IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN LA CUENCA DEL CARAPA 

IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN

LA CUENCA DEL RÍO CARAPA.

IMPLEMENTATION OF THE HEC-HMS HYDROLOGICAL MODEL

IN THE CARAPA RIVER BASIN.

Benito Pereira; Ing. Cristián Escobar, M.Sc.

Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Católica “Nuestra Señora de la Asunción” Tte. Cantaluppi y G. Molinas, Asunción, Paraguay.

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RESUMEN

Este trabajo surge a partir de una propuesta de la División de Estudios Hidrológicos y Energéticos de la Itaipú Binacional, para emprender trabajos de tesis en el área de Modelación Hidrológica. El área de estudio seleccionada fue la Cuenca del Río Carapa, aprovechando que la misma forma parte de un programa internacional de la UNESCO denominado HELP, en donde se definen una serie de problemáticas asociadas a la Cuenca que requieren una adecuada gestión del agua. La correcta asignación de permisos para el aprovechamiento del agua juega un papel fundamental en el manejo sostenible de los recursos hídricos, en donde un modelo hidrológico continuo es muy útil como evaluación técnica de la cantidad disponible de agua en periodos de estiaje. En el presente trabajo, se calibró y validó un Modelo Hidrológico en la Cuenca del Río Carapa, utilizando como herramienta el software HEC-HMS, desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos. Como resultado se generó una base datos que incluye entre otras cosas, una completa caracterización de la Cuenca, una metodología de estimación de parámetros iniciales para el modelo Soil Moisture Accounting, unos criterios subjetivos de calibración de un Modelo Hidrológico continuo, y por supuesto, el Modelo Hidrológico en sí.

Palabras clave: Cuenca del Río Carapa, Modelo Hidrológico, HEC-HMS.

ABSTRACT

This work arose from a proposal of the Hydrologic and Energy Study Division of Itaipú Binacional, to undertake engineering undergraduate thesis in the Hydrologic Modelling field. The study area selected was the Carapa River Basin, taking advantage that this basin is part of an international UNESCO program called HELP, where a number of problems associated with the basin that require proper water management are defined. The correct assignation of water use permission represent a key role in the sustainable management of water resources, where a continuous hydrological model is useful as a technical assessment of the available amount of water in drought periods. In this paper, an Hydrological Model was calibrated and validated using the HEC-HMS software, developed by the United States Army Corps of Engineers. As a result, a database was generated and includes, among other things, a complete characterization of the Basin, a Methodology for initial parameters estimating, some subjective criteria of calibrating a continuous hydrological model, and of course gender, the Hydrological Model itself.

1. INTRODUCCIÓN

1.1Diagnóstico.

Actualmente, a nivel país, existe una inadecuada Gestión de los Recursos Hídricos. Una de las razones probables es la carencia de la reglamentación de la “Ley Nº 3.239/07 de los Recursos Hídricos del Paraguay”. Al no existir una reglamentación que le brinde operatividad a la ley, no se encuentra aún definido cuáles son las herramientas y metodologías que permitan asignar permisos y concesiones para el aprovechamiento del agua. La Ley de Recursos Hídricos hace referencia a la actualización y consolidación de Planes de Cuenca como instrumento de cambio y ajustes al avance del desarrollo del país. En este aspecto, es oportuno mencionar que la evaluación técnica de los Planes de Cuenca es una tarea de por sí bastante complicada, y más aún si no se cuenta con una herramienta para simular el ciclo hidrológico de la cuenca en la cual se desea implementar el plan. Esta simulación debe permitir generar información relevante para la correcta toma de decisiones (asignación de permisos de uso del agua, cambios en el uso de suelo, determinación del caudal base, caudal ecológico, etc).

