Presentado por: Jordan OestreicherEstudiante de Maestría Universidad de McGill

Montreal, Québec Canadá

Prospectivas y Aplicaciones del Modelo HidrológicoSWAT:

Adaptación del modelo para su uso en la Cuenca Hidrográfica del Canal de Panamá

Resumen

• Introducción y contexto• El modelo SWAT• Calibración, validación y evaluación del

modelo• Aplicaciones

I: Modelación del crecimiento del cultivo de piñaII: Modelación de diferentes usos del suelo III: Modelación de cambios climáticos

• Conclusiones

La Cuenca Hidrográfica del

Canal de Panamá y la zona de investigación

• El rendimiento y el flujo de agua

• Brinda agua para:

– La generación de electricidad (34%)

– El agua potable en las áreas urbanas (7%)

– Las operaciones del canal (59%)

• Problemas:

– La sedimentación de los reservorios

– Los cambios climáticos

– Aumenta de la demanda de agua

Expansión del cultivo de piña en

las subcuencas

• ¿Que impacto tiene?

– Aumento del sedimento

– Cambios en el rendimiento de agua

• ¿Implicaciones para las operaciones del Canal?

SWAT (Soil and Water Assessment Tool)

• Modelo hidrológico con componentes distintos:– Escurrimiento: método SCS-Curve Number

– Erosión: método MUSLE

– Recarga y flujo de aguas subterráneas

– Evapotranspiración: tres modelos

– Transporte de químicos y de nutrientes

– Calidad de agua

– Clima: WXGEN método estadístico

– Crecimiento de la planta y rendimiento del cultivo

– Prácticas agrícolas y manejo del suelo

Requisitos de SWAT: Programas

• El modelo es accesible – Se puede conseguir en:

www.brc.tamus.edu/swat/

• Plataforma requerida: – ArcGIS 9.2 o ArcView

3.2 o 3.3

– Con la extensión SpatialAnalyst, entre otras.

Requisitos de SWAT: Datos para construir el modelo

• DEM (Modelo Digital de Elevación)– Al menos se recomienda uno de

50 metros• Suelo

– Textura, capacidad de disponibilidad del agua, conductividad hidráulica, profundidad, albedo, contenido de carbono, densidad, entre otros.

– Hasta 10 horizontes• Cobertura vegetal y uso del suelo

– Sensores remotos • Datos climáticos

– Temperatura y precipitación– Otros: humedad, velocidad del

viento, radiación solar, etc.– Datos observados o simulados

Requisitos de SWAT: Datos de suelo

• Los datos de suelo disponibles:– Textura

– Materia orgánica y contenido de carbono

– Profundidad

• ¿Como obtener los parámetros faltantes?– Ecuaciones para calcular las propiedades hidráulicas

a partir de la textura y materia orgánica

– La capacidad de disponibilidad del agua, la conductividad hidráulica y la densidad

– En este caso, el programa utilizado fue el “Soil Properties Calculator”

– Disponible en: http://hydrolab.arsusda.gov/soilwater/Index.htm

Requisitos de SWAT: Datos climáticos

• Dos estaciones de precipitación en el área de investigación

• Dos estaciones climáticas con datos desde hace 70 años – Temperatura tomada

de esas estaciones

– Datos usados para la construcción del modelo WXGEN

Requisitos de SWAT: Datos para calibrar y validar el modelo

• Flujo de agua y sedimentos suspendidos – Estación aforo con registro

diario– Años 2004 - 2006

• Rendimiento de sedimentos y erosión – Aproximación para diferentes

usos del suelo

Calibración y Validación del flujo de agua

0

5

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25

19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 3 6 9 12 15 18 21 24Week (2004 - 2005)

Flo

w (

m3

/s)

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450

Pre

cipita

tion

(mm

)

Observed Flow

Simulated Flow

Precipitation

Calibración y Validación del flujo de agua

R2 = 0.76

ENS = 0.77

R2 = 0.79

ENS = 0.78

0

1

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Observed flow (m3/s)

Sim

ula

ted

flow

(m3 /s

)

calibration

validaiton

Linear (calibration)

Linear (validaiton)

Calibración y Validación del flujo base

R2 = 0.78

ENS = 0.76

R2 = 0.82

ENS = 0.66

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6Observed Baseflow (m3/s)

Sim

ual

ted

Bas

eflo

w (

m3/

s)

calibration

validation

Linear (calibration)

