AGUANAVAL UTILIZANDO EL MODELO HIDROLÓGICO SWAT
Segmentation and Water Balance in Aguanaval River Watershed Using the SWAT Hydrologi- cal Model
Antonio Anaya Salgado1, Arturo Reyes González1, Juan Guillermo Martínez Rodríguez1, Miguel Rivera González2 y Miguel Palomo-Rodríguez1
1Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP). Campo Experimental La Laguna. Blvd. José Santos Valdez No. 1200, Matamoros, Coahuila, México.
e-mail: [email protected]
2Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua Suelo Planta Atmósfera. Km 6+500 margen derecha Canal Sacramento, Gómez Palacio, Durango, México.
RESUMEN
El modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), ligado a un Sistema de Información Geográfica se utilizó en la mode- lación de procesos hidrológicos en la parte alta de la cuenca del río Aguanaval. En este estudio, se generaron las bases de datos digitales (suelo, clima, cubierta vegetal, topografía) necesarias para correr el modelo. El periodo de calibración comprendió los años de 1970 a 1976, por ser estos los que cumplieron con el criterio de continuidad. Una de las grandes ventajas de utilizar modelos distribuidos en la capacidad de representar unidades con características diferenciales de paisaje, así pues, se proba- ron diferentes configuraciones de cuenca, representadas como unidades de respuesta hidrológica. La discretización espacial de una cuenca se requiere para la modelación de su respuesta hidrológica. La exactitud de la respuesta es sensible al tamaño espacial y temporal de la discretización. Existen dos métodos comúnmente usados para subdividir una cuenca: 1) el método de subcuenca y 2) el método de malla. En el primer método, la cuenca se divide en subáreas con propiedades uniformes, las cuales están conectadas a una red de drenaje representada por líneas de flujo concentrado (arroyos, ríos, etc.). En el se- gundo, la cuenca se divide en cuadros de tamaño constante, lo cual forma una malla regular. Este trabajo presenta la distribu- ción espacial cuantitativa de los diferentes procesos hidrológi- cos utilizando diferentes configuraciones de cuenca.
Palabras clave: Hidrología, Modelo SWAT, Escurrimiento, Aguanaval
SUMMARY
The model SWAT (Soil and Water Assessment Tool), linked to a Geographic Information System was used in the modeling of hydrological processes in the upper river basin Aguanaval.
In this study, we generated digital data bases (soil, climate, ve- getation cover, topography) required to run the model. The ca- libration period comprised from 1970 to 1976, being these that met the criteria of continuity. One of the great advantages of using distributed models represent the ability of units with diffe- rent characteristics of landscape, therefore, we tested different basin configurations, represented as hydrologic response units.
The spatial discretization of a watershed is required for mode- ling the hydrologic response. The accuracy of the response is sensitive to spatial and temporal size of the discretization. Two methods are commonly used to subdivide a basin: 1) method of subbasin and 2) the grid method. In the first method, the water- shed is divided into sub-areas with uniform properties, which are connected to a drainage network represented by lines con- centrated flow (streams, rivers, etc.). In the second, the basin is divided into squares of constant size, which form a regular grid.
This work presents the quantitative spatial distribution of diffe- rent hydrological processes using different basin configurations.
Key words: Hydrology, SWAT model, Runoff, Aguanaval
INTRODUCCIÓN
El recurso hídrico se reconoce como un componente de gran importancia para el mantenimiento de los ecosistemas y la subsistencia de la población humana, sin embargo, el creci- miento de ésta ha provocado grandes cambios en el ambiente, generando una acelerada degradación de los recursos natura- les y un incremento en las demandas de agua, superando am- pliamente la capacidad del Estado y sobre todo del ambiente para satisfacerlas.
Por otro lado, el manejo inadecuado de la tierra aunado a la deforestación acelerada y el sobre pastoreo tiene efectos adversos en los componentes biofísicos de una cuenca como:
pérdida de suelo, pérdida de biodiversidad, alteración del régi- men hidrológico que repercuten en la producción y calidad del agua en ríos y arroyos, disminuyendo de esta manera, en forma progresiva, la calidad de vida de los habitantes de los habitan- tes aguas abajo.