Es frecuente el uso de los software de modelación hidrológica para evaluar eventos aislados y de gran magnitud en un periodo relativamente corto de tiempo (horas, días), que permite desarrollar obras de infraestructura como puentes. Sin embargo, para la gestión de cuencas, se requiere conocer el comportamiento hidrológico en periodos de estiaje con el objetivo de administrar correctamente la demanda del agua, por lo que se recurre a un modelo hidrológico continuo, para largos periodos de tiempo (años, décadas). La aplicación de estas herramientas como parte de la gestión de los recursos hídricos, se constituye en una necesidad urgente a nivel nacional, considerando que actualmente existen competencias por el uso del agua. Por ejemplo, en la Cuenca del Río Tebicuary, en épocas de escases de agua, el sector de agricultura (en particular el arrocero) compite con los sectores de pesca y turismo por el agua del río, que en el verano alcanza niveles sumamente bajos. Es normal que ante esta situación se den intereses importantes en cuanto a los resultados de un balance hídrico por cuenca.

1.2Pronóstico.

En caso de que el marco legal siga incompleto y no se implementen herramientas que permitan conocer el comportamiento hidrológico de las cuencas del país, principalmente en periodos de estiaje, seguirá existiendo un vacío en la evaluación técnica de los Planes de Cuenca, continuando con la otorgación de permisos y concesiones de usos y aprovechamientos sin un criterio técnico que lo respalde. Esto compromete la sostenibilidad de los Recursos Hídricos del país, lo cual, además de generar impactos ambientales negativos, traerá consigo impactos económicos y sociales de gran envergadura.

1.3Beneficios.

La Implementación del Modelo Hidrológico HEC-HMS en la Cuenca del Carapa beneficia principalmente a dos instituciones:

a) SEAM: dicha institución podría utilizar la metodología descripta en el presente trabajo

para emprender Modelos Hidrológicos (utilizando el HEC-HMS), que le permita realizar el Balance Hídrico Nacional y disponer de una herramienta de apoyo a la toma de decisiones.

b) Itaipú Binacional: el beneficio se dará en el Centro Internacional de Hidroinformática

(CIH), que es un centro binacional, resultado de la asociación entre ITAIPU y el Programa Hidrológico Internacional (PHI) de la UNESCO.

El CIH es el encargado de llevar adelante el programa internacional HELP (Hydrology for the Environment, Life and Policy) de la UNESCO, que tiene como objetivo establecer una red mundial de cuencas a fin de que la hidrología responda mejor a las necesidades de la sociedad. En el Paraguay, la Cuenca Nacional estudiada en el marco de este programa es la Cuenca del Río Carapa, por lo tanto, disponer de un Modelo Hidrológico en esta Cuenca es de gran importancia para el CIH.

1.4Área de Estudio.

La Cuenca del Río Carapa se encuentra al noreste de la Región Oriental del Paraguay, en su totalidad dentro del departamento de Canindeyú. El área de la Cuenca es de 2.675 km2 aproximadamente, y forma parte de la Cuenca Alta del Rio Paraná, también conocida como la Cuenca Incremental del embalse de Itaipú.

Figura 1 – Cuenca del Río Carapa en la Geografía Nacional.

1.5Objetivos.

Objetivo General: implementar un modelo hidrológico continuo en la Cuenca del Río Carapa.

Objetivos Específicos:

- Generar una base de datos de tipo y uso de suelo de la cuenca, así como una parametrización hidrológica de la misma.

- Realizar un análisis general de la relación Lluvia/Escorrentía en la cuenca de estudio a partir de los datos hidrometeorológicos disponibles.

- Calibrar el Modelo Hidrológico HEC-HMS en la Cuenca del Río Carapa.

Referencia

Modelo de Elevación Digital

Value

High : 616

Low : 86 1.6Alcance.

El alcance de este trabajo se centra en Implementar el Modelo Hidrológico HEC-HMS en la cuenca mencionada.

Una vez implementado el modelo, la SEAM (autoridad de aplicación de la Ley 3239/07) podrá utilizar la metodología empleada para generar otros modelos hidrológicos, que sirvan de apoyo en su gestión para la toma de decisiones técnicas en Cuencas Rurales. Además, el CIH podrá utilizar el Modelo resultante y su respectiva base de datos para realizar otros estudios, en el marco de los proyectos y programas que involucran a la Cuenca del Río Carapa.

2. MATERIALES Y MÉTODOS.

2.1Software Utilizados.

-HEC – HMS: es el software principal, utilizado para modelar la respuesta de la Cuenca de estudio a los eventos de precipitación registrados a lo largo del tiempo.

