DESARROLL O DEL M ODEL O

7. 1. Descripción General del M odelo

Para llev ar a c abo el des arr ollo del pr esente trabajo fue utilizado un modelo ya desarrollado, por el Servic io de Inv estigac ión Agr ícola del Departamento de Agr ic ultura de los Estados Unidos ( USDA, por s us s iglas en inglés), creado con el fin de predecir la afectac ión del rec urs o hídr ico, la producc ión de s edimentos y difer entes reacciones de c arácter químic o, como func ión de las diferentes pr acticas de us o del suelo que s e puedan pr esentar en una cuenc a dada. El modelo SWA T por s us siglas en inglés (Soil and Water Assesment Tool), cuenta con car acter ís tic as importantes, que lo hicieron útil para el desarrollo del presente pr oyec to, las c uales s e mencionan a continuación ( SWA T2000THEO RY).

Es F ísicamente Basado: El modelo no gener a regr esiones para encontrar

las r elac iones entr e las entradas y las s alidas, és te en cambio, r equiere como datos de entrada todas las caracter ístic as de la cuenca, del suelo, del clima, del tipo de vegetación y de las prác ticas de c ultiv o, con el fin de realizar la modelación direc ta de los proc esos fís icos asoc iados con el movimiento del agua y los s edimentos, el crec imiento de las plantas y la dinámic a de los nutrientes , entre otros .

Es Eficiente Computacionalmente: Es capaz de modelar grandes cuenc as,

durante lar gos per íodos de tiempo, en un c omputador pers onal y de una manera r ápida

Es Capaz de Analizar Im pactos a Lar go Plazo: El modelo puede llevar a

cabo simulaciones para per íodos futuros extensos, de los c uales no s e tiene infor mac ión climatológic a, gr acias a los generador es de clima s intétic os y

aun así s igue s iendo c ons istente en sus parámetr os de salida. Es de ac larar que el modelo no pr etende simular ev entos ins tantáneos, por lo que no se deben es perar buenos ajustes par a per íodos inferior es a un mes.

Para efectos de modelac ión, el modelo SWA T divide una cuenca en var ias subc uencas, lo cual es útil al momento de as ignar el tipo de suelo o de cobertur a vegetal, en una cuenc a dada. La infor mación de entr ada que se suministr a al modelo es or ganizada en una de las siguientes c ategor ías: clima, unidades de respues ta hidr ológica (HRU), r eservor ios, humedales y canal pr incipal. Sin importar el proc eso que este modelando al inter ior de la cuenc a el progr ama, SWA T s e basa, para todos sus cálculos en la ec uac ión de balance hídric o, par a predecir de una for ma pr ec isa el mov imiento de pestic idas, sedimentos y nutrientes. Con res pecto al mov imiento del agua, se pueden generar dos divis iones princ ipales ; la pr imer a se r efiere a la fase terrestr e del ciclo hidr ológico definida por todos los proc es os que se pres entan en c ada una de las subc uencas. La segunda fas e hace referencia a los pr ocesos presentes en la red de canales que se dirigen hac ia el punto de salida de la cuenca.

A continuación se presenta la ecuación en la cual s e basa el modelo, para llevar a cabo el balance hídr ic o de la fase terres tre, de igual for ma se pres enta de maner a esquemática los diferentes proces os del c iclo hidr ológico para es ta fase.

) ( 1 gw seep a surf t i day o t SW R Q E W Q SW = +

∑

S W_t: Contenido final de agua en el suelo

S Wo: Contenido inicial de agua en el suelo

Rday: Precipitación en el día i

Qsurf: Flujo superficial en el día i

W_seep: Percolación en el día i

Figura 13 . Procesos Ci clo Hidrológico _ Fas e Terrestre

(Toma da de SW AT2000 THEOR Y)

Para llev ar a cabo este pr oyecto se utilizó la vers ión SWAT2000, la cual cuenta con una interfaz gráfic a que utiliz a el progr ama ARCV IEW GIS 3.2 y adic ionalmente puede gener ar variables de clima, tales como, radiación s olar, humedad r elativa, veloc idad del viento y ev apotranspir ac ion potenc ial a partir de rangos introduc idos por el usuar io.

A continuación se pres enta un esquema del funcionamiento de SWA T2000 en el cual s e identifican las herr amientas c on las que c uenta el modelo y los 8 grupos en los que se clas ifican

Figura 14. Es quema de Funcionamiento SWAT 2000

1. Definición de cuencas 2. Definición de HRU’s

3. Definición de es tac iones Climatológicas 4. Bases de datos AV SWAT

5. Parámetr os de entrada y administr ación de escenar ios 6. Ejec ución del modelo

7. Lectura y pr es entación de res ultados 8. Herr amientas de c alibrac ión.

7. 2. Entradas del M odelo Descrito para Llevar a Cabo la Implementación en la Cuenca de Est udio.

Una vez entendido el funcionamiento bás ico del modelo se pres enta la for ma como fueron r ealizadas todas las entradas para llev ar a c abo la simulación de la cuenca alta del r ío guatiquía, c uenc a descr ita anterior mente.

7.2.1. Generaci ón del Modelo Di gital de T err eno ( DEM)

A partir de los archivos con extensión .adf se gener ó el DEM c on una resolución de 30 m, es decir que por cada cuadrado de 30 m de lado del terreno natural, se toma la altura pr omedio y es e es el valor que se introduce

en el modelo digital para toda el ár ea en cuestión. Para es te c aso en es pecial y teniendo en cuenta que el DEM gener ado arrojó una prec is ión buena par a el objeto de la investigación, se generaron las líneas de esc orrentía automáticamente y no fuer on car gadas desde archiv o, tal como ofrec e la posibilidad el softw are trabajado

7.2.2. Pr eprocesamiento del DEM

Una v ez car gado el DEM se proc ede a realiz ar una depurac ión del mismo c on el fin de eliminar los s umider os o aquellos sitios puntuales que no dr enan a una de las c eldas adyacentes. De igual for ma se indic a que aquellas c eldas

ubic adas en los ex tremos de la cuenca deben dr enar hacia fuer a de la misma con el fin de repres entar la r ealidad de una manera más pr ecisa y no may or ar los caudales que dr enan hac ia la cuenca en cuestión.

7.2.3. Definición de las líneas de escorr entía

Como se mencionó anterior mente SWAT tiene la pos ibilidad de generar las líneas que definen los cauc es, opc ión que s e utiliz ó en el pr esente proyecto, dada la c omplejidad de la r ed que s e tenía en los planos existentes. Para esto el ár ea que se tomó par a definir los c auces fue la menor posible, según las opciones arr ojadas por el progr ama c orrespondiente a 135 Ha, lo cual llev ó a generar par a la c uenca en estudio 134 celdas en total. A continuac ión se mues tra las redes de dr enaje, par a la cuenca en estudio, creada (color rojo) y la real (c olor az ul) extraída de un plano del Sis tema Chingaza.

Figura 15 . Red de Drenaje Real y Simulada por SWAT

7.2.4. Definición de Entr adas y Salidas.

Las entr adas s e establecen, en la eventualidad de que hay a una porción de la cuenc a que no va a ser modelada y s e conozca el c audal que entrega dicha porc ión, es te c aso no se presenta en el estudio, por lo que no fue neces ar io definir alguna entr ada. La definición de la salida marca el punto final de la red de dr enaje a estudiar, es decir la cuenca de inter és. Con el fin de poder v er el ajuste del modelo se hac e c oincidir este punto de salida con la ubicac ión de una estación de c audales c onoc ida, para este c aso la es tación limnigr áfic a de San Jos é.

Figura 16 . Esta ción Salida de la Cuenca

7.2.5. Definición de Reser vorios.

SWA T per mite crear res erv orios en el ár ea de estudio; s i bien la cuenca escogida c uenta c on un res erv orio, La Laguna Chingaz a, no fue introducida al modelo puesto que se carec e de la infor mación míni ma, neces ar ia para alimentar las entr adas solicitadas por el progr ama.

Una vez c onc luidos los pas os descr itos de la implementación del modelo se obtiene la definición de las s ubcuencas de drenaje, con el fin de continuar con el modelamiento; a c ontinuación s e pres enta el es quema de las s ubcuencas generadas par a el ár ea de es tudio, la cual compr ende una extensión de 9255ha.

E stación Limnigráfica San José

Figura 17 . Delimitació n de Subcuencas

SU B CU ENC A ARE A(Ha) % SUB CUENCA AR EA(Ha) %

1 171 1.85% 18 281 3.04% 2 161 1.74% 19 199 2.15% 3 164 1.77% 20 284 3.07% 4 828 8.95% 21 117 1.26% 5 318 3.44% 22 1 0.01% 6 335 3.62% 23 419 4.53% 7 404 4.37% 24 289 3.12% 8 82 0.89% 25 196 2.12% 9 171 1.85% 26 179 1.93% 10 144 1.56% 27 123 1.33% 11 267 2.88% 28 368 3.98% 12 189 2.04% 29 327 3.53% 13 510 5.51% 30 686 7.41% 14 494 5.34% 31 175 1.89% 15 422 4.56% 32 314 3.39% 16 24 0.26% 33 166 1.79% 17 156 1.69% 34 291 3.14% TOTAL 4840 52.30%

7.2.6. Definición de los tipos de s uel o.

El pr imer paso para generar la entr ada de los tipos de suelo al modelo es cargar un archiv o con extensión .s hp, el cual c ontiene las polilíneas que delimitan cada uno de los tipos de s uelo presentes en la z ona de estudio. Para el pr esente proy ecto s e generó el archivo mencionado a partir de la planc ha del Agus tin Codazzi No. 247 del Es tudio General de Suelos y Zonificac ión de Tierras del Depar tamento de Cundinamarca ( IGA C, 2000), c uya z ona de inter és s e muestr a a c ontinuación.

Figura 18 . Clasificación de Suelos, Zona de Estudio (IGA C,2000)

Para efectos del modelo, se tomar on las 5 clases de suelo que pr esentaban un mayor porc entaje en la c uenc a alta del río Guatiquía, para c ada una de ellas se obtuv ieron todos los par ámetros r equeridos por SWAT, dando espec ial interés a aquellos involucr ados en el proc eso lluv ia esc orr entías y c oncentr ándos e un poco menos en los par ámetros relacionados c on la calidad del agua y los fenómenos químicos al no ser el objeto de este trabajo de inv estigación el modelar los c ontaminantes. Los tipos de suelo de mayor importancia en la

valor es de cada uno de los par ámetros se siguió pr incipalmente la metodología expuesta por Nav arrete (2004), la cual se expone a c ontinuación.

1. TITL E/TEXT: Es un c ampo r eserv ado para los comentarios que quiera dar el us uar io s obr e el tipo de s uelo definido

2. SNA M: Es el nombre del suelo intr oduc ido por el usuar io. 3. HYDRG P: Grupo hidrológico, según la siguiente descripción: A (Bajo potencial de escorrentía):

Suelos que tienen alta tasa de infiltr ación aún cuando es tén húmedos. Cons isten de arenas o gravas profundas bien a exces ivamente drenados. Estos suelos tienen una alta tas a de tr ans mis ión de agua.

B( Moder adamente bajo potencial de escorr entía):

Suelos c on tasa de infiltración moderada c uando están muy húmedos. Suelos moderadamente pr ofundos a pr ofundos, moder adamente bien drenados a bien drenados, suelos con texturas moder adamente finas a moder adamente grues as, y per meabilidad moderadamente lenta a moderadamente r ápida. Son suelos c on tasas de trans misión de agua moderadas.

C (Moder adamente alto potencial de escorrentía) :

Suelos c on infiltración lenta cuando están muy húmedos. Consisten de suelos con un es trato que impide el movimiento del agua hacia abajo; suelos de textur a moder adamente finas a finas; suelos con infiltración lenta debido a sales o alkali, o suelos con niveles freátic os moder ados. Estos s uelos pueden ser pobr emente drenados o bien a moderadamente bien drenados, con estr atos de per meabilidad lenta a muy lenta a poc a profundidad ( 50-100c m). D (A lto potenc ial de escorrentía):

Suelos c on infiltración muy lenta cuando están húmedos. Consisten de suelos arcillosos c on alto potencial de expansión; s uelos con nivel freátic o alto permanente; s uelos c on estr ato arc illos o superficial; suelos con infiltr ación muy lenta debido a s ales o alkali, y s uelos poc o profundos sobre mater ial c asi imper meable. Estos s uelos tienen tasas de tr ans mis ión de agua muy lentas.

