APLICACIÓN DEL MODELO SWAT

El proceso de simulación de una cuenca hidrográfica comienza con el Modelo Digital del Terreno (MDT) o también denominado de Elevaciones (MDE); éste representa la distribución espacial de la altitud del terreno sobre el nivel de referencia. La importancia de los MDT radica en que de su análisis, se pueden deducir un conjunto de importantes características del relieve y con aplicación en numerosos ámbitos. Por ejemplo, se puede clasificar el terreno según las clases de pendientes, estudiar orientaciones, definir la circulación de flujos de escorrentía y calcular su longitud y obtener perfiles longitudinales del terreno. Hay que señalar la importancia del tamaño de celda, pues de él depende la precisión con que se representa el terreno, y por lo tanto, la calidad de los resultados obtenidos en el análisis (Mártinez y Hernández, 2003).

A continuación la cuenca se divide en subcuencas, que son el primer nivel de subdivisión; éstas estarían georreferenciadas y relacionadas espacialmente. SWAT es un modelo

básicamente unidimensional, de base fuertemente empírica y cuyos procesos espaciales en planta, están promediados según tramos homogéneos de tamaño no condicionado a priori (Neitsh et al., 2005b). Cada subcuenca tiene definido al final del tramo un punto en el cauce (“outlet”). La subcuenca está compuesta por todos los píxeles cuya escorrentía superficial alcanza el cauce entre el “outlet” final y el situado inmediatamente aguas arriba del mismo, es decir, otra subcuenca (Herrero et al., 2005).

El programa incorpora un valor de área umbral, en función del cual se puede definir el detalle de la red de drenaje, así como el tamaño y número de las subcuencas. Con este umbral se define el área mínima de drenaje para formar una subcuenca. Además se pueden incluir los “outlets” (puntos de desagüe de las subcuencas) que se deseen.

Una vez definido el detalle de la red de drenaje, el número de “outlets” y de subcuencas, se procede a introducir la información referente a los usos del suelo. En este proceso, y mediante una herramienta de reclasificación de SWAT, se relacionan los usos incluidos en la base de datos de SWAT con aquellos que más se parezcan en sus características a los existentes en la cuenca.

Luego es necesaria la información edafológica. Se creó una base de datos con la información requerida por el programa: profundidad del perfil, textura, porcentaje de materia orgánica, conductividad hidráulica saturada, densidad aparente, grupo hidrológico del número de curva y capacidad de agua disponible. La capacidad de agua disponible se calcula mediante la fórmula de Saxton et al. (1986) a partir de los datos de textura. A continuación se define el rango de pendiente.

Las subcuencas se dividen en Unidades de Respuesta Hidrológica (HRU’s, que responde a las siglas en inglés de Hydrologic Response Units). Estas unidades son porciones de la subcuenca que poseen una combinación única de tipo de suelo, de uso de la tierra y de coberturas y de pendiente (Neitsch et al., 2005b). Esto permite cuantificar la heterogeneidad de la cuenca.

No existe interacción entre las HRU’s dentro de una subcuenca; la escorrentía superficial para cada unidad se calcula independientemente y luego se suman para obtener el total de la subcuenca. La ventaja de esta división es el aumento de la exactitud en la predicción de la

escorrentía, ya que permitirá reflejar las diferencias en la evapotranspiración y otras condiciones hidrológicas, para distintas coberturas, suelos y pendientes (Di Luzio et al., 2002). Después se establece un porcentaje umbral, de manera que el programa no considerará las HRU’s con porcentajes inferiores al umbral.

Por último, se introducen los datos climáticos. En este caso sólo se disponen de datos diarios de precipitación y de temperatura del aire (máxima y mínima); no obstante SWAT permite introducir datos de radiación solar, de velocidad del viento y de humedad relativa. Esta información no está disponible en ninguna de las estaciones del la Agencia Estatal de Meteorología. SWAT incluye una herramienta mediante la cual es posible generar el clima, a partir de una serie de parámetros medios calculados en las estaciones. En esta tesis sólo se usarán los datos registrados en las estaciones meteorológicas seleccionadas. La evapotranspiración potencial se calculará a partir del Método de Hargreaves (Hargreaves et

al., 1985), que sólo requiere datos de temperatura del aire.

Una vez realizada la simulación se procede a la calibración. Mediante el análisis de sensibilidad se determinaron los parámetros del módulo hidrológico a los que el área de estudio era más sensible (Tabla I.1). Estos parámetros son los de mayor influencia y todos se refieren a las aguas subterráneas:

• ALPHA_BF: es el coeficiente de agotamiento (αgw, días). Es un índice directo de la

respuesta del flujo base a los cambios en la recarga. Varía entre 0 y 1; valores de 0.1 a 0.3 indican acuíferos con respuesta lenta a la recarga. y valores de 0.9 a 1 acuíferos con respuesta rápida (Neitsch et al., 2005b).

• GWQMN: es la profundidad umbral de agua en el acuífero necesaria para que tenga lugar el flujo base (mm). Es decir, el flujo base hacía el río sólo se permite si la profundidad del agua en el acuífero superficial es igual o superior a GWQMN

(aqshthr,q).

• GW_REVAP: es el coeficiente “REVAP” (βrev). Este coeficiente regula el

movimiento del agua desde el acuífero superficial hacia la zona no saturada. En periodos en los que el suelo está muy seco, el agua que se encuentra en los poros capilares (que separan la zona saturada de la no saturada) puede evapotranspirarse. El agua retirada de los poros se reemplaza por el agua de la parte superior del

acuífero. El agua sólo es retirada directamente del acuífero por las raíces profundas de la vegetación.

Este proceso es significativo en cuencas donde la zona saturada no es muy profunda, o cuando las raíces de la vegetación están muy desarrolladas y son muy profundas. Por lo tanto, el tipo de cobertura influiría en la importancia del “REVAP” en el balance del agua; es decir, los parámetros que gobiernan el “REVAP” dependen del uso del suelo.

Si GW_REVAP está próximo a 0, se restringe la salida de agua del acuífero superficial; si se aproxima a 1, la fracción de agua que sale del acuífero superficial es aproximadamente igual a la ETP. El valor máximo y mínimo que puede tomar esta variable en SWAT es de 0.2 y 0.02 respectivamente.

• REVAPMN: es la profundidad umbral del agua en el acuífero superficial para que “REVAP” o la percolación al acuífero profundo tenga lugar (mm). El movimiento del agua del acuífero superficial a la zona no saturada o al acuífero profundo, se permite sólo si el volumen de agua en el acuífero superficial es igual o superior al valor de REVAPMN (aq_shthr,rvp).

• GW_DELAY: es el tiempo de retraso de la infiltración del agua subterránea (δgw).

El agua tiene que atravesar la zona no saturada antes de convertirse en recarga del acuífero. El tiempo que transcurre desde la entrada del agua en el suelo hasta que llega al acuífero superficial dependerá de la profundidad del nivel freático y de las propiedades hidráulicas de la formación geológica de la zona no saturada.

• RCHRG_DP: es la fracción de agua que percola al acuífero profundo (βdeep). El

valor mínimo y máximo de esta variable es 0 y 1.0.

• SHALLST: es el contenido inicial de agua en el acuífero superficial (mm). • DEEPST: es el contenido inicial de agua en el acuífero subterráneo (mm). Otras variables importantes son:

• CN2: es el número de curva del SCS para la condición antecedente de humedad II. El número de curva está en función de la permeabilidad del suelo, del uso y de la condición antecedente de la humedad del suelo.

• ESCO: es el factor de compensación de la evaporación del suelo. ESCO varía entre 0.01 y 0.1. Cuando el valor de ESCO es reducido, el modelo puede extraer por evaporación una mayor cantidad de agua del suelo.

• SOL_AWC: es la capacidad de agua disponible (mm de agua/mm de suelo). Es el agua disponible para la vegetación. Se calcula sustrayendo la fracción de agua disponible en el punto de marchitamiento permanente al agua existente a capacidad de campo.

• SURLAG: es el coeficiente de retraso de la escorrentía superficial. En cuencas grandes, y con un tiempo de concentración mayor que un día, sólo una fracción de la escorrentía superficial alcanza el canal principal el mismo día en el que es generada. SWAT incorpora un factor de almacenamiento de la escorrentía superficial, para retrasar el tiempo en el que la escorrentía superficial alcanza el tramo principal. Cuanto menor sea el valor de SURLAG, mayor será el agua retenida para un mismo tiempo de concentración, y así se reducirán los máximos de caudal.

Los valores por defecto que establece el programa de los parámetros expuestos anteriormente se recogen en la Tabla II.1.

Tabla II.1. Valores por defecto de algunos parámetros considerados por el programa

SWAT. Variable Valor ALPHA_BF 0.048 GW_REVAP 0.02 SHALLST 0.5 GWQMN 0 REVAPMN 1 GW_DELAY 31 RCHRG_DP 0.2 ESCO 0 SURLAG 4

En la Figura II.2 se muestra el diagrama del proceso de simulación con SWAT. El primer paso es la recopilación de información: topográfica, de uso del suelo, edafológica y meteorológica. Luego se realiza el proceso de simulación y a continuación, mediante el cálculo de índices estadísticos, se evalúa la semejanza entre el caudal simulado y el observado. Si este último paso no es satisfactorio se procede al ajuste de los parámetros mediante el proceso de calibración; este paso se repite hasta que la comparación entre el caudal simulado y el observado muestre valores satisfactorios de los índices estadísticos.

Figura II.2. Diagrama del proceso de modelización con SWAT.