-HEC – DSSVue: es un gestor de datos que ofrece el Centro de Ingeniería Hidrológica (HEC), con el fin de facilitar la carga de datos de series de tiempo (precipitación y caudal) y otros pares de datos que sean requeridos por el HEC – HMS (secciones transversales, entre otros).

-Soil Water Characteristics: es un software desarrollado por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, que permite estimar características hidráulicas del suelo a partir de su textura y concentración de materia orgánica.

-ArcGIS 10.2.2: es un Sistema de Información Geográfica que permite trabajar con mapas e información geográfica en general, y además tiene múltiples aplicaciones para el área de hidrología.

2.2Datos Espaciales.

Para realizar los análisis iniciales, se utilizó un Modelo de Elevación Digital (de la zona de interés) descargado gratuitamente de la página del ASTER GDEM (Global Digital Elevation Model), con una resolución de 30 m.

2.3Datos Hidrometeorológicos.

Se obtuvieron datos de 9 (nueve) estaciones pluviométricas en la zona de la cuenca (Fig. 3). Sin embargo, se utilizaron solo 5 (cinco) estaciones por los resultados del método de los polígonos de thiessen para hallar la precipitación media. Con respecto a los datos de caudales, se obtuvo la serie de una sola estación de aforo en la cuenca.

El periodo de datos obtenidos, tanto de precipitación como de caudal, va desde el año 2002 al año 2013. Sin embargo, se evidenció una consistencia de datos desde el año 2008 al 2013, y por lo tanto, se designó como periodo de calibración (ajuste de parámetros): 31Oct2008 - 31Oct2010 (dos años). Por otra parte, se designó como periodo de validación a aquel inmediatamente posterior al de la calibración: 27Nov2010 – 27Nov2012 (dos años).

Figura 3 – Estaciones pluviométricas en la zona de estudio.

2.4Otros Datos.

Se utilizaron los mapas generados del Proyecto de Racionalización del Uso de la Tierra (PRUT) para caracterizar la cuenca. El mapa de suelos de la Región Oriental del país, producido en este estudio, contiene 349 unidades cartográficas, en donde los suelos que las componen pertenecen a 7 Ordenes, 13 Subórdenes, 28 Grandes Grupos y 58 Subgrupos, clasificados por el sistema “Soil Taxonomy”, del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos de América (USDA, 1992). Las unidades cartográficas contienen información sobre el tipo de suelos de cada área, en particular, paisaje donde aparece cada suelo, material parental, clase textural, pendiente del terreno, drenaje, pedregosidad y rocosidad. Además, cada tipo de suelos se presenta descrito según sus características morfológicas, químicas, físicas y taxonómicas.

2.5Selección de los Métodos de Simulación.

El modelo HEC-HMS dispone de una gran variedad de métodos que pueden ser utilizados para simular las pérdidas, la trasformación de la precipitación efectiva en escorrentía directa, el tránsito de avenidas y el comportamiento del caudal base. La elección de uno u otro método depende exclusivamente de la cantidad y calidad de datos disponibles, y además del tipo de simulación a realizarse, que puede ser para un evento aislado o para largos periodos de tiempo.

2.5.1 Pérdidas.

Considerando que para el presente trabajo se realizó una simulación continua, es decir, para un largo periodo de tiempo, el programa ofrece solo un modelo de pérdidas para este tipo de simulaciones, el Soil Moisture Accounting. Este modelo consiste básicamente en una serie de capas por la cual va pasando el agua, quedando retenida en algunas de ellas y avanzando hasta el acuífero más profundo, según cual fuese la combinación de parámetros hidrológicos asociados al modelo (Fig. 5).

Figura 5 – Soil Moisture Accounting Model; Fuente: Manual de Referencias Técnicas del HEC-HMS.

Con respecto a la simulación de la evapotranspiración que incide en este modelo, se optó por el método del promedio mensual. Se utilizaron datos horarios de temperatura de la Estación MOPC Ruta 10, y mediante la ecuación de Thornthwaite se obtuvieron los promedios mensuales de ETP.

La estimación de los numerosos parámetros de entrada al modelo se obtuvo siguiendo metodologías empíricas de otros estudios similares, considerando la topografía, el tipo y uso de suelo de la cuenca. Es importante acotar que todos los parámetros de este modelo están sujetos a modificación, salvo que sean datos medidos, el cual no es el caso.