4. SOL_ZMX. Pr ofundidad Máx ima de las r aíces. Par a el caso de estudio se s upone que toda la vegetación puede des arrollar las r aíz libremente.

5. A NION_ EX CL: Es pac io de Vacíos: No se gener a entrada par a este parámetr o por lo que el modelo lo tomo como 0

6. SOL_CRK: Porción del volumen máximo fracc ionado del perfil del suelo: Este parámetr o es opcional por lo que no fue tenido en cuenta.

7. TEXTURE: Textura del s uelo: Este parámetr o no es proc esado por el modelo por l oque se deja en blanco.

8. SOL_Z. Pr ofundidad de la capa medida desde la s uperfic ie y ex pres ada en c m.

9. SOL_BD. Dens idad de bulbo húmedo o densidad aparente. Se define como la relación ente la mas a de las partíc ulas sólidas y el volumen total del s uelo.

10. SOL_AWC. Es la cantidad de agua dis ponible para las plantas . Definido como 0.04 par a ar enas, 0.24 par a limos y 0.21 para arcillas( SWAT200THEORY).

11. SOL_K. Conductividad hidráulica satur ada. Mide la capac idad del suelo de c onducir agua. Esta fue definida par a cada uno de los estatos y obtenida de la tabla que s e r elac iona a continuac ión

B ed Mater ia l Group Be d Ma terial Char acte ristics Hy dr aulic C onductivity

V ery hig h lo ss rate Very cle an gra vel a nd l arge sa nd > 12 7 mm/hr H ig h loss rate Cle an san d and g rave l, fiel d con ditio ns 51 - 127 mm /h r M ode rately hi gh l oss rate Sand a nd gra vel mixtur e with lo w sil t-cl ay con te nt 25 - 76 mm/hr M ode rate loss rate Sand a nd gra vel mixtur e with hi gh si lt-cla y co nten 6 - 2 5 mm/hr In si gn ifica nt to l ow lo ss ra te Con so li dated b ed ma te ria l: hig h silt-cl ay con te nt 0.025 - 2 .5 m m/h r Tabla 13. Conducti vida d Hidráulica para va rios materiales de lecho.

(Lane,1983 toma do de SW AT2000 THEOR Y)

Adic ionalmente se tuv o en cuenta el valor de K que se obtuv o de la siguiente gr áfica.

Figura 1. Conductividad Hidráulica a satur ación

Figura 19 . Conducti vidad Hidráulica a Satura ción (Tomado de Navarrete 2004)

12. SOL_CBN. Contenido de Carbono Or gánico. 13. CLAY . Contenido de arcilla. f_e<0.002mm 14. SILT. Contenido de limo. 0.002<f_e<0.05mm 15. SAND. Contenido de arenas . 0.05<fe<2mm

16. ROCK. Contenido de grav as. fe>2mm

17. SOL_ALB. A lbedo de suelo húmedo. Cantidad de radiac ión solar reflejada. Este v alor fue tomado a partir de la siguiente tabla.

T ipo de Cob ertu ra Alb ed o

Meadows and fields 0.14

Needle f or est 0.07-0.09

Extended mixed for est 0.045

Grass-covered ground 0.25-0.33

Rocky ground 0.12-0.15

Vegetation early summer , leaves with high water content 0.19

Vegetation late summer, leaves with low water content 0.29

Clean snow 0.83

Old snow 0.42-0.70

Tabla 14. Al bedo seg ún el tipo de cobertura. (Mccutcheon 1999 , to mado de Na va rrete2004)

18.USLE_K. Factor de er odabilidad del s uelo s egún la ecuac ión universal de pérdida de s uelo USLE. Se r efiere a la vulenr abilidad del suelo para ser disgr egado por las gotas de agua y arras trado por la corriente. Este factor

fue deter minado par a cada capa a partir de la granulometr ía la cual fue utiliz ada en la siguiente gráfic a.

Figura 20. Facto r K (Wischmeier 1971, Tomado de Na varrete 2004 )

En la siguiente tabla se relacionan los valores de los parámetr os par a cada tipo de suelo tomados inic ialmente.