El papel fundamental que desempeña la vegetación, princi- palmente los bosques, sobre el escurrimiento de agua superfi- cial es que modifica la forma en que las aguas acceden a los cauces, disminuyendo drásticamente las aportaciones superfi- ciales y aumentando en consecuencia las aportaciones subsu- perficiales (Singh y Woolhiser, 2002).
La modelación hidrológica y el manejo de los recursos hídri- cos están básicamente relacionados con procesos dinámicos y espaciales y, hasta recientemente, la complejidad de los datos hidrológicos distribuidos espacialmente no permitía una mode- lación detallada y estimulaba la aplicación de modelos con pro- medios espaciales (Goodchild et al., 1993; Maidment y Djokic, 2000).
El rápido progreso en la tecnología computacional ha pro- movido el desarrollo de sistemas de bases de datos espaciales, de rutinas eficientes de manipulación de mapas orientados a objetos y de técnicas de visualización de alta resolución (Bu- rrough y McDonnell, 1998).
Durante las dos últimas décadas, el dramático incremento en el poder computacional disponible para los hidrólogos, ha llevado a desarrollos significativos en la conducción de la inves- tigación hidrológica. Durante este período, las aplicaciones de GIS en modelación ambiental han proliferado para tomar ven- taja de la capacidad de representar datos espaciales al aco- plar los GIS con modelos basados en procesos físicos (Arnold, 1992; Arnold y Sammons, 1988; Maidment, 1993).
El modelo de simulación hidrológica SWAT (Soil Water As- sessment Tool) generado por la Agencia de Investigación Agrí- cola del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (ARS – USDA, por sus siglas en ingles) es el estándar utilizado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA, por sus siglas en ingles) para la evaluación de recur- sos hídricos en los Estados Unidos (Di Luzio et al., 2002). Es un modelo ligado a un GIS que puede ser utilizado en México, haciendo ligeras modificaciones a las bases de datos de clima, suelo y vegetación de nuestro país (Martínez y Moreno, 2003;
Martínez et al., 2004).
Por otra parte, la discretización espacial de una cuenca se requiere para la modelación de su respuesta hidrológica. La exactitud de la respuesta es sensible al tamaño espacial y tem- poral de la discretización. Este trabajo presenta la distribución espacial cuantitativa de los diferentes procesos hidrológicos utilizando diferentes configuraciones de cuenca y como estos representan espacialmente el balance hídrico de una cuenca.
MATERIALES Y MÉTODOS Descripción del área de estudio
La cueca en estudio forma parte de la región hidrológica 36 que comprende las cuencas del río Nazas y Aguanaval, cons- tituye una amplia zona endorreica enclavada en la mesa del norte de la República Mexicana entre los paralelos 22° 40’ y 26° 15’ en la latitud norte y los meridianos 101° 30’ y 106° 20’
de longitud oeste, se sitúa en porciones de los estados de:
Zacatecas, Durango y Coahuila. Tiene una superficie total de 94,372 km2 de los cuales 59,632 km2 (63.2 %) corresponden a la cuenca del río Nazas y los restantes 34,740 km2 (36.8 %) a la cuenca del río Aguanaval.
La precipitación anual, promedio de los años registro va desde 174.37 a 495.33 mm. (Boletín hidrológico No. 35 de Secretaria de Recursos Hidráulicos de la Región No. 36), en general el período de lluvias, se presenta de junio a octubre, siendo julio, agosto y septiembre los meses más lluviosos.
La Información requerida por el modelo hidrológico SWAT comprende: el modelo de elevación digital del terreno, carto- grafía digital de edafología y cobertura de suelos, información climática con resolución diaria, así como la información de aforo de las vertientes de la cuenca. Más específicamente, los datos de clima requeridos son: la precipitación pluvial, las temperatu- ras máximas y mínima, radiación solar, velocidad del viento y humedad relativa.