2.5.2 Transformación.

A efectos prácticos, para esta etapa fue utilizado el Hidrograma Unitario de Clark, por la facilidad de estimación de los parámetros asociados a este modelo.

El primero de los parámetros, el Tiempo de Concentración, fue hallado con la fórmula corregida de Kirpich para cuencas naturales (Ec. 01), según lo especificado en el libro “Water Resources Engineering” (D.A, Chin; 2006):

𝑇𝑐 = 0,13252 × 𝐿0,77

𝐽0,385 [Ec.01]

Donde:

L: longitud de la trayectoria de flujo más larga.

J: pendiente media de la trayectoria de flujo más larga.

Con respecto a la estimación del segundo de los parámetros, el Coeficiente de Almacenamiento, se consideró la siguiente expresión empírica (Ec.02), resultado de diversos estudios del cuerpo de ingenieros (HEC, 1982):

𝑅

𝑇𝑐+𝑅

= 𝐾

Donde:

Tc: tiempo de concentración, en horas. R: coeficiente de almacenamiento, en horas.

K: parámetro cuyo valor se sitúa en un rango de variación entre 0,1 y 0,9, correspondiendo este último valor a zonas con poca pendiente y uso agrícola.

Para este proyecto, se designó el valor K=0,75 como estimación inicial, por el hecho de que el uso de suelo de la cuenca de estudio es predominantemente agrícola.

2.5.3 Tránsito de Avenidas.

Para esta etapa, se optó por utilizar el método de Muskingum-Cunge (8 puntos), que básicamente consiste en establecer secciones transversales de los distintos cauces que componen el sistema hídrico del modelo.

Figura 6 – Formato de sección transversal en el Método Muskingum Cunge (8 puntos); Fuente: Manual de Referencias Técnicas del HEC-HMS.

Las secciones transversales se obtuvieron utilizando la herramienta “Perfil de Elevación” de Google Earth, y a partir de estas, se definieron los ocho puntos que la componen. Las demás características en cada tramo como longitud y pendiente media, fueron obtenidas mediante procesamientos en herramientas SIG.

2.5.4 Caudal Base.

El método seleccionado para simular el comportamiento del caudal base fue el Linear Reservoir (Reservorio Lineal), que funciona en conjunto con el modelo de pérdidas SMA.

2.6Calibración del modelo.

2.6.1 Análisis Hidrológicos.

Básicamente, se consideraron dos análisis previos a la calibración del modelo. El primero consistió en una simple evaluación de los hidrogramas generados en cada subcuenca en contraste con las características topográficas, de tipo y uso de suelo de las mismas, de manera a adecuar estos hidrogramas a dichas características y que exista una correspondencia relativa entre las subcuencas del modelo (Fig. 8).

El segundo consistió en evaluar la relación lluvia/escorrentía de la cuenca, hallando coeficientes de escorrentía anuales (Tabla 1), y además, definiendo un valor promedio de este coeficiente para temporadas secas y húmedas.

Este análisis, fue realizado simplemente para tener un panorama más claro acerca del porcentaje de la precipitación total que se convierte en escorrentía.

Figura 8 – Clase textural y pendiente en las subcuencas del modelo.

Tabla 1 – Coeficiente de Escorrentía Anual. SC1

SC2

SC3

SC4

SC5

SC7

SC6 SC8

SC9

SC1

SC2

SC3

SC4

SC5

SC7

SC6 SC8

Con respecto a los coeficientes en temporadas húmedas y secas, se analizaron tres periodos para cada condición, y se halló el Coeficiente de Escorrentía de los mismos promediando los valores obtenidos. Dicho análisis reveló que en la cuenca de estudio, el Coeficiente de Escorrentía tiene un valor promedio de 0,57 para periodos húmedos, y de 0,22 para periodos secos.

