1 2016 GUIA METODOLOGICA PARA EL REPROCESAMIENTO DE DATOS Y LA EJECUCIÓN DEL MODELO HIDROLOGICO TETIS 2 GUIA METODOLOGICA PARA EL PREPROCESAMIENTO DE DATOS Y LA EJECUCIÓN DEL MODELO HIDROLOGICO TETIS Autores: Dayam Calderon Laura Lemus Bogota D.C. 2016 3 CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN .............................................................................. 5 2. OBJETIVOS ................................................................................... 5 3. MAPAS DERIVADOS DEL DEM ............................................................... 5 3.1. DEM......................................................................................... 5 3.2. PENDIENTES (SLOPE) .................................................................. 6 3.3. DIRECCIÓN Y ACUMULACIÓN DE FLUJO ............................................. 6 4. VEGETACIÓN (MAPA DE COBERTURA, PROFUNDIDAD DE RAÍCES DEPENDIENDO DE LAS ESPECIES DE COBERTURA PRESENTES).................................................... 7 5. PARAMETROS DEL SUELO ................................................................... 9 5.1. SOIL WATER CHARACTERISTICS ..................................................... 10 5.2. Hu ....................................................................................... 11 5.2.1. Almacenamiento en charcos................................................... 11 5.2.2. AWC_TOP ......................................................................... 12 5.2.3. Profundidad de raíces .......................................................... 12 5.2.4. ROO ............................................................................... 12 5.3. Kp ....................................................................................... 12 5.4. Ks ....................................................................................... 13 5.5. Kps, Ksa, Kss .......................................................................... 13 5.6. HUMEDAD DEL SUELO ................................................................ 13 6. MAPAS SUB-MODELO DE SEDIMENTOS (ECUACIONES DE LOS FACTORES, BIBLIOGRAFÍA DE FACTORES) .................................................................. 14 6.1. PORCENTAJE DE ARENA, LIMO Y ARCILLA ......................................... 14 6.2. FACTOR C USLE ....................................................................... 14 6.3. FACTOR K USLE ....................................................................... 14 6.4. FACTOR P USLE ....................................................................... 15 7. CREACIÓN DEL FICHERO DE EVENTO .................................................... 16 8. CALCULO DE EVAPORACIÓN (PENMAN MONTHEIT) .................................... 22 9. MODELO TETIS .............................................................................. 22 9.1. Configuración de entrada del modelo TETIS...................................... 23 9.1.1. Opciones.......................................................................... 23 9.1.2. Configuración ficheros general................................................ 25 9.1.3. Configuración ficheros de sedimentos ....................................... 26 9.1.4. Estados iniciales ................................................................. 27 4 9.2. Visualización de mapas .............................................................. 28 9.3. Simulación ............................................................................. 29 10. RECOMENDACIONES GENERALES PARA EL CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE TETIS 32 11. Bibliografía ............................................................................... 33 5 1. INTRODUCCIÓN A partir de las experiencias vividas con la obtención de información necesaria para el correcto funcionamiento de TETIS, se propone elaborar una guía metodológica donde se esclarezca y explique de manera sencilla la obtención y procesamiento de los parámetros iniciales para la modelación hidrología y de sedimentos. Adicionalmente, dentro de la guía metodología existe recomendaciones articuladas directamente con el manual del usuario que han sido consideradas como una falencia de este, puesto que aquel que conoce el funcionamiento del software sabe qué tipo de especificaciones requiere y no se encuentran estipuladas en el manual 2. OBJETIVOS Establecer pautas precisas y necesarias para la obtención de información requería para el buen funcionamiento del modelo hidrológico TETIS. Orientar al usuario sobre el pre procesamiento y presentación de la información obtenida de tal forma que facilite la correcta lectura por parte del modelo hidrológico. 3. MAPAS DERIVADOS DEL DEM Para la obtención del Modelo digital de elevación, DEM por sus siglas en inglés, se pueden utilizar fuentes de información nacionales que cuenten con el de la zona, además de páginas de la NASA o de AsterGDEM donde se consiguen a escalas de 1:100.000 de cualquier lugar del mundo. 3.1. DEM El modelo de elevación y los mapas derivados de este, deben tener un tratamiento previo con el objetivo de rellenar espacios y sumideros que pueden causar errores en la generación del mapa de acumulación, cambiando de esta forma el curso de los drenajes. Además se busca obtener que todas las celdas de menor altura registradas en el DEM sean aquellas donde exista acumulación de flujo. Dentro del paquete de herramientas de ArcHydro, existe una opción para el tratamiento del DEM llamada: DEM Manipultaion dentro del paquete de Terrain Preprocesing (Preprocesamiento del terreno). A continuación se hace una descripción de las herramientas más utilizadas para el tratamiento del DEM: LEVEL DEM: Con esta herramienta se busca completar los huecos del terreno pertenecientes a lagunas, lagos, embalses y demás; introduciendo un shape de polígonos donde se encuentren descritas dichas características. 