Modelacion de cuencas hidrologicas en SWAT

Jose A.F. Monteiro1,2

1Department of Biosystems Engineering, Federal University of Sao Joao del-Rei, MG, BR2Spatial Analysis Laboratory, Texas A&M University, TX, USA

Ciclo de Conferencias de las Ciencias de la TierraGeoEMI 2014, 28.11.2014

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Que es un modelo?

2

Que es un modelo?

Representacion de la realidad con un objetivo

I Navaja de Ockham: Principio de la parsimonia– “En igualdad de condiciones, la explicacion mas

sencilla suele ser la correcta”.

I Consideracion de Einstein– “Todo tiene que ser lo mas simples posible, pero no

mas simples que eso”.

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Importancia del Agua

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Utilizacion del Agua

Cantidades consumidas

I Aproximadamente 50% (hasta 100% en zonasaridas) del agua disponible es utilizada porhumanos (Oki and Kanae, 2006; Carpenter andBiggs, 2009)

I Consumo antropico (UNFAO, 2013)– 70% industria– 19% agricultura

I Se puede llevar agua hasta donde se la necesita?I Problemas futuros(?)

– Calidad (contaminacion)– Cantidad (menos agua o/y mas consumo)

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SWAT

SWAT - Soil and Water Assessment Tool

I Modelo hidrologico en escala de cuenca (Arnold et al., 1998)

I Inicialmente concebido para evaluar los impactos de lautilizacion de la tierra en la calidad y cantidad del agua

Datos de EntradaI Escenario

– Topografıa (DEM)– Mapa de tipos de

suelos– Cobertura vegetal– (Mapa de rıos)

I Datos meteorologicos– Temperatura– Precipitacion– (Radiacion solar)– (Humedad relativa)– (Velocidad del

viento)Reproducido desde Allan (1995)

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Ejemplo Datos de Entrada

Datos entrada Amazonia

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Estructura del Modelo

I Cuenca (Basin)I Sub-cuenca (Subbasin)

– Definida por un umbral de area mınima.

I Hidrologic Response Unit (HRU, Unidad de Respuesta Hidrologica)– Combinacion unica de pendiente, tipo de suelo y cobertura vegetal– Definidos con umbral de area o fraccion mınima de cada una de las

categorıas– No contiene informacion geografica– Fraccion del area de la sub-cuenca

I Base de datos y archivos de entrada y salida de SWAT

BD general BD especifica Archivos entrada Archivos salidaSWAT2012.dbf Projecto.dbf .bsn output.std

.sub output.rch

.hru output.sub

.mgt output.hru

.gw...

...8

Ejemplo Output

Output.rch

SUB YEAR MON FLOW INcms FLOW OUTcms EVAPcms SED INtons SED OUTtons

1 1973 1 10.33 10.30 0.03 9617.00 34950.002 1973 1 6.45 6.44 0.01 4446.00 26260.003 1973 1 16.93 16.92 0.00 61250.00 36680.004 1973 1 130.30 130.20 0.05 360700.00 382600.005 1973 1 17.75 17.69 0.05 18120.00 63260.006 1973 1 161.50 161.40 0.03 344400.00 390700.007 1973 1 112.00 111.90 0.03 262700.00 322800.008 1973 1 19.41 19.23 0.13 19670.00 52120.009 1973 1 15.09 15.05 0.04 19280.00 58960.00

10 1973 1 139.50 139.30 0.20 391400.00 249200.0011 1973 1 91.73 91.71 0.02 202700.00 209900.0012 1973 1 3.07 3.06 0.00 4606.00 9567.0013 1973 1 205.00 204.90 0.08 247600.00 1766000.0014 1973 1 9.60 9.57 0.02 10980.00 25620.0015 1973 1 191.00 190.80 0.19 467000.00 207900.0016 1973 1 87.01 86.98 0.03 190300.00 197600.0017 1973 1 203.50 203.50 0.01 236500.00 245900.0018 1973 1 203.50 203.40 0.03 235700.00 236500.0019 1973 1 223.20 223.00 0.13 1829000.00 616000.0020 1973 1 5.40 5.37 0.02 6236.00 20090.0021 1973 1 11.01 10.99 0.02 33630.00 31240.0022 1973 1 65.78 65.64 0.13 425300.00 169900.0023 1973 1 49.02 49.02 0.00 157900.00 386500.0024 1973 1 48.99 48.98 0.01 157900.00 157900.0025 1973 1 20.85 20.81 0.03 66180.00 19400.00