2.6.2 Análisis de Sensibilidad.

Con el objetivo de optimizar el modelo en forma eficiente, se realizó un Análisis de Sensibilidad de los parámetros resultantes de la primera etapa de calibración, lo cual permitió identificar cuáles son los parámetros cuya alteración tienen una repercusión mayor en el modelo propuesto. La sensibilidad de los parámetros fue evaluada con respecto al Pico Máximo (Fig. 10) y al Volumen Total Escurrido (Fig. 11). Los parámetros fueron modificados individualmente, manteniendo todos los demás constantes. Esta modificación consistió en aumentar y disminuir los distintos parámetros en un 5, 10, 20 y 30% (siempre y cuando sea posible).

Figura 10 – Análisis de sensibilidad sobre el pico máximo.

y = 0.8553x + 4.0511

R² = 0.8286

0 20 40 60 80 100 120 140

Cau

da

le

s

Simulad

os

(

m

/s)

Caudales Observados (m

_/s)

3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

La evaluación del modelo fue realizada siguiendo el criterio estadístico del Coeficiente de Determinación R2, con el objetivo de evaluar qué proporción de la variación total de los caudales observados son explicados por los caudales modelados. Este valor varía en un rango de 0 a 1, correspondiendo este último a una perfecta explicación de los caudales observados mediante los caudales simulados, lo cual nunca ocurre en la práctica. Típicamente, se sugiere que valores de R2 _{mayores a 0,5 ya son aceptables (Santhi et al., 2001, Van Liew et al., 2003).}

3.1 Resultados de la Calibración.

Luego del ajuste final de parámetros, basado en el análisis de sensibilidad realizado previamente, se obtuvo una muy buena calibración del modelo (Fig. 12 y 13). El mismo estimó un Pico Máximo de 147,6 m3/s, y un Volumen Total de 2.614 hm3, siendo que en la serie de caudales observados se registró un Pico Máximo de 122 m3/s y un Volumen Total de 2.756 hm3.

Figura 12 – Simulación final para el periodo de calibración.

Figura 13 – Prueba de bondad de ajuste para el periodo de calibración.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 31 -Oc t.-0 8 01 -M ar. -09 01 -Ju l.-09 31 -Oc t.-0 9 02 -M ar. -10 01 -Ju l.-10 31 -Oc t.-1 0

Cau

da

l (

m

/s)

T (días)

3.2Validación del Modelo.

Figura 15 – Simulación en el periodo final de validación (2010-2012).

Figura 16 – Prueba de bondad de ajuste para el periodo de validación.

Tabla 4 – Resumen de los resultados de la calibración y validación del modelo.

INDICADORES PERIODO Calibración (2008-2010) Validación (2010-2012)

Bondad de Ajuste (R2₎

0,82 0,69

Pico Máximo Observado (m3_{/s) 122 119}

Fecha del Pico Máximo Observado 03-ene-10 22-jun-12 Pico Máximo Simulado (m3_{/s) 147,6 174,4}

Fecha del Pico Máximo Simulado 01-ene-10 20-jun-12 Volumen Total Observado (hm3_{) 2.756 2.909}

Volumen Total Simulado (hm3_{) 2.614 2.505}

Capacidad Predictiva de Pico Máx. +17% +32% Capacidad Predictiva de Vol. Total -5% -14%

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 27 -No v. -10 28 -M ar. -11 28 -Ju l.-11 27 -N o v. -11 28 -M ar. -12 28 -Ju l.-12 27 -N o v. -12

Cau

da

l (

m

/s)

T (días)

y = 0.9856x - 5.6491

R² = 0.6962

50 100 150 200

0 20 40 60 80 100 120 140

Cau

da

le

s

Simulad

os

(

m

/s)

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1Conclusiones.

El modelo hidrológico HEC-HMS ha sido implementado exitosamente en la Cuenca del Río Carapa. En la calibración del modelo se obtuvo un resultado satisfactorio, basándose en un sencillo análisis de sensibilidad que permitió un buen ajuste de los parámetros, alcanzando una bondad de ajuste R2 = 0,82. Con respecto a la validación, se obtuvo un resultado aceptable, con una bondad de ajuste R2 = 0,69. Considerando que los periodos de estiaje se representan adecuadamente, este modelo podría ser utilizado como herramienta de gestión para la asignación de permisos y concesiones de uso y aprovechamiento del agua.

