y filtraciones son estimadas como un producto del volumen de agua y la concentración de nitrato en la capa. El N orgánico es calculado con una función de carga que se basa en la concentración en la primera capa del suelo, en la cantidad de sedimento y en la proporción de enriquecimiento (concentración de N en el sedimento por peso del suelo). El fósforo no es móvil, por lo que la interacción con la escorrentía en superficie en los primeros 10 mm de suelo no es total. La cantidad de fósforo soluble que se transporta por escorrentía es calculada con la concentración en los primeros 10 mm de suelo y el volumen de escorrentías. Respecto a los pesticidas, SWAT simula su movimiento en la cuenca en la red de

 

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corrientes por escorrentía (disuelto o presente en los sedimentos transportados) y hacia el medio subterráneo por infiltración. Este movimiento es afectado por la solubilidad, degradación y tiempo de vida medio, y el coeficiente de absorción de carbón orgánico en el suelo.  

Figura 13: Procesos que sufren los pesticidas después de su aplicación en los cultivos 

 

 

3.2.

DELINEACIÓN DE LA CUENCA

 

La forma de abordar un estudio hidrológico de una región debe ser a través de una cuenca, debido a que esta última constituye la unidad física completa donde la entrada es la precipitación y las salidas son el escurrimiento y el sedimento, incluyendo en el proceso la influencia de vegetación, suelo y topografía. El problema de trabajar a escala de cuencas lo representa la manipulación de grandes volúmenes de información, su análisis y la posterior toma de decisiones. Se puede dividir una cuenca en varias subcuencas, lo que es muy útil en los casos en los que distintas áreas en una misma cuenca se ven afectadas por usos distintos, o cuando las propiedades del suelo son distintas. SWAT hace esta división a partir de la topografía y la red de ríos de la zona de estudio.  

TOPOGRAFÍA Como se ha dicho anteriormente, la topografía se introduce en el programa mediante un Modelo Digital de Elevaciones. Son archivos ráster con la información topográfica de la zona, que no necesitan ser preprocesados para su introducción en SWAT, ya que están disponibles en los formatos que requiere el programa (.asc). A pesar de esto, en la mayoría de los casos sí habrá que modificar su sistema de coordenadas como se explicó en el ejercicio 2.

 

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Figura 14: Modelo Digital de Elevaciones y capa de topografía creada por SWAT a partir de él. 

 

 

RED DE DÍOS Anteriormente se indicó que la red de ríos es definida por un archivo vectorial de líneas de extensión .shp. En estos archivos cada línea representa un tramo de río, la longitud completa de un río o la de un riachuelo o arroyo. Muchas veces, además de reproyectar la capa, es necesario modificar el camino que siguen estas líneas ya que las capas quedan desactualizadas. La modificación de los tramos de los ríos queda descrita en el apartado 3.1.2. de este módulo. Ésta la manera más sencilla de representar la red de ríos ya que estas capas están disponibles para cualquier parte del mundo en distintas plataformas y fuentes (estas fuentes son recogidas en el apartado 5 del Módulo II). SALIDA DE AGUA DE LA RED La localización de la entrada y salida de agua de una red de ríos determina la extensión de la cuenca en estudio. Si no se introducen puntos de entrada SWAT tomará como inicio de la misma el inicio de cada tramo de río en la red. Si la red es muy grande y tampoco se define un punto de salida SWAT tomará como cuenca toda la red de ríos, lo que dificulta el procesamiento. Es importante identificar estos dos puntos para ajustar la cuenca creada por SWAT a la zona que quiere estudiarse. En la Figura 15 se señala un punto de salida definido manualmente en QSWAT.

Figura 15: Definición en SWAT de un punto de salida de agua en una red de ríos. 