6 DEM RECONDITIONING: Para la utilización de esta herramienta es necesario tener un shape de línea correspondiente a los drenajes; los cuales deben estar corregidos con la realidad y ser coherentes respecto a su nacimiento y desembocadura dentro del perímetro de la cuenca. Dentro de esta herramienta existen diferentes campos, los cuales se describen a continuación: Stream Buffer: Es el número de celdas alrededor de la línea de drenaje. Smooth drop/raise value: Es el número de celdas (verticales) que hacen referencia a cuanto cae la terraza aluvial hasta llegar al drenaje. Sharp drop/raise value: Es el número de celdas que representan la profundidad del drenaje. FILL SINKS: Esta herramienta es considerada como la mejor forma de limpiar el DEM, quitándole de esta forma los últimos sumideros encontrados luego del tratamiento anterior, el archivo raster resultante de este proceso es considerado como el DEM definitivo. 3.2. PENDIENTES (SLOPE) Para la generación del mapa de pendientes, es necesario contar previamente con el DEM de la zona y la herramienta 3D Analyst/Raster Surface en ArcGIS de donde el software genera el raster. El mapa de pendientes es necesario para algunas variables que serán utilizadas en la generación de otros ficheros como la velocidad de ladera, almacenamiento en charcos, entre otros. Este mapa debe ser generado en porcentaje de pendiente e ingresado al modelo en formato ASCII. 3.3. DIRECCIÓN Y ACUMULACIÓN DE FLUJO Los mapas de dirección y acumulación de flujo se obtienen desde el modelo de elevación ya arreglado de tal forma que no existan drenajes sin punto de inicio, ni sumideros, entre otros errores que pueden ser generados en el DEM. Inicialmente se debe generar el mapa de dirección de flujo, el cual indica hacia donde se dirige el flujo basándose en la existencia de una red de drenaje, sus orígenes y/o los sumideros existentes, por lo cual es necesario antes hacerle un tratamiento al modelo debido a que error en las características nombradas anteriormente generarían problemas en los mapas dependientes de este. Luego de obtener el mapa de dirección de flujo, se prosigue con la realización del mapa de acumulación el cual es realmente importante para el modelo TETIS porque de él y la ubicación de las estaciones de caudal ubicadas en este se simularán caudales y volúmenes. El mapa de acumulación hace referencia al pase acumulado de todas las celdas que fluyen secuencialmente de una hacia otra. A continuación se muestra un ejemplo del funcionamiento y la relación directa entre el mapa de dirección de flujo y el de acumulación: Imagen No. 1: Funcionamiento del mapa de dirección y el de acumulación de flujo 7 Fuente: (ESRI, 2015) 4. VEGETACIÓN (MAPA DE COBERTURA, PROFUNDIDAD DE RAÍCES DEPENDIENDO DE LAS ESPECIES DE COBERTURA PRESENTES) Para el modelo hidrológico TETIS es fundamental la información sobre la presencia de vegetación o cobertura vegetal, puesto que con ella obtiene información necesaria para la creación de mapas como el de almacenamiento estático del suelo (Hu); además del cálculo de evapotranspiración que también es necesario para el funcionamiento del Tanque 1, relacionado directamente con el almacenamiento estático nombrado anteriormente. Para ingresar información sobre los tipos de cobertura presentes en el área de estudio es necesario contar con un mapa de uso de suelo a la escala más detallada posible para encontrar coberturas más específicas. Dicho mapa debe ser transformado a formato ASCII desde el sistema de información geográfica (SIG) que se esté utilizando, puesto que el modelo hidrológico TETIS solo lee información numérica. Del mapa de cobertura vegetal y su respectiva leyenda se deben obtener las siguientes características: o o o o Profundidad de raíces de los tipos de cobertura presentes en el área Índice de cobertura vegetal (ICV) Almacenamiento en depresión Interceptación de las hojas (Cantidad de agua que almacenan las plantas en hojas y tallos) La información nombrada anteriormente se obtiene de bibliografía teniendo en cuenta el tipo de cobertura encontrada en los mapas. En el caso de Europa existen bases de datos que cuentan con esa información referente a las coberturas presentes en la leyenda del Corine Land Cover. En otros países no es tan fácil encontrar dicha información por lo tanto es posible adaptar la información europea teniendo en cuenta la relación y parecido en la leyenda del Corine adaptada para el propio país. 8 A continuación, se presenta un ejemplo de adaptación de unas de las variables nombradas anteriormente a la leyenda Nivel 3 de Corine Land Cover adaptada para Colombia, de las coberturas presentes en la cuenca del Neusa. Tabla No. 1: Profundidad de raíces según la leyenda Nivel 3 de Corine Land Cover para Europa. Clasificación Level 3 (Europa) Raíces Bosque de pinos Bosque caducifolio Bosque de coníferas 1 1.25 Matorrales Bosque mixto Moros y brezales Vegetación esclerófila 1 0.7 0.7 Arbolado-Arbusto Pastos Pastizales Naturales Pastizales naturales Playas, dunas, arena Poco o ninguna Rocas desnudas vegetación Zonas con escasa vegetación 0.7 0.6 0.6 0 0.02 0.02 Zonas quemadas Tierras de cultivo Viñedos en seco con tres cultivos Olivares Tierras de cultivo en seco sin Tierra cultivable no regable cultivos arbóreos Tierras de cultivo Tierra de regadío permanente de regadío Campos de arroz Árboles frutales Cultivos arbóreos Tierra ocupada principalmente por la agricultura, con importantes áreas de vegetación natural Areas agroforestales Cultivos vegetales Patrones de cultivo complejos 0 0.8 Ríos y Arroyos Cuerpos de agua Tejido urbano continuo Tejido urbano discontinuo Unidades industriales o comerciales Redes ferroviarias y terrenos asociados Zonas portuarias Aeropuertos Sitios de extracción mineral Vertederos Sitios de construcción Áreas verdes urbanas 0 0.06 0.1 0.06 0.06 0.1 0.1 0.01 0.06 0.06 0.1 Instalaciones deportivas y de ocio 0.1 