Además, se contribuyó con una robusta base datos de la Cuenca de estudio, que será de gran utilidad al Centro Internacional de Hidroinformática en el marco del programa HELP, al cumplir con uno de sus objetivos pendientes, que era el hecho de contar con un Modelo Hidrológico de la Cuenca del Río Carapa. Esta base de datos, también será útil en los proyectos de la Itaipú Binacional que involucren de alguna forma a la Cuenca de estudio. Así mismo, se propuso una metodología rápida y sencilla para el desarrollo de un modelo hidrológico continuo en el HEC-HMS, que podría ser utilizada como una guía por la SEAM, institución que hasta la fecha es la autoridad de aplicación de la Ley Nº 3.239/07 de los Recursos Hídricos del Paraguay. La implementación de esta herramienta en la Secretaría de Ambiente, como elemento de apoyo a la toma de decisiones, permitirá concretar una verdadera gestión de los recursos hídricos, por el hecho de que la otorgación de permisos de uso y aprovechamiento del agua será realizada en base a estudios técnicos.

Finalmente, el Análisis de la Relación Lluvia/Escorrentía realizado como parte del proceso de calibración del modelo, puede ser una herramienta útil para, en combinación con otros análisis ya realizados (Monitoreo de la Cuenca del Aº Yuquyry. Monte Domecq, R, et.al. 2005. FUNDAINGE-CITEC/JICA; Balance Hídrico Nacional. Chamorro, L. 1992. DINAC), tener una primera estimación de la disponibilidad de agua por regiones y épocas.

4.2 Recomendaciones.

Luego de todo el proceso seguido para implementar el modelo hidrológico en la Cuenca del Río Carapa, surgen unas cuantas recomendaciones que podrían mejorar sustancialmente la aplicabilidad de este modelo para diversas situaciones.

1) Se recomienda aumentar la densidad de estaciones pluviométricas e hidrométricas en la Cuenca. Principalmente las estaciones hidrométricas, ya que actualmente, la Cuenca cuenta con una sola estación de aforo. Esto facilitaría en gran medida el trabajo de calibración y validación de un modelo hidrológico mucho más pulido y exacto que el obtenido en el presente trabajo.

2) También se recomienda automatizar la lectura de datos en todas las estaciones pluviométricas con el sistema STH. Esto permitirá disponer datos diarios medidos a la misma hora. Además, se registrarán datos horarios que permitirán conocer con más detalle el comportamiento hidrológico de la Cuenca.

3) Se recomienda calibrar el modelo en un periodo que incluya al año 2013, de tal manera de brindar más capacidad a la Cuenca para lidiar con magnitudes extremas de precipitación.

4) Al tratarse de una Cuenca que forma parte de un programa internacional de gestión, se recomienda realizar mediciones insitu de algunos parámetros hidrológicos relacionados

al perfil de los distintos tipos de suelo existentes en la Cuenca. Entre las mediciones se puede considerar: capacidad de infiltración, tasa de percolación, saturación del suelo, capacidad de campo, porcentaje de materia orgánica, entre otros.

También es recomendable disponer de un catastro aproximado de los tipos de cultivos existente en los campos agrícolas de la zona, que como fue mencionado anteriormente, ocupan aproximadamente el 70% de la Cuenca. Esto permitirá conocer con más exactitud el potencial de retención y escurrimiento de agua.

5) Por último, se recomienda al Departamento de Ingeniería Civil, Industrial y Ambiental de la Universidad Católica de Asunción, que continúe fomentando la elaboración de trabajos de tesis aplicando herramientas de la hidroinformática, que en un futuro no muy lejano, serán imprescindibles en la gestión de los recursos hídricos del país.

5. REFERENCIAS

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5.12 Ley Nº 3.239 de los Recursos Hídricos del Paraguay.

5.13 LLAMAS, J.M. Hidrología General. Editorial Universidad del País Vasco, 1993. ISBN13: 9788475854359.

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6. AGRADECIMIENTOS

A la División de Estudios Hidrológicos y Energéticos de la Itaipú Binacional, por la oportunidad de emprender un trabajo de tesis en el área de modelación hidrológica, principalmente al Ing. Giovanni Gómes, quien acompañó desde un inicio el proyecto.