Linear (validation)

Calibración y Validación del flujo base

0

1

2

3

4

5

6

7

19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 3 6 9 12 15 18 21 24

Week (2004 - 2005)

Flo

w (

m2 /s

)

Observed Baseflow

Simulated Baseflow

Calibración y Validación del sedimento

R2 = 0.4735

ENS = 0.31

R2 = 0.8303

ENS = 0.69

0

500

1000

1500

2000

2500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Observed Sediment (Mg)

Sim

ula

ted

Se

dim

en

t (M

g)

Calibration

Validation

Linear (Calibration)

Linear (Validation)

Calibración y Validación del sedimento

0

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2000

3000

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5000

2004 2005 2006Year

Se

dim

en

t (M

g)

0

2

4

6

8

10

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14

16

18

Flo

w (m

3/s)

Simulated Sediment

Observed Sediment

Simulated Flow

Observed Flow

Para mejorar las simulaciones del modelo en la subcuenca

• Datos de las estaciones aforos – Estaciones ubicadas dentro de la cuenca (mas detalle espacial)

– Amplio tiempo de observación (mas detalle temporal)

• Obtener datos climáticos del área

• Precisar los parámetros del suelo

• Precisar los factores del MUSLE– La piña

• Precisar las simulaciones de diferentes coberturas– Cuantificar el sedimento producido por diferentes usos de

suelo/cobertura vegetal

• Pero, el modelo no puede simular el impacto del ganado

Para mejorar las simulaciones del modelo en la subcuenca

Para mejorar las simulaciones del modelo en la subcuenca

AplicaciónI:

Modificación de parámetros para el cultivo de piña

Aplicación I: La modificación de parámetros del cultivo de piña

• SWAT viene con la capacidad de simular muchos cultivos y plantas, pero la piña no es uno de ellos

• Sin embargo, se puede simular plantas no incluidas en el modelo– Se necesita datos sobre el ciclo de crecimiento – Índice del área de hoja, conversión de energía en biomasa,

absorción de nutrientes, etc.

• Estos datos fueron tomados de la literatura para simular el cultivo de piña– Todavía ningunos son disponibles en Panamá– Fuentes de datos: Hawai, México, Brasil, e Australia

Aplicación I:

La modificación de parámetros del cultivo de piña

Aplicación I:

La modificación de parámetros del cultivo de piña

Aplicación I: Problema con la modificación de parámetros del cultivo

de piña

• Sin embargo, SWAT fue desarrollado para uso en los Estados Unidos– Donde se siembra la mayoría

de sus cultivos en la primavera y se cosecha antes del invierno

– Entonces, todo pasa dentro de un año (Enero - Diciembre)

• La programación del SWAT exige que se coseche todos los cultivos al final de cada año simulado

• Pero, el cultivo de piña toma más de un año para madurar (promedio en Panamá 372 días)

• Un problema que se puede remediar, pero con la ayuda de un programador de ordenador

Aplicación I: Problema con la modificación de parámetros del cultivo

de piña

• Existe otra opción: ALOHA– Un modelo del crecimiento de piña

– Simular los impactos del clima, los nutrientes, la disponibilidad de agua etc. en la planta

– Exitosas simulaciones en África, Australia y Hawai

– Se puede conectar ALOHA con SWAT

Aplicación II:

Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal

Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal

Reducciones de erosión:

Bosque: -62%Pastos: -58%

Rendimiento de agua:

Bosque: +5%Pastos: +1%

• Si todos los cultivos de piña fueron reemplazados con bosques o pastos, ¿En cuánto se reduciría la producción de sedimentos y el rendimiento de agua en la cuenca del Río Caño Quebrado?

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Año

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Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal

Reducciones de erosión:

Bosque: -62%Pastos: -58%

Rendimiento de agua:

Bosque: +5%Pastos: +1%

• Si todos los cultivos de piña fueron reemplazados con bosques o pastos, ¿En cuánto se reduciría la producción de sedimentos y el rendimiento de agua en la cuenca del Río Caño Quebrado?

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Bosque

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Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal

Aplicación II: Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal

• Existe unos problemas con esta predicción

• SWAT no puede simular los impactos del ganado:– Compactación del suelo

– Erosión

• El rendimiento de agua dependería en el especie de árbol y el manejo del bosque:– Plantaciones de Teca vs. Bosques naturales

– Los