Acoplamiento de modelos hidrológicos semidistribuidos y sistemas de información geográfica

Abstract

[Resumen]

El desarrollo de modelos hidrológicos integrados es necesario para implementar la Directiva Europea Marco del Agua. Este desarrollo ha estado históricamente limitado por el estado del conocimiento y la disponibilidad de datos. En los últimos 15 años ha aumentado la capacidad de los ordenadores y la disponibilidad de información espacialmente distribuida. Paralelamente, ha crecido el interés por los modelos hidrológicos distribuidos.

El principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido el desarrollo del código hidrológico semidistribuido GIS-BALAN que permite evaluar los recursos hídricos tanto de aguas de superficie como subterráneas. Se ha partido para ello del código agregado VISUAL BALAN v2, que también ha sido mejorado y contrastado durante el desarrollo de esta tesis.

GIS-BALAN se ha acoplado al Sistema de Información Geográfica ArcGIS, lo que facilita la introducción de datos y el postproceso de resultados. El código calcula el balance hidrológico en el suelo edáfico, en la zona no saturada y en el acuífero evaluando secuencialmente las componentes. Permite discretizar las subcuencas en zonas más pequeñas en las que se pueden considerar parámetros constantes y meteorología uniforme. Se ha incorporado el cálculo del tránsito de la escorrentía superficial y se han implementado métodos adicionales a los que ya ofrecía VISUAL-BALAN para calcular el balance en la zona no saturada y en el acuífero. Para la codificación se ha seguido la filosofía de la programación orientada a objetos, obteniéndose un código claro, flexible y escalable.

Las extensiones al código de VISUAL-BALAN implementadas en GIS-BALAN son las siguientes:

1) Cálculo del tránsito de la escorrentía superficial en cauces y lagos. Permite considerar además derivaciones de caudal. El tránsito en cauces se calcula mediante el método de Muskingum-Cunge y la laminación en lagos mediante balances diarios. Los resultados se pueden comparar con aforos en cualquier punto de la red hidrográfica con el fin de calibrar el modelo 2) Cálculo del flujo no saturado vertical mediante la resolución numérica de la ecuación de Richards 3) Cálculo del flujo subterráneo mediante modelos pluricelulares englobados 4) Mejora en la representación del acuífero. GIS-BALAN permite calcular niveles piezométricos en ambas márgenes del cauce principal y considerar bombeos El programa GIS-BALAN consta de tres módulos: (1) El preprocesador, que facilita la introducción de datos en el entorno del GIS; (2) El procesador, que calcula el balance y el tránsito superficial; y (3) El postprocesador, que permite visualizar los resultados en el entorno del GIS. El preprocesador es una interfaz de entrada mediante la cual el usuario puede introducir el Modelo Digital del Terreno (MDT), mapas del suelo y subsuelo y series meteorológicas. A partir de estos datos y en un proceso interactivo, el preprocesador genera toda la información que requiere el procesador para el cálculo del balance y el tránsito de la escorrentía superficial. Una vez efectuado el cálculo, el postprocesador permite visualizar los resultados en el entorno del GIS mediante tablas y gráficos.

El carácter interactivo del programa facilita en gran medida el proceso de entrada de datos ya que permite seguir un orden lógico y proporciona más transparencia y ayuda al usuario mediante una serie de menús. La base de datos de la ayuda proporciona la información básica para construir el modelo y generar fácilmente los archivos de entrada. Además, el programa incluye una base de datos flexible para asignar valores iniciales a los parámetros a partir de información básica del terreno (pendiente, tipos y usos del suelo y geología).

GIS-BALAN se ha aplicado a un conjunto de cuencas de diferentes características. La primera aplicación es el aluvial de Andújar (Jaén), donde se localiza la antigua Fábrica de Uranio de Andújar (FUA). El acuífero ha sido estudiado y modelizado desde el año 1988. Para ello se han utilizado todas las versiones del código BALAN, desde BALAN v8 hasta la más reciente, GIS-BALAN. Las últimas actualizaciones del modelo de balance se han hecho con VISUAL-BALAN y GIS-BALAN. Se han contrastado los resultados obtenidos con versiones anteriores del código y se ha extendido el periodo de cálculo hasta la actualidad. Se presentan los resultados actualizados del balance hídrico, que ha sido recalibrado para que sus resultados fuesen más consistentes con las observaciones de campo. Se muestra cómo el modelo de balance utilizado puede no ser capaz de estimar adecuadamente la recarga en episodios excepcionalmente lluviosos. Se presenta además la comparación de niveles piezométricos calculados con BALAN (mediante modelos simplificados) y con un modelo de flujo detallado (CORE). El contraste en cinco puntos del acuífero sugiere que el modelo de flujo simplificado puede ser suficiente para calcular los niveles piezométricos en las zonas de regadío.