 

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Éstos son introducidos al programa manualmente, como se verá en el ejercicio 3. Generalmente la salida de agua de una red de ríos será la desembocadura del río principal o canal central, y la entrada será el nacimiento de éste. De todas formas, en muchos casos (así como en el ejercicio 3), si la red de ríos no es demasiado extensa o se ajusta a la zona en estudio, solo habrá que localizar uno de los dos puntos. Una vez el modelo conoce la topografía y la red de ríos de la zona a estudiar, además del nacimiento y la desembocadura del río principal o canal central de la red, es capaz de delimitar la cuenca y subcuencas que conforman (Figura 16).  

Figura 16: Cuencas y subcuencas delineadas en SWAT. 

 

 

3.3.

CREACIÓN DE LAS UNIDADES HIDROLÓGICAS DE RESPUESTA (HRU’s)

 

En el modelo SWAT, las subcuencas son divididas en unidades de respuesta hidrológica (HRUs, por sus siglas en inglés) que son unidades de la subcuenca homogéneas en términos de su respuesta hidrológica y características geo-climáticas, según (Cabrera). Las unidades de respuesta hidrológica no son lo mismo que una subcuenca: un HRU está conformada usualmente por áreas dispersas que mantienen propiedades comunes de especial importancia hidrológica, como son pendiente (que determina la velocidad de la escorrentía superficial), elevación (pues el volumen de precipitación varía con la altura), tipo de suelo, cubierta vegetal, usos de suelo, etc., mientras que en la delimitación de subcuencas se tiene en cuenta la red hidrográfica de ríos y la topografía. No todas las propiedades mencionadas se utilizan en la definición de HRUs: depende del criterio del modelador definir cuáles son las “propiedades dominantes” que se utilizarán en la definición. Para definir un grupo de HRUs es recomendable elegir una categoría para subdividir el área total de la cuenca, y posteriormente se eligen otras categorías para obtener mayor  

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detalle sucesivamente. Estas categorías deben elegirse tomando en cuenta su importancia en el proceso de formación de la escorrentía superficial dentro de la cuenca. En el caso de SWAT las categorías en las que basa el programa la definición de HRU´s son: tipo de suelo, cobertura vegetal o usos del suelo y pendiente. En otras palabras, cada polígono de HRU tiene un mismo suelo, uso del suelo y pendiente. Así cada HRU resulta de la intersección espacial de estos tres factores. Fuente especificada no válida. La pendiente es calculada por SWAT a partir de la topografía, información introducida al delinear la cuenca y subcuencas. Por otro lado, las capas de usos y tipos de suelo necesitan un procesado particular para que SWAT pueda computarlas, como se ha explicado en el apartado 3.1. Cuando el programa dispone de toda esta información debidamente preparada para poder identificarla y procesarla, será capaz de definir las HRU´s de la cuenca en estudio (Figura 17).  

Figura 17: HRU´s en  la cuenca Latterbach (Suiza). (Cabrera) 

 

   

3.4.

DEFINICIÓN Y EDICIÓN DE LOS DATOS DE ENTRADA

 

Hasta ahora se ha creado el proyecto, delineado la cuenca y definido las HRU´s. De ahora en adelante, en la modelización con SWAT, se añaden datos numéricos para completar la información requerida por SWAT y se editan los archivos de entrada para ejecutar la simulación y ver los resultados. En este apartado se hará una introducción a la definición y edición de los datos de entrada que sigue a la definición de las HRU´s.

 