Se analizaron 23 estaciones de clima y se seleccionaron aquellas con registros diarios continuos; el periodo que cumplió con lo anterior fue de 1970 a 1976, por lo que fue éste el que se utilizó para la calibración del modelo.
Segmentación o discretización de una cuenca
La división de una cuenca en áreas de menor tamaño, lla- madas subcuencas o microcuencas (discretización espacial), se requiere para modelar la respuesta hidrológica de ésta. La exactitud de la respuesta es sensible al tamaño espacial y tem- poral de la discretización (Martz y Garbrech, 1992; Moore et al., 1991; Tarboton et al., 1991) Existen dos métodos comúnmente usados para subdividir una cuenca: 1) el método de subcuenca y 2) el método de malla. En el primer método, la cuenca se di- vide en subáreas con propiedades uniformes, las cuales están conectadas a una red de drenaje representada por líneas de flujo concentrado (arroyos, ríos, etc.). En el segundo, la cuenca se divide en cuadros de tamaño constante, lo cual forma una malla regular (Sasowsky y Gardner, 1991).
Dependiendo de su localización, cada cuadro puede ser un elemento de escurrimiento o un elemento de flujo concentrado (arroyo). El tamaño o densidad de la malla se distingue como la escala física y la resolución computacional. El tamaño de la
ciones físicas de la lluvia, tipo de suelo y la condición de uso de suelo en la cuenca; segundo, debe llevar a cálculos numéricos satisfactorios (Srinivasan y Arnold, 1993).
La escala mínima que represente adecuadamente la hete- rogeneidad espacial de una cuenca a ser utilizada en modela- ción hidrológica, ha sido sujeto de interés. Así, Bathurst (1986) sugirió dividir la cuenca en elementos no mayores del uno por- ciento del total del área, lo anterior según este autor, aseguraría que cada elemento fuera más o menos homogéneo.
Zhang y Montgomery (1994) probaron el efecto del tamaño de la malla de un DEM sobre la representación de la superficie del suelo y la simulación hidrológica en dos cuencas pequeñas.
Los datos de elevación fueron agregados a escalas de 2, 4, 10, 30 y 90 metros. Los resultados indicaron que el tamaño de la malla del DEM afectó significativamente la representación de la superficie del suelo y la simulación hidrológica. Un tamaño de malla menor que la longitud de la pendiente, fue necesario para simular adecuadamente los procesos controlados por la forma del relieve. Los autores proponen una malla de 10 me- tros como un tamaño razonable que media entre resolución espacial y requerimientos de manejo de datos para modelar
procesos superficiales de suelo. En la actualidad, los GIS más comercialmente usados, incluyen un algoritmo que permite la demarcación sintética de cuencas y micro cuencas a partir de un valor umbral (Martínez, 1999). Este algoritmo tiene como base principal al modelo digital de elevación del terreno, las principales unidades de suelo, así como a los tipos de vegeta- ción presentes (Di Luzio et al., 2002).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Una de las grandes ventajas de utilizar los GIS es la capaci- dad de representar de manera gráfica la distribución espacial de los procesos hidrológicos que intervienen en el balance de agua de la cuenca (Anaya, 2006). Lo anterior lo podemos observar en la Figura 1, la cual representa la distribución de las diferentes subcuencas incluidas en el área de estudio. Como se aprecia la cuenca está compuesta por 15 subcuencas (1 al 17 exceptuan- do 4 y 5 que no existen en la numeración), cuya área fluctúa desde 27 hasta 19,700 ha aproximadamente. Las subcuencas 9, 10 y 8 presentan la mayor superficie con aproximadamente, 19,700, 19,500 y 14,900 ha, respectivamente; la subcuenca con menor área es la número 13 con 28 ha, aproximadamente.
Figura 1. Distribución espacial de las subcuencas.