Los glaciares y nieves perpetuas 0 Suelo urbano Nieve y glaciares 1.45 0.8 0.5 0.75 1.5 0.75 0.55 0.7 9 Fuente: (Grupo de Investigación en Modelación Hidrológica y Ambiental (GIMHA), 2014) Tabla No. 2: Profundidad de raíces adaptada de Europa de la leyenda Nivel 3 de c para Colombia. Categoría Level 3 (Colombia) Tejido urbano continuo Zonas industriales o comerciales Instalaciones recreativas Tuberculos Cultivos confinados Pastos limpios Mosaicos de pastos y cultivos Mosaicos de pastos, cultivos y espacios naturales Mosaico de pastos con especies naturales Bosque denso Bosque abierto Bosque Fragmentado Bosque de galería y ripario Plantación forestal Herbazal Arbustal Tierras desnudas y degradadas Lagunas, lagos y ciénagas naturales. Zonas de extracción Minera Fuente: elaboración propia. RAÍCES 0.06 0.06 0.1 0.55 0.7 0.6 0.6 0.6 0.6 1 1 1 1 1.25 0.6 0.7 0 0 0 Las tablas anteriores muestran las coberturas existentes en la cuenca del Neusa (Colombia) y en Europa establecidas con la leyenda de Nivel 3 de Corine Land Cover con su respectiva profundidad de raíces (para Europa). Los diferentes colores muestran la relación existente entre las dos leyendas de donde el usuario se guio para obtener el valor de profundidad de raíces, debido a que dicha información no era tan fácil de conseguir en Colombia. 5. PARAMETROS DEL SUELO Para la elaboración de los diferentes mapas de suelo es necesario contar con información previa como: Mapas de geología: Debe contener información de los tipos de material de la formación rocosa propios de la zona para determinar de esta forma características únicas, como por ejemplo, la porosidad. 10 Mapas de suelo: Este mapa debe contener información sobre la unidad de suelo, textura de este, salinidad, compactación, profundidad, porcentaje grava. Las características nombradas anteriormente son fundamentales para el funcionamiento del programa Soil Water Characteristics, con el cual se calcula la conductividad hidráulica del suelo rocoso (KP). Mapas de cobertura vegetal: Incluye la información descrita anteriormente en el numeral 3. 5.1. SOIL WATER CHARACTERISTICS El programa Soil Water Characteristics es necesario para el caculo de la conductividad hidráulica del suelo rocoso, contenido de agua disponible en el suelo, capacidad de campo, punto de marchitez (necesarios para el funcionamiento de TETIS), a partir de: Textura de suelo: Es la proporción en la que se encuentran las partículas agrupadas por el tamaño de diámetro en el suelo, ya sea en arena, arcilla y limo (Vazquez Amabile, 2009). Materia Orgánica (%): La cantidad de materia orgánica es necesaria debido a que tiene un efecto en la capacidad de retención de agua y en la conductividad hidráulica debido a la influencia de agregación de suelo y asociación de poros (Vazquez Amabile, 2009). Es importante tener en cuenta que el software solo analiza valores menores al 8% de MO. Contenido de grava (%): LA presencia de grava en el suelo genera una disminución de la matriz del suelo donde el agua puede ser almacenada o conducida, aumentando de esta forma la densidad y disminuyendo el contenido de agua disponible en el suelo. El software acepta unidades en % de volumen y % de peso (Vazquez Amabile, 2009). Salinidad: Determina una condición en la que el agua dentro del suelo contiene sales solubles que pueden perjudicar los cultivos presentes debido a su capacidad de incrementar la toxicidad de ciertos iones disminuyendo así la cantidad de agua útil para los cultivos (Vazquez Amabile, 2009). Compactación: Consiste en una densificación del suelo según su espacio poroso, acomodando el contenido de humedad del suelo con variaciones en la densidad normal. El aumento de la compactación aumenta directamente el volumen de los poros entre la capacidad de campo y saturación. El programa manejas escalas de: 0.9 para “Loose” (Suelo suelto), 1.0 para “Normal”, 1.1 para “Dense”, 1.2 para “Hard”, y 1.3 para “Sever” (Vazquez Amabile, 2009). Las variables nombradas anteriormente se obtienen del mapa de tipo de suelo de la zona, en algunos casos es necesario realizar revisión bibliográfica y obtener los datos bajo información de textura y tipo de suelo encontrados. A continuación, se muestra una imagen de la pantalla inicial del software y los parámetros de entrada: Ilustracion No. 1: Software Soil Wáter Characteristics 11 En la parte superior de la imagen, en el botón de “Options” se despliega una ventana donde se la opción de cambiar las unidades para los parámetros de entrada; facilitando la entrada de algunos datos puesto que no siempre se consiguen en las unidades dadas por defecto. 5.2. Hu El mapa de almacenamiento estático del suelo (Hu), es realmente importante para el funcionamiento del modelo TETIS ya que en él se basa la articulación del primero de sus tanques, denominado almacenamiento capilar o estático, el cual representa el recorrido del agua dentro de la cuenca suponiendo que solo sale en forma de evaporación (REFERENCIA). El Hu depende directamente de 4 variables calculadas previamente: 𝑯𝒖 = 𝐴𝑙𝑚. 𝑆𝑢𝑝. +𝐴𝑊𝐶 _ 𝑇𝑂𝑃 ∗ 𝑀𝐼𝑁 (𝑃𝑟𝑜𝑓. 𝑅𝑎í𝑐𝑒𝑠; 𝑅𝑂𝑂) Donde: Alm. Sup. Almacenamiento en charcos (mm). AWC_TOP Contenido óptimo de agua disponible en el suelo (mm/m). Prof. Raíces Profundidad de raíces dependiente del tipo de cobertura (m). ROO Profundidad del suelo antes de encontrarse con un obstáculo (m). Nota: Para el cálculo del Hu, todos los mapas necesarios para la solución de la ecuación deben estar en formato raster para poder realizar el cálculo entre mapas directamente. 5.2.1. Almacenamiento en charcos El almacenamiento en charcos, depende directamente del porcentaje de pendiente del terreno (mapa e pendientes). Si es un terreno plano el almacenamiento se 12 obtendrá de la siguiente ecuación, siempre y cuando la pendiente sea menor a 7% (Grupo de Investigación en Modelación Hidrológica y Ambiental (GIMHA), 2014). 