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  3.4.1. Datos climáticos  

En este momento se debe conectar el proyecto con las bases de datos de SWAT, ya que el programa recurrirá a estas para completar los datos faltantes. Entre ellos se encuentra la información meteorológica, que exige como mínimo los datos de precipitación y temperatura máxima y mínima diarias. SWAT asignará a cada subcuenca los datos de la estación meteorológica más próxima a ella, por lo que no hace interpolaciones entre varias estaciones. Si disponemos de la información de más de una estación, SWAT sólo utilizará el período de tiempo común entre ellas, por lo que a veces conviene eliminar alguna estación que tenga pocos datos o extrapolar datos completos de otras a los datos incompletos de esta. Por otro lado, SWAT cuenta con un generador de datos climáticos (“Weather Generator”) que simula aquellos que no son suministrados. En su base de datos puede contener datos de una estación o varias de ese territorio, utilizando, como antes, la más cercana a cada subcuenca. Este generador se encuentra dentro del Editor de SWAT (SWAT Editor) bajo el nombre de “WGEN_user” en la base de datos de referencia: “QSWATRef2012”. En cualquier caso el usuario puede fabricar una nueva tabla, respetando los requisitos del programa, y añadirla a la base de datos bajo cualquier nombre que comience por “WGEN”. Para cada variable (temperatura, precipitación…) hay que proporcionar al Editor de SWAT una tabla con la lista de estaciones disponibles, y cada estación debe tener asociado un archivo con los datos reales. Este proceso se verá en el ejercicio 4.   3.4.2. Tablas de entrada  

A continuación se debe indicar a SWAT cuáles serán las tablas en las que el programa encontrará todos los datos para ejecutar la simulación. Todos ellos han sido cargados o importados a la base de datos de SWAT o al proyecto en pasos anteriores, por lo que en este momento sólo será necesario “escribir” dichas tablas que los contengan. Dicho en otras palabras, estas tablas reúnen los datos numéricos a los que recurre SWAT cuando se ejecuta la simulación. Este proceso en SWAT es llamado “Write Input Tables”. De nuevo, esto se verá en el ejercicio 4.   3.4.3. Edición de los datos de entrada  

Por último, antes de ejecutar la simulación, se hará una previa edición de los datos de entrada, en función de los requerimientos del estudio. Es útil cuando se quiere comprobar qué consecuencias sobre la cuenca y su funcionamiento traen ciertos cambios en diversos aspectos del entorno, como, por ejemplo, los cambios en los usos del suelo, algo que se da con cierta frecuencia y que altera en gran medida el régimen hídrico, ya que varía mucho el consumo y el aporte de agua. Es útil también en la calibración del programa, como se explicará posteriormente, ya que permite ver el

 

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efecto de cambios de ciertos parámetros en el sistema simulado de una forma rápida y sencilla. El procedimiento incluye tanto la edición de los valores requeridos, como indicar en qué HRUs se producen los cambios. Es importante tener en cuenta que al editar los datos de entrada, se cambian los valores de la base de datos de referencia de SWAT (en “Databases”), por eso es conveniente generar una copia de estas para no afectar a otros proyectos.  

3.5.

SIMULACIÓN CON QSWAT

 

Una vez se finaliza el proceso de la introducción y edición de datos se procede a ejecutar SWAT, que pondrá en marcha los algoritmos matemáticos necesarios para resolver el sistema y desarrollar la modelización. Se escoge un intervalo de tiempo determinado que debe ser consecuente con la cantidad y actualidad de los datos introducidos (algo a tener en cuenta desde el principio de todo el proceso de modelización con cualquier programa), y SWAT elaborará resultados para todo ese período. Generalmente suelen hacerse modelizaciones de períodos de más de un año, ya que, como se dijo en la introducción (apartado 1 del presente módulo), SWAT es un modelo continuo de tiempo, lo que quiere decir que está diseñado para sucesos a largo plazo. De 2 a 3 años es el periodo de simulación más adecuado, en función de los datos climáticos introducidos. Una vez se ejecuta el modelo aparecerá una ventana como la mostrada en la Figura 18.

Figura 18: Ventana emergente. Ejecutando SWAT. (Winchell, y otros, 2013) 

 

 

Si la simulación ha sido exitosa en esta ventana aparecerá un mensaje que indicará que SWAT ha sido ejecutado con éxito. En el caso contrario el mensaje pedirá al usuario que haga click en “Intro” para salir. Para recibir un informe de errores será necesario cerrar esta ventana y ejecutar de nuevo SWAT con la versión debug (de depuración de errores) de SWAT.exe seleccionada (señalado en rojo en la Figura 19).