Con respecto a los componentes del balance hídrico, la Figura 2 presenta la distribución espacial de la evapotrans- piración de la cuenca, el mayor índice de evapotranspiración tiene un rango de 471 a 473 mm lo presentan las subcuencas
3, 9, 14 y 15; el índice menor tiene su rango de 376 a 377 y se presenta en las subcuencas 4 y 11; el rango de 415 a 426 mm se encuentra en las subcuencas 5 y 10.
Figura 2. Distribución espacial de la evapotranspiración.
La distribución del escurrimiento superficial se presenta en la Figura 3, en ella se observa que el menor rango de escurri- miento oscila alrededor de 44 mm y éste se encuentra en las subcuencas 1, 2, 3 y 7. El escurrimiento ocurrido en las áreas
de mayor tamaño corresponde al rango 4 a 25 mm aproxima- damente, y se presenta en las subcuencas 5, 6, 8 y 10. Por otro lado, el mayor escurrimiento se presentó en las subcuencas 4 y 11 cuyos valores oscilaron entre 44 y 99 mm de lámina.
Figura 3. Distribución espacial del escurrimiento superficial en la cuenca.
El agua percolada fuera del área radical de las plantas, es otro componente en que se fragmenta la precipitación pluvial.
La Figura 4 muestra la distribución espacial que este compo- nente hidrológico tiene dentro de la cuenca. Las subcuencas 3, 9, 14 y 15 presentan los valores más bajos de lámina per-
colada; el rango va desde 36 a 39 mm. Las áreas con mayor percolación se presentan el las subcuencas 1 y 7 cuya lámina oscila entre 72 y 111 mm, mientras que el valor dominante de lámina percolada lo presentan las subcuencas 6 y 10, cuyo ran- go oscila alrededor de 71 mm.
Figura. 4 distribución espacial de la percolación de agua.
Cuantificar la producción de agua resultante de una cuenca es de vital importancia, ya que representa el volumen de agua que está disponible para ser almacenado en una presa o re- servorio. Esta producción de agua es el resultado de la suma algebraica de varios componentes del ciclo hidrológico como:
precipitación pluvial, escurrimiento superficial, percolación, pér-
didas en arroyos, flujo subsuperficial y flujo base. En la Figura 5 se presenta la distribución espacial de la producción de agua en la cuenca, el valor más frecuente está en el rango de 40 a 84 mm y se presenta en las subcuencas 5, 6, 8 y 10. Mientras que, la mayor producción de agua se da en las cuencas 4,11 y 12, cuya lámina oscila entre 100 y 196 mm.
Figura 5. Distribución espacial de la producción de agua.
CONCLUSIONES
Los sistemas de información geográfica ligados a modelos de simulación hidrológica permiten representar gráficamente la distribución espacial de los diferentes procesos que intervienen en el balance hídrico de una cuenca. Dicha representación per- mite a los tomadores de decisión implementar diferentes prácti- cas de manejo de cuenca de acuerdo al objetivo primordial que se tenga en cada una de ellas.
Por otro lado, la aplicación de modelos hidrológicos en el manejo del agua, indudablemente crecerá en el futuro. Para convertirse en herramientas de uso cotidiano, se requiere que los modelos hidrológicos sean de fácil manipulación y que indi- quen las limitaciones y rango de aplicación, así como las áreas donde pueden o no ser utilizados.
Los modelos de simulación hidrológica tendrán que ajustar- se al rápido crecimiento que se está teniendo en áreas como:
tecnologías satelital, GIS, sistemas de manejo de bases de datos (SMBD), análisis de error, análisis de riesgo y sistemas expertos. Con el uso de percepción remota, radar y tecnología satélital, la habilidad para obtener datos en grandes e inaccesi- bles áreas, se ha incrementado notablemente. Lo anterior, hace posible desarrollar modelos verdaderamente distribuidos para cuencas instrumentadas y no instrumentadas.
La capacidad casi ilimitada en sistemas computacionales disponibles actualmente, hace que los modelos distribuidos puedan satisfacer adecuadamente las grandes cantidades de información requerida, a través del uso GIS y SMBD.
LITERATURA CITADA
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