La segunda aplicación es la cuenca piloto del río Valiñas, situada en la Provincia de A Coruña, a pocos kilómetros de la capital. Se trata de una pequeña cuenca granítica de la que se posee una buena cantidad de información hidrogeológica. Se ha utilizado desde hace más de una década con fines docentes y como banco de prueba de las sucesivas mejoras de BALAN, VISUAL-BALAN y GIS-BALAN. Se presentan los resultados de la actualización del balance con los datos hidrometeorológicos hasta 2006 y el análisis de sensibilidad del balance respecto al espesor del suelo, uno de los parámetros más influyentes. Se presenta además la corrección realizada en el cálculo de la percolación y la recalibración de la conductividad hidráulica vertical de la zona no saturada.

La tercera aplicación es la cuenca del alto Gállego, una cuenca de montaña de aproximadamente 1350 km2 situada en la provincia de Huesca. Posee unas características geográficas, meteorológicas, litológicas y geológicas muy variables en el espacio, que hacen muy interesante su modelización. Destaca entre sus características más notables su elevada altitud y por consiguiente la importancia de los gradientes verticales y la hidrología nival. Esta complejidad se ha abordado mediante la modelización semidistribuida, dividiendo la cuenca en zonas homogéneas. El balance se ha calibrado con datos diarios de caudales medidos en el cierre de la cuenca en la estación de aforos de Anzáñigo. El ajuste obtenido es bastante bueno. Esta aplicación es un ejemplo muy ilustrativo de las capacidades de GIS-BALAN y muestra paso a paso cómo utilizar el código para construir un modelo complejo.

El cuarto caso es la cuenca de montaña del río Bernesga, en la zona de los túneles del TAV de Pajares (Asturias-Castilla-León), a través de los que discurrirán las vías del AVE. El modelo de balance hidrometeorológico ha servido para cuantificar las componentes del ciclo hidrológico, tanto las de superficie como las profundas. El modelo realizado supone que las propiedades de la cuenca son uniformes. Es decir, se ha optado por un modelo hidrológico agregado. Se han usado valores medios de precipitación y temperatura diarias en el conjunto de la cuenca. Es de destacar la importancia de la hidrología nival en la zona. El almacenamiento de la nieve durante una buena parte del año y la posterior fusión han ofrecido algunas dificultades para calibrar el balance. Sin embargo, el ajuste obtenido entre las aportaciones calculadas y las observadas es bastante bueno, a excepción de un año en el que los datos presentan ciertas anomalías.

La última aplicación que se presenta es la cuenca del río Zêzere, en la Serra da Estrela (Portugal Central). Se trata de una pequeña cuenca de montaña con recursos hídricos de alta calidad y valor económico, incluyendo aguas superficiales y subterráneas (normales y termominerales). El balance hídrico se ha calculado con los códigos VISUAL BALAN v2 y GIS-BALAN, para contrastar y verificar el código más reciente, GIS-BALAN. La modelización se ha efectuado de manera semidistribuida, considerando un conjunto de subcuencas delimitadas a partir de las unidades hidrogeomorfológicas. Los datos diarios de precipitación y temperatura de una estación meteorológica se han extrapolado para cada subcuenca considerando los gradientes verticales de estas variables. El balance hídrico se ha calibrado mediante el contraste entre las aportaciones calculadas y observadas en el cierre de la cuenca. El modelo reproduce adecuadamente las aportaciones medidas y sus resultados son coherentes con las conclusiones de estudios previos en cuencas similares. Se ha realizado un análisis de sensibilidad para evaluar las incertidumbres en los parámetros del modelo y en la recarga al acuífero. Los resultados muestran que las mayores incertidumbres están en la capacidad de infiltración en el terreno y el coeficiente de agotamiento a la percolación. La recarga es mucho más sensible a las variaciones del coeficiente de agotamiento de la percolación que a la capacidad de infiltración del terreno. Los resultados muestran que hay incertidumbre en la recarga estimada, cuyo valor medio se sitúa entre 250-350 mm/año.