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Ejemplo Output

Output.sub

SUB YEAR MON AREAkm2 PRECIPmm SNOWMELTmm PETmm ETmm SURQmm SYLDt ha

1 1973 1 302.86 230.11 0.00 103.44 75.03 25.23 0.312 1973 1 198.53 229.91 0.00 102.55 75.55 24.06 0.223 1973 1 4.52 254.69 0.00 100.63 70.97 26.33 0.084 1973 1 34.00 254.69 0.00 102.84 73.09 37.15 0.375 1973 1 506.65 229.88 0.00 103.92 75.01 24.28 0.356 1973 1 10.74 258.79 0.00 101.32 81.95 31.76 0.337 1973 1 25.63 254.69 0.00 102.28 72.51 35.42 0.278 1973 1 658.47 218.50 0.00 103.55 74.02 32.90 0.299 1973 1 416.68 234.97 0.00 104.54 82.65 27.65 0.46

10 1973 1 232.82 254.69 0.00 103.43 74.75 31.88 0.3711 1973 1 116.75 254.69 0.00 104.30 75.07 36.85 0.4412 1973 1 140.81 244.57 0.00 101.68 74.05 31.85 0.3213 1973 1 38.99 258.30 0.00 106.31 86.83 33.55 0.4214 1973 1 261.88 235.36 0.00 106.08 83.15 28.34 0.4115 1973 1 300.81 258.35 0.00 105.31 82.17 35.04 0.4316 1973 1 21.12 254.69 0.00 103.45 76.23 35.43 0.4717 1973 1 0.85 258.79 0.00 109.48 92.19 33.90 0.3118 1973 1 79.74 258.37 0.00 105.06 81.75 33.84 0.2719 1973 1 84.31 257.25 0.00 104.19 85.59 33.49 0.5120 1973 1 252.86 244.37 0.00 102.75 75.65 29.91 0.2421 1973 1 118.91 244.57 0.00 102.24 73.84 31.13 0.3322 1973 1 240.69 254.69 0.00 103.45 77.19 31.25 0.3123 1973 1 2.11 244.57 0.00 101.33 74.54 30.99 0.0924 1973 1 27.69 244.57 0.00 102.25 77.08 33.62 0.2225 1973 1 130.47 254.69 0.00 104.11 75.72 32.08 0.39

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Calibracion y Validacion

I Calibracion: ajustes de los parametros del modelo para aproximar lasimulacion de la observacion.

I Validacion: verificacion de la perforacion del modelo en un periodono utilizado durante la calibracion.

I Ejemplo de hidrografico de calibracion y validacion

I Ejemplos de estadıstica de calibracion y validacion

Variable Period p-factor r-factor R2 NS bR2 PBiasQ 36 Calib. (n = 332) 0.55 0.61 0.71 0.58 0.71 −6.0

Valid. (n = 61) 0.66 0.58 0.78 0.72 0.77 −2.2

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Estudio de Caso: Rio das Mortes, MG, Brasil

Caracterısticas de la Cuenca y definiciones del modelo

Abbreviation Description Area (km2) %

Land use FRST Forest-Mixed 967 14.9SAVA Savannah 1131 17.4RNGE Range-Grasses 26 0.4PAST Pasture 2580 36.6BSVG Barren or sparsely vegetated 571 8.8AGRL Agricultural Land-Generic 365 5.6WATR Water 574 8.8FRSE Forest-Evergreen (Eucalyptus) 84 1.3URLD Residential - Low Density 75 1.2UTRN Transportation 135 2.1

Soil Bd1-3b-5401 5932 91.1Lf5-2b-5608 575 8.8Fo4-3b-5463 2 <0.1

Slope 0–10 2771 42.610–20 3565 54.820–30 161 2.5>30 12 0.2

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Estudio de Caso: Rio das Mortes, MG, Brasil

Caracterısticas de la Cuenca y definiciones del modelo

Abbreviation Description Area (km2) %

Land use FRST Forest-Mixed 967 14.9SAVA Savannah 1131 17.4RNGE Range-Grasses 26 0.4PAST Pasture 2580 36.6BSVG Barren or sparsely vegetated 571 8.8AGRL Agricultural Land-Generic 365 5.6WATR Water 574 8.8FRSE Forest-Evergreen (Eucalyptus) 84 1.3URLD Residential - Low Density 75 1.2UTRN Transportation 135 2.1

Soil Bd1-3b-5401 5932 91.1Lf5-2b-5608 575 8.8Fo4-3b-5463 2 <0.1

Slope 0–10 2771 42.610–20 3565 54.820–30 161 2.5>30 12 0.2

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Estudio de Caso: Rio das Mortes, MG, Brasil

Objetivo, metodo, condicion riparia

I Objetivo: cuantificar la reduccion de aporte de sedimentos porreflorestamiento de la zona riparia de acuerdo con el Codigo ForestalBrasileno

I Metodo:– Calibracion y validacion del flujo de agua en los rıos– Calibracion y validacion del aporte de sedimentos– Evaluacion de la degradacion de la zona riparia de acuerdo con el codigo

forestal brasileno– Creacion del escenario de reforestamiento ripario y ejecucion del modelo

Definicion del ancho de la

reserva riparia.

Rıo Zona Riparia≤10 m 30 m

10–50 m 50 m50–200 m 100 m

200–600 m 200 m>600 m 500 m

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Estudio de Caso: Rio das Mortes, MG, Brasil

Calibracion y validacion del aporte de sedimento

Period p-factor r-factor R2 NS bR2 PBiasCalib. (n = 155) 0.77 1.25 0.62 0.32 0.61 40.1Calib. (E. Seca ; n = 78) 0.83 3.78 0.38 −6.13 0.22 68.5Calib. (E. Lluviosa; n = 77) 0.65 1.76 0.52 0.14 0.47 47.3Valid. (n = 69) 0.83 2.11 0.63 0.39 0.62 −5.3Valid. (E. Seca; n = 33) 0.90 4.70 0.70 0.33 0.70 −10.4Valid. (E. Lluviosa; n = 36) 0.72 3.32 0.53 0.01 0.52 −4.9

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Estudio de Caso: Rio das Mortes, MG, Brasil

Aporte de sedimento y reducion del aporte por reforestamiento de la zona riparia

Condiciones actuales:

I 3.88 ± 3.60 t ha−1

Reforestamiento de lavegetacion riparia (1.5% delarea la cuenca):

I 35.1% ± 7.7

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Bibliografia

Allan, J. 1995. Stream Ecology: The Structure and Function of Running Waters. Stream Ecology:Structure and Function of Running Waters, Chapman & Hall. URLhttp://books.google.com.bo/books?id=3Lh7lbEytgcC.

Arnold, J. G., R. Srinivasan, R. S. Muttiah, and J. R. Williams. 1998. Large area hydrologicmodeling and assessment part I: Model development. Journal of the American Water ResourcesAssociation 34:73–89.

Carpenter, S., and R. Biggs, 2009. Freshwaters: Managing across scales in space and time. inF. Chapin III, G. Kofinas, and C. Folke, editors. Principles of natural resource stewardship:Resilience-based management in a changing world. Springer Verlag, New Your, NY, USA.

Oki, T., and S. Kanae. 2006. Global Hydrological Cycles and World Water Resources. Science313:1068–1072. URL http://www.sciencemag.org/content/313/5790/1068.abstract.

UNFAO, 2013. Food and Agricultural Organization of the United Nations.

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Agradecimientos

I Prof. Gabriel Zeballos, por la invitacion

I Swiss National Science Foundation, por el financiamientopos-doctoral

Gracias por su atencion!

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