𝑨𝒄𝒉𝒂𝒓𝒄𝒐𝒔 = 10 − 130𝑖 𝑖 < 0.075 Para los valores de pendiente mayores a 7, el almacenamiento en charcos va a ser de o puesto que todo el agua escurriría y no tendría donde almacenarse. 5.2.2. AWC_TOP Es el agua potencialmente aprovechable por las plantas y/o cultivos existentes en la zona (Petillo, Puppo, Hayashi, & Morales, 2012). Para el cálculo del contenido de agua disponible en el suelo, es necesario tener previamente información sobre la capacidad de campo (CC) y punto de marchitez (PMP), los cuales se obtienen del software Soil Water Characteristics. Como resultado se obtiene que tanto volumen de agua puede almacenar el suelo y el rendimiento que un cultivo podría desarrollar. El contenido de agua disponible en el suelo es la diferencia entre la capacidad de campo y punto de marchitez (Petillo, Puppo, Hayashi, & Morales, 2012). Debido a que dichas variables se encuentran en porcentaje de volumen (%), se debe tener en cuenta que por cada 10 cm de suelo se encuentra X cantidad de volumen en mm; por lo tanto para el resultado final se requiere una conversión previa debido a que es necesario tener la unidades en mm/m para el cálculo del Hu. 𝐦𝐦 𝐀𝐖𝐂𝐓𝐎𝐏 ( ) = (𝐂𝐂 − 𝐏𝐌𝐏) ∗ 𝟏𝟎 𝒎 5.2.3. Profundidad de raíces Es necesario que los valores de profundidad de raíces se encuentren en metros y sean los estipulados para cada tipo de cobertura presente. Este mapa debe encontrarse en formato raster. 5.2.4. ROO El ROO, es conocido como la profundidad del suelo antes de encontrarse con un obstáculo, es decir, la altura del perfil superficial del suelo. Por lo tanto podría considerarse como el promedio de la altura inicial a la altura final (antes del manto rocoso). La manera de obtener este dato es realizando una revisión bibliográfica con la primicia del perfil de suelo y las características de este; o la segunda opción es realizar visitas de campo. 5.3. Kp La capacidad de percolación del sustrato de la parte inferior del suelo (Kp) depende directamente del tipo de suelo, pudiendo ser: roca, roca meteorizada, paleosuelo o un depósito. Este valor se obtiene de bibliografía. En el caso específico para la cuenca del Neusa, Colombia, se utilizó la siguiente tabla: 13 Tabla No. 3: conductividad hidráulica del substrato rocoso Kp Fuente: (Giabattista, 2014) 5.4. Ks Conocida como la conductividad hidráulica saturada del suelo. Se define como la capacidad de los poros en conducir o transmitir agua de un punto a otro. Depende directamente de la compactación, fracturación, materiales y heterogeneidad del suelo. Sus unidades son de velocidad (m/s) pero para el modelo TETIS es necesario introducirlas en mm/h (Montoya Monsalve, 2008). El Ks es uno de los resultados más importantes obtenidos directamente del software Soil Water Characteristics, debido a ser un fichero de entrada necesario para TETIS. 5.5. Kps, Ksa, Kss Partiendo del hecho que el Kps hace referencia a la capacidad de perdida, Kss a la velocidad de interflujo y Ksa es la velocidad de flujo; y que estos valores se obtienen de campo (Giabattista, 2014). En caso dado de no tener información sobre dichos parámetros; se realiza la siguiente hipótesis, donde: Ks=Kss, Kp=Ksa y Kps= 0.1Kp (Giabattista, 2014). Por lo tanto la correcta obtención de los valores referentes al Kp y Ks son fundamentales para el buen funcionamiento de TETIS. 5.6. HUMEDAD DEL SUELO Es la cantidad de agua que puede contener el suelo teniendo en cuenta las características físicas de este. También es uno de los parámetros de salida del software Soil Water Characteristics resultando en %, debido a que TETIS requiere 14 dicha información en mm se debe multiplicar el porcentaje por la profundidad total del suelo, además de multiplicarlo por 10 para resultar en mm (siempre y cuando la profundidad del suelo esté en cm). 6. MAPAS SUB-MODELO DE SEDIMENTOS (ECUACIONES FACTORES, BIBLIOGRAFÍA DE FACTORES) DE LOS Para el correcto funcionamiento del sub-modelo de sedimentos de TETIS, se deben incluir seis ficheros (mapas en formato .ASCII) adicionales a los anteriores. Dichos mapas contienen información del porcentaje de arena, limo y arcilla; además de los 3 factores de suelo determinado por la USLE, “Ecuación de pérdida del suelo”, por sus siglas en ingles. 6.1. PORCENTAJE DE ARENA, LIMO Y ARCILLA El porcentaje de arena, limo y arcilla se obtienen directamente de bibliografía teniendo en cuenta la textura del suelo, es decir, si este es franco arenoso, franco arcilloso, entre otras categorías. Se recomienda tener en cuenta como referencia los estudios de la FAO sobre el tema de textura de suelo. Para TETIS, es necesario introducir tres mapas diferentes donde en cada uno se tenga la información sobre el porcentaje de arena, arcillo y limo; esta información debe estar relacionada directamente con el mapa de suelo utilizado para los cálculos anteriores, se recomienda el Soil Survey Manual Introduction del Natural Resources Conservation Service de Estados Unidos (a partir de la página 64 en adelante). 6.2. FACTOR C USLE También conocido como Factor Vegetación. Representa la cubierta protectora del suelo con respecto a las plantas frente al impacto de los eventos de lluvia y el flujo superficial. Se expresa como la pérdida anual del suelo en una determinada cubierta vegetal (Ibañez Asensio, Moreno Ramon, & Gisbert Blanquer). Para la obtención del factor C se debe realizar una búsqueda bibliográfica respecto al tipo de vegetación y de cultivo existente en la zona necesaria, puesto que hay bases de datos ya establecidas como por ejemplo la de Wischmeier y Smith que está determinada experimentalmente para los cultivos propios de Estados Unidos. 