 

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Figura 19: Ventana de ejecución de la simulación de SWAT. (Winchell, y otros, 2013) 

 

Aparecerá entonces en la ventana de la Figura 18 un mensaje que informa sobre los errores que no han dejado que la simulación se realice con éxito, o con indicaciones que permiten al usuario identificar los errores. Una vez ejecutado el programa la primera vez, puede hacerse una primera observación de los resultados enfocada a la calibración y validación del programa que se explicará en el siguiente apartado. La lectura y presentación de los resultados se explicará en el último apartado, 3.7.  

3.6.

CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO

 

Al calibrar un modelo hidrológico se valida el funcionamiento del mismo, ya que los informes obtenidos tras ejecutar el programa sirven a la identificación de errores que hayan podido afectar a la resolución de este y a la localización de resultados anómalos e inesperados. En este momento, si se detecta alguna de estas anomalías, es posible variar los parámetros y datos de entrada de SWAT para detectar cuál de ellos está afectando negativamente la resolución matemática. Por otra parte, la calibración ayuda también a identificar parámetros a los que el modelo es más sensible, en función de la variación de los resultados cuando son cambiados. Esto se realiza de forma manual en QSWAT, al ejecutar el Asistente de calibración de SWAT. Cada parámetro puede ser cambiado en el ámbito de las HRUs. Después de estos cambios es necesario ejecutar SWAT de nuevo para la obtención de los nuevos resultados. Comparando lo que sucede en unos casos u otros es posible determinar qué aspectos influyen más en el desarrollo del sistema hidrológico de la cuenca. Algunos de los parámetros de entrada a los que el modelo es más sensible, y los parámetros de salida que más afectados se ven por ellos, según (Uribe, 2010), son presentados en la Tabla 1.

 

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Tabla 1: Parámetros a los que el modelo es más sensible. (Uribe, 2010) 

 

 

En la calibración y validación del modelo, es frecuente comparar datos observados con los resultados que proporciona el programa. Para ello se utilizan estadísticos que sirven para determinar el grado de semejanza entre la serie observada y la simulada. Éstos son: 





Coeficiente de determinación (R2): que mide el grado de correlación entre los datos observados y simulados. Un R2 de 1 es una correlación perfecta e indica un modelo preciso. Estadístico de correlación Nash-Sutcliffe efficiency (NSE): es un estadístico normalizado, que determina la magnitud relativa de la varianza residual (ruido) de los datos simulados, comparado con la varianza de los datos observados. Cuanto más cercano a 1, el modelo es más preciso. Porcentaje bias (PBIAS), que mide la tendencia media de los datos simulados para ser mayor o menor que sus contrapartes observados. El valor óptimo de PBIAS es 0.

Atendiendo a los valores obtenidos al calcular estos estadísticos se determina si el modelo ha resuelto y predicho el comportamiento del sistema con suficiente exactitud y semejanza con la realidad, es decir, en este momento se habrá realizado la validación del modelo.  

3.7.

ANÁLISIS Y EXPLOTACIÓN DE LOS RESULTADOS

 

Los resultados se presentan en una serie de archivos con distinta extensión que reciben el nombre de “output”. Dos de los archivos más comunes son “output.rch” y “output.std”. 

 

El archivo de extensión “.rch” es una tabla en formato Acces, lo que facilita su lectura y la localización de datos determinados. Presenta los resultados obtenidos a lo largo del tiempo en los diferentes periodos o intervalos contemplados en la simulación.

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

El archivo de extensión “.std”, por otra parte, es un documento de texto (que se abrirá en el editor de texto instalado en el equipo) que presenta los datos y resultados en tablas por cada periodo de tiempo simulado (Figura 20). Este archivo contiene un resumen de los resultados incluidas estadísticas a nivel de cuenca útiles para determinar de forma rápida si el modelo está produciendo resultados válidos.

 

Figura 20: Archivo de resultados. Output.std. (Uribe, 2010) 

 

 

Además de esto, una posibilidad interesante que ofrece el modelo SWAT en cuanto a los resultados, es hacer un análisis de la distribución espacial de estos, generando distintos tipos de representaciones de ellos que permiten visualizar la distribución espacial de la dinámica hidrológica y la interrelación entre las diferentes variables. Los resultados pueden ser visualizados en tres tipos de representaciones: imágenes estáticas (Static data), animaciones (Animation) y gráficos (Plot). 

 

En las imágenes estáticas se representa un solo factor o parámetro por cada subcuenca o HRU en un mapa como el de la Figura 21.

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Figura 21: Imagen estática generada en SWAT (Dile Y., 2017). 

 

 



En las animaciones se representa igualmente un solo factor o parámetro por cada subcuenca o HRU en cada intervalo de tiempo simulado. La animación está compuesta de imágenes estáticas, una por cada intervalo de tiempo, que se suceden con el transcurso del mismo.



En los gráficos se representan distintos formatos de gráficas de variables seleccionadas.

 

Figura 22: Gráfico que compara los caudales de un río tras variar el parámetro de usos de suelo al  calibrar SWAT (Al Shamas, 2017).

Por otra parte, los datos representados pueden ser:

 



Totales: cuando representa el total de los valores de un parámetro por cada subcuenca o HRU.



Medias diarias: representa las medias diarias del mismo en cada subcuenca o HRU.

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

Medias mensuales: representa las medias mensuales.



Medias anuales: representa las medias anuales.



Máximo: el valor máximo del parámetro en cas subcuenca o HRU.



Mínimo: representa el valor mínimo de un parámetro en cada subcuenca o HRU

Dependiendo de los resultados que se quieren mostrar y las observaciones que se desean mostrar, se escogerá un tipo u otro de representación de datos. Una vez se visualizan los resultados se aplican estas representaciones a estudios para amenizar y reflejar el contenido del mismo, y acompañar las explicaciones y conclusiones que se desarrollan a lo largo de él. Son muy útiles también para apoyar ciertas tomas de decisiones y presentar problemáticas de carácter ambiental o social. En el módulo 4 se verán algunas de las aplicaciones del modelo SWAT. Para concluir, en el ejercicio 3, siguiente en este curso de modelización con el software SWAT, y el ejercicio 4, último del mismo, se verá todo el proceso metodológico de uso y puesta en marcha de SWAT, así como la visualización de resultados y las indicaciones que estos nos dan sobre el funcionamiento del sistema en estudio.  

 

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Bibliografía Al Shamas, K. 2017. ESTUDIO DEL BALANCE HIDRÁULICO DE LA CUENCA DEL RÍO GORGOS  MEDIANTE LA HERRAMIENTA SWAT. 2017.  Behrends Kraemer F., Chagas C.I., Vázquez Amábile G., Palacín E.A., Santanatoglia O.J.,  Castiglioni M.G. y Massobrio M.J. 2011. Aplicación del modelo hidrológico SWAT en una  microcuenca agrícola de la Pampa ondulada. 1, 2011, Vol. 29. ISSN 1850 2067.  Cabrera, J. Unidad de Respuesta Hidrológica (H.R.U.).   Dile Y., Srinivasan R., George C. 2017. QGIS interface for SWAT. 2017.  Hurtado Pidal J.R., Yánez Borja D.B. 2015. Aplicación del Modelo Hidrológico SWAT (Soil and  Water Assessment Tool) para el análisis del caudal de escorrentía superficial en la cuenca  hidrográfica del río Las Juntas. 2015.  Torres‐Benites E., Fernández‐Reynoso D.S., Oropeza‐Mota J.L. y Mejía‐Saenz E. 2004.  Calibration of the Hydrologic Model SWAT in the Watershed "El Tejocote ", Atlacomulco, State  of Mexico. 2004.  Uribe, N. 2010. SWAT. Conceptos básicos y guía rápida para el usuario. Versión SWAT 2005.  2010.  Winchell, M., y otros. 2013. ArcSWAT Interface for SWAT 2012 ‐ User's Guide. [En línea] Marzo  de 2013. http://swat.tamu.edu/media/1294/swatuserman.pdf.   

 

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