6.3. FACTOR K USLE El factor K expresa la susceptibilidad del suelo a sufrir pérdidas por erosión según características propias como la textura, estructura, estabilidad y % de grava, entre otros. La estabilidad es importante, debido a que si esta es mayor se da una disminución de pérdida de suelo en un evento de lluvia determinado (Ibañez Asensio, Moreno Ramon, & Gisbert Blanquer). Para el cálculo del factor K, es necesario realizar la siguiente ecuación: 100 ∗ 𝐾 = [(10−4 ∗ 2.71) ∗ 𝑀1.14 ∗ (12 − 𝑎)] + (4.2 ∗ (𝑏 − 2)) + 3.2 ∗ (𝑐 − 3) Donde: M= Factor representativo de la textura (100 - %arcilla)*(%limo + arena) A= Porcentaje de materia orgánica (%MO) 15 B= # correspondiente de la estructura (Nomograma adjunto a continuación) C= Permeabilidad del perfil Figura No.1: Nomograma valor del factor K Fuente: (Wischmeier & Smith, 1978) En caso dado de no contar con la información nombrada anteriormente, el factor K puede obtenerse a partir de bibliografía teniendo en cuenta la textura del suelo de la zona, la cual se encuentre en el siguiente link. https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/16850/AD%20%20K%20USLE.pdf?seque nce=1 6.4. FACTOR P USLE También conocido como el factor de prácticas de conservación. Refleja la eficacia en el control de erosión implantada en diferentes medidas conservacionistas (Ibañez Asensio, Moreno Ramon, & Gisbert Blanquer). El valor de dicho factor también es encontrado por bibliografía dependiendo directamente de la pendiente, terraza de desagüe y de infiltración con contrapendiente. A continuación, se muestran los valores de Factor P establecidos por Wischmeier y Smith. 16 Tabla No. 4: Valores del factor P Fuente: (Wischmeier & Smith, 1978) 7. CREACIÓN DEL FICHERO DE EVENTO El modelo hidrológico TETIS acepta y funciona con dos diferentes formatos de archivo para la información meteorológica de entrada: Formato de intercambio tipo CEDEX y formato columna, el modelo da la posibilidad de escoger el tipo de formato de entrada y salida de resultados. La diferencia entre ambos formatos radica en la organización de la información, debido a que esta puede ser organizada en columnas o filas. Ambos tipos de archivo pueden crearse manualmente por el usuario en formato texto (.TXT). Debido a la cantidad de datos que se manejan para el funcionamiento del modelo (en la mayoría de casos son eventos con información horaria o diaria), se ha creado un nuevo software como ayuda a la Creación del Evento meteorológico en TETIS. A continuación se muestra un ejemplo de la ventana inicial del software y se da una explicación de su funcionamiento: Ilustración No. 2: Crea fichero de eventos para TETIS 17 Para el funcionamiento del CreaEventoTETIS se deben seguir los siguientes pasos: 1. Inicialmente se deben completar los parámetros y el número de estaciones. A continuación se hace la descripción de los parámetros iniciales: Número de pasos de tiempo hace referencia a la cantidad de datos que se tiene, es decir, si son datos diarios y el evento sería de dos años el número de pasos de tiempo serían 730. Si fueran datos horarios en un evento de un día la cantidad de pasos de tiempo sería de 24. Resolución temporal (minutos) se refiere al cambio en el tiempo dependiendo de la información que se tenga puesto que puede ser de tipo horaria o diaria, siendo el primer caso sería una resolución de 60 minutos y en el segundo de 1440 minutos (la cantidad de minutos que hay en un día). El Número de estaciones cuenta con 11 diferentes campos que se refieren al tipo y cantidad de estaciones de las que se tiene información, ya que estas pueden ser pluviométricas, climatológicas y limnográficas. Están divididas también por la utilización de la información, por ejemplo, tienen dos estaciones limnográficas pero una de ellas se encuentra al final de la cuenca y la otra a la salida del embalse por lo tanto no se ponen en el mismo campo sino la primera como punto de aforo y la segunda como Caudal a la salida del embalse. 18 2. 3. 4. Formato en este campo se encuentran dos opciones: CEDEX y Columna, estas se refieren a la forma en que el software organiza los datos en el archivo resultante; la diferencia entre los formatos fue explicada anteriormente. A continuación se debe hacer click en el número 1 el cual habilita el segundo compartimento: Características de las estaciones. Automáticamente se generan la cantidad de campos que se escribieron en el paso anterior donde se seleccionaron el número de estaciones. Dentro de la tabla generada se encuentran los siguientes campos: COD: En este campo se encuentran las letras definidas para cada una de las estaciones, como se puede observar en el módulo anterior se encuentran letras en paréntesis siendo la forma en que TETIS identifica el tipo de estación. Este campo es rellenado por el propio CreaEventoTETIS. NOMBRE: Es el nombre o código de la estación por la cual el usuario las identifica. Debe ir dentro de comillas dobles para que el modelo TETIS pueda leerlo. UTM X – UTM Y: Hacen referencia a las coordenadas de las estaciones, estas deben encontrarse en el sistema UTM igual que todos los mapas ingresados en TETIS. Cota: La cota es la altura en la que se encuentran ubicadas las estaciones, en caso dado de no tener dicha información, se recomienda ponerle a todas las estaciones una elevación de 100 metros. Luego de tener la información de las estaciones completas se da click en el número 2 ubicado en el costado derecho de la pantalla, este botón habilita el módulo tres en el cual se despliega una tabla donde sus filas hacen referencia a cada cambio en el tiempo donde se tiene información de las series temporales de cada una de las estaciones. Las columnas son cada una de las estaciones escritas en el paso 1. La ventaja es que en esta tabla las estaciones salen en el orden necesario para que TETIS pueda leerlo. Teniendo ya la tabla de las estaciones con la información climática, se da click en el botón número tres para poder guardar el archivo en la ubicación deseada. A continuación se muestra un ejemplo del fichero en tipo columna creado en el software CreaEventoTETIS: Ilustración No. 3: Fichero del evento creado manualmente Tipo Columna 19 Fuente: (Frances Garcia, Velez Upegui, Munera Estrada, Medici, Bussi, & Real Llanderal, 2014) A pesar de que existe el CreaEventoTETIS, algunas personas prefieren realizar el Fichero del Evento manualmente, pero para eso se debe tener en cuenta varias recomendaciones: Sin importar que el fichero se vaya a realizar en formato CEDEX o Columna, se debe tener en cuenta que ambos deben tener en el encabezado una línea que empiece con la letra F, la cual hace referencia a la fecha y hora de inicio de la serie temporal con la que se cuenta. La información del período de simulación en número de intervalos y el intervalo temporal en minutos, son necesarios e indispensables para la creación del fichero; esto es lo mismo que el Número de pasos y resolución de tiempo dentro del CreaEventoTETIS, respectivamente. Para incluir dicha información se debe crear una línea que empiece con la letra G. Debe existir una descripción previa de las estaciones, donde se incluya el nombre, las coordenadas y la elevación. Para el nombre, este debe ser puesto dentro de comillas dobles y todas las estaciones deben tener la misma cantidad de caracteres dentro de las comillas; por lo cual es necesario agregar espacios sencillos si algunos nombres son más largos que otros. Las coordenadas deben estar esperadas en dos columnas, donde se haga referencia a la coordenada en X y la coordenada en Y, en sistema UTM. La elevación debe estar en metros y si no se tiene conocimiento de esta deberá ser rellenada con 100 en todas las estaciones. 20 Se debe considerar la existencia de datos faltantes que no serán estimados, por lo tanto los espacios serán rellenados con valores específicos ya estipulados con el objetivo que el modelo TETIS pueda reconocerlos y hacer su respectiva interpolación. Para la información correspondiente a caudales líquidos, solidos, evaporación, precipitación, niveles, volúmenes de embalses y altura de nieve se deben rellenar los datos faltantes con valores de -1. En el caso de la temperatura se debe realizar con valores de -99. Las series temporales deben seguir específico además de una letra determinada que permite identificarlas. A continuación se muestra el orden en que debe ir la información y la manera de nombrarlas entre paréntesis: Precipitación en mm (P) Niveles de embalses en metros (N) Volúmenes de embalses en Hm3 (V) Las salidas observadas en los embalses en m3/s (S) Serie de caudales en m3/s (Q) Puntos donde no se tiene serie de caudales pero se desea realizar simulación en m3/s (B); por lo anterior, dicha celda puede encontrarse vacía. Altura de nieve en mm (H) Registros de temperatura en ºC (T), esta información es requerida por el modelo para el caso de realizar fusión de nieve. Evaporación media en las últimas 24 horas, en mm/día ( E ) Existen puntos fuente/sumideros de los cuales se tiene información de caudales, la cual puede ser negativa y dada en m3/s (D) Puntos de aforo de sedimentos, es necesario activar el sub-modelo antes de incluir este valor dentro del fichero. * No es necesario dentro del fichero agregar toda la información climatológica descrita anteriormente, pero si es necesario tener en cuenta el orden cuando se tengan más de 3 parámetros. Si el archivo que se va a crear es de tipo columna, se debe tener en cuenta que dentro de la información la primera columna debe hacer referencia al cambio en el tiempo (DT en minutos) y todas las filas que hayan dentro de estas deben empezar con un espacio en blanco. Sin importar el tipo de formato que se desee crear, no se puede olvidar que si la información es copiada y pegada de una base de datos normalmente aparecerán espacios grandes que separa cada columna o dato, llamados Tabulaciones. Estas tabulaciones deben ser eliminadas debido a que el modelo TETIS no las lee y causaría error al interpretar el fichero de entrada; para esto se debe copiar ese espacio grande y reemplazarlo como un o dos espacios normales (en bloc de notas se da la opción de reemplazar en Edición/Reemplazar/reemplazar todo). Se debe reemplazar en todo el archivo puesto que en la mayoría de veces hay más de una tabulación. Se aconseja realizar un encabezado dentro del fichero donde se especifique la ubicación de este y el nombre del proyecto. Para estas líneas que no son necesarias para el modelo o los espacios entre líneas se debe iniciar con un *, para que TETIS no lea filas innecesarias. 21 A continuación se muestra un ejemplo de un fichero tipo CEDEX y uno tipo Columna: Ilustración No. 4: Fichero del evento creado manualmente Tipo CEDEX Fuente: (Frances Garcia, Velez Upegui, Munera Estrada, Medici, Bussi, & Real Llanderal, 2014) Ilustración No. 5: Fichero generado manualmente tipo Columna 22 Fuente: Elaboración propia. 8. CALCULO DE EVAPORACIÓN (PENMAN MONTHEIT) El modelo hidrológico TETIS, por su estructura de tanques considera la evaporación y evapotranspiración (evaporación generada por las plantas) necesarias, la primera como serie temporal meteorológica (en resolución temporal diaria u horaria) y la segunda como fichero en formato .TXT directamente relacionado con las clases de cobertura existentes en la zona, este fichero puede ser ingresado por el usuario (resolución temporal mensual) o generado por el software. Se recomienda obtener la evaporación a partir del método de Penman Montheith. Para esto es necesario tener información de temperatura máxima, mínima, media y radiación extraterrestre de la zona (esta última se obtiene de bibliografía, teniendo en cuenta los grados de la longitud y latitud de la zona de estudio). A continuación, se muestra la ecuación de la evaporación: 𝐸𝑇𝑜 = 900 0.408 ∆(𝑅𝑛 − 𝐺) + 𝛾 ∗ 𝑇 + 273 𝑢2 (𝑒𝑠 − 𝑒𝑎 ) ∆ + 𝛾(1 + 0.34 ∗ 𝑢2 ) Dónde: ETo Evapotranspiración de referencia (mm/día) Rn Radiación neta en la superficie del cultivo Ra Radiación Extraterrestre (mm/día) G Flujo del calor de suelo (MJ/m2día) T Temperatura media del aire a 2 metros de altura (ºC) U2 Velocidad del viento a 2 metros de altura (m/s) Es Presión de vapor de saturación (kPa) Ea Presión real de vapor (kPa) ∆ Pendiente de la curva de presión de vapor (kPa/ºC) 𝛾 Constante psicrométrica (kPa/ºC) Como referencia bibliográfica se recomienda el documento “Estudio FAO riego y drenaje: No. 56: Evapotranspiración de cultivo” de la FAO, donde se estipulan los parámetros y pasos para el cálculo ETo. 9. MODELO TETIS TETIS es una herramienta útil para el análisis, la planificación y gestión de recursos hídricos y de sedimentos en las cuencas, mediante la subdivisión de la cuenca en celdas o pixeles, la cual se basa en eventos de precipitación o fusión de nieve y características del suelo y la vegetación. 23 Este modelo consiste en 5 tanques conectados entre sí; en el cual se realiza una interpolación para la obtención de una mejora en la respuesta hidrológica. El primer tanque consiste al almacenamiento estático, donde la salida está relacionada con la evaporatranspiración y la precipitación o fusión de nieve, en el segundo tanque se presenta el almacenamiento en superficie, en la cual el agua que no se infiltra en el suelo es decir la conductividad hidráulica del suelo se escurre superficialmente. El tercer tanque es un almacenamiento gravitacional es decir la capacidad del subsuelo en almacenar y transportar agua y el resto que queda se convierte en escorrentía. El ultimo tanque corresponde (IIAMA, 2016). 9.1. Configuración de entrada del modelo TETIS Antes de iniciar un nuevo proyecto se debe tener en cuenta que los productos obtenidos anteriormente con el pre procesamiento de datos deben estar ubicados en una carpeta, la cual es preferible que no tenga otras subcarpetas y se recomienda que esta carpeta se encuentre en una ubicación de fácil acceso, es decir una dirección de la carpeta corta, ya que si esto no sucede el programa TETIS no podrá leer correctamente la carpeta con los archivos de entrada. Al iniciar un nuevo proyecto primero debemos ir a la opción “proyecto/nuevo proyecto”. Aunque en esta pestaña también se podrán encontrar otras opciones como cargar proyecto, editar proyectos ya existentes, abrir carpeta de trabajo, cerrar proyecto y salir de TETIS Ilustración No. 6: pestaña Proyecto 9.1.1. Opciones Datos del proyecto Una vez hecho esto aparecerá un pantallazo de configuraciones iniciales como se muestra en la ilustración 5. El primer paso es darle un nombre al proyecto, por defecto se encuentra con el nombre FileSSP.txt. Este cambio de nombre se puede realizar en la opción “Nombre fichero de proyecto actual (*txt)”. 24 Ilustración No. 7: pestaña opciones Para el segundo paso se deberá ubicar la carpeta de archivo anteriormente mencionada por medio del botón , en la cual aparecerá una ventana de búsqueda, donde se deberá ubicar la carpeta de archivos iniciales. Tenga en cuenta que una vez hecho esto le aparecerá por defecto la dirección de la carpeta seleccionada para las siguientes opciones: Directorio del fichero de proyecto y directorio de trabajo. Procesos En esta parte de la configuración el usuario podrá elegís que tipos de procesos necesitas para la realización de su trabajo, entre ellos se encuentra cobertura de nieve, existencia de embalse y recorte de cuenca (embalse). Este último recorta un embalse para que el modelo no tenga el área en cuenta en el proceso. Sub- modelos Aquí se podrá escoger que tipo de modelos ejecutar junto al modelo hidrológico, como son modelación de sedimentos, vegetación dinámica, nitrógeno y fenómenos kársticos. Tenga en cuenta que si activa algunas de estas opciones el modelo dará la oportunidad al usuario de agregar información necesaria para la ejecución del submodelo. Calibración En esta opción se podrá escoger que calibración automática se quiere aplicar al proyecto ya sea hidrológica o también de sedimentos. Si activa esta opción podrá hacer la calibración en la “optimización automática (UCE-UA)” 25 Formato de fichero de episodio En esta opción se deberá escoger el modo en el cual se crearon los ficheros del evento ya sea en formato cedex (fila) o columna. Recuerde que si esta opción no es escogida correctamente la interfaz no podrá leer el archivo de entrada correctamente. 9.1.2. Configuración ficheros general En esta opción se podrá visualizar los requerimientos del programa los cuales estarán con sus nombres por defecto, tenga en cuenta que los archivos que estén en color rojo y amarillo se deberán buscar en la carpeta de archivos iniciales por medio del botón . En la cual aparecerá una pantalla de búsqueda de los archivos como muestra en la ilustración 9. Una vez seleccionado oprima el botón cargar. Tenga en cuenta que debe elegir correctamente el archivo de entrada para cada parámetros que esto puede generar error en el funcionamiento del modelo. Ilustración No. 8: pestaña configuración de fichero inicial 26 Ilustración No. 9: selección de archivos iniciales 9.1.3. Configuración ficheros de sedimentos 27 Para que esta opción sea activada, recuerde seleccionar en la pestaña “opciones” en la sección sub-modelos la opción “sedimentos”. Si esto ya se realizo podrá cargar los ficheros de sedimentos con el mismo procedimiento descrito en el numeral anterior. Ilustración No. 10: configuración ficheros de sedimentos 9.1.4. Estados iniciales En esta pestaña se podrán colocar los valores iniciales de la región a estudiar. En esta pestaña se podrá ingresar un fichero de entrada para los estados iniciales de la cuenca ya sea hidrológicos o de sedimentos, si este no es el caso se podrán configurar los estados iniciales para hidrología en la parte inferior en la pestaña región 1, y en sedimento en la parte inferior en la sección de condiciones iniciales de sedimentos. Ilustración No. 11: estados iniciales y finales 28 Una vez el usuario termine las configuraciones iniciales y que de satisfecho, podrá guardar al proyecto en el botón “guardar proyecto y salir” que aparece en la parte derecha de la pantalla. Y si este no es el caso podrá salir en el botón de “salir sin guardar” 9.2. Visualización de mapas Es esta opción se podrán visualizar los mapas gráficamente y verificar si los datos fueron correctamente ingresados. En esta opción se podrán visualizar los mapas de estaciones climáticas, los mapas de parámetros de entradas y mapas de parámetros de sedimentos. Ilustración No. 12: opciones de visualización de mapas 29 9.3. Simulación El primer paso para la simulación es la generación de los estados los ficheros topológicos y edafológicos los cuales se encuentra en la opción “simulación” y luego dar clic en “generar fichero topológico y edafológico”, inmediatamente aparecerá un pantallazo el cual le indicara el cálculo de los parámetros mencionados anteriormente. Recuerde que si usted ya ingreso los ficheros edafológicos y topológicos, como se indica en la sección 9.1.2. Se puede omitir este paso. Ilustración No. 13: opciones de simulacion En el paso 2 se deberá calcular los estados iniciales hidrológicos y de sedimentos, en los cuales se podrá ingresar los datos necesarios para la modelación de la cuenca, como se muestra en la siguiente ilustración. Recuerde que si ya se hizo esta configuración anteriormente este paso podrá ser omitido. 30 Ilustración No. 14: Estados iniciales hidrológicos y de sedimentos Como último paso se podrá lanzar la simulación, en esta parte del proceso aparecerá un pantallazo en el cual se encuentra los factores de corrección hidrológicos y de sedimentos de los cuales el usuario podrá cambiar, pero sin embargo se podrá modelar con los factores por defecto. Una vez el usuario este satisfecho podrá lanzar la simulación con el botón “Guardar y lanzar simulación” Ilustración No. 15: ventana de simulación 31 32 10. RECOMENDACIONES GENERALES FUNCIONAMIENTO DE TETIS PARA EL CORRECTO Los archivos de entrada deberán estar e una carpeta guardada en una parte de fácil acceso o con una dirección de búsqueda corta. Ya que si esto no se cumple el programa no podrá leer correctamente los archivos. Para la utilización de TETIS la configuración de la lectura de los decimales del computador debe estar en punto (.) y no en coma (,). El modelo hidrológico TETIS no acepta más de 1’000.000 de píxeles en los mapas (formato .ASCII) ingresados; por lo tanto se recomienda ajustar el área de estudio con el tamaño de píxel de tal forma que se cumpla dicha restricción. Todos los mapas introducidos como ficheros al programa TETIS deben ser en formato .ASCII y el número de filas y columnas debe ser igual para todos, de igual forma el tamaño de celda. Todos los mapas y estaciones ingresadas en el programa debe estar georeferenciada en sistema de coordenadas UTM. En caso dado de tener las estaciones meteorológicas en otro tipo de coordenada, se recomienda subir al sistema de información geográfica utilizado con las coordenadas de origen y transformarlas directamente allí obteniendo las coordenadas reales de la transformación y utilizar estas en el fichero de entrada. En caso dado de no tener información de la altura de las estaciones de aforo se coloca a todas las estaciones altura de 100 metros. De igual forma, se recomienda verificar la altura de las estaciones de aforo para el fichero de entrada ya que este debe concordar con la altura del píxel del DEM en que se encuentra la estación. Se debe verificar la red de drenajes previamente de la modelación, de tal forma que estos concuerden y se adecúen al DEM y curvas de nivel de la zona; se recomienda hacerlo con curvas de nivel de cada 10 metros. En caso dado de tener un terreno de elevación plano, se recomienda tener una resolución del DEM bastante alta principalmente para el tratamiento de este y generación de los mapas derivados. Las estaciones de aforo deben estar sobre una celda de acumulación del mapa de acumulación de flujo, para que TETIS pueda realizar la simulación de caudales correctamente. En caso dado de que no pase de esta forma, se recomienda como primera opción verificar en la realidad las coordenadas de las estaciones y por última correr la estación a la celda más cercana y cambiar las coordenadas a las correspondientes a dicha celda. Las estaciones de aforo deben estar al final de la cuenca y sobre el drenaje principal para que el área acumulada calculada por TETIS sea correcta dependiendo del área de drenaje de la estación y datos de aforo. 33 11. Bibliografía ESRI. (2015). ArcGIS for desktop. Recuperado el 2016, de http://desktop.arcgis.com/es/desktop/latest/tools/spatial-analyst-toolbox/howflow-accumulation-works.htm Frances Garcia, F., Velez Upegui, J. J., Munera Estrada, J. C., Medici, C., Bussi, G., & Real Llanderal, J. (2014). Manual del Usuario progama TETIS v. 8.3.0. Valencia. Giabattista, B. (2014). Implementation of a distributed sediment model in different data availability scenarios. Valencia: Universidad Politecnica de Valencia. Grupo de Investigación en Modelación Hidrológica y Ambiental (GIMHA). ( 2014). Modelando agua, crecidas y sedimentos con TETIS 8.2: estimacion de parametros. Valencia, España. Ibañez Asensio, S., Moreno Ramon, H., & Gisbert Blanquer, J. M. Ecuacion universal de perdida de suelo (USLE). Valencia: Universidad de Valencia. IIAMA. (2016). IIAMA. Obtenido http://www.iiama.upv.es/iiama/src/ficha_software.php?id=9 de Montoya Monsalve, J. J. (2008). Desarrollo de un modelo conceptual de produccion, transporte y deposito de sedimentos. Valencia: Universidad Politecnica de Valencia. Petillo, G., Puppo, Hayashi, & Morales. (2012). Metodologia para determinar los parametros los parametros hidricos de un suelo a campo. Montevideo. Vazquez Amabile, G. (2009). Introducción al programa “Soil Water Characteristics”:Hydraulic Properties Calculator. La Plata: Universidad Nacional de la Plata. Wischmeier, & Smith. (1978). Predicting rainfall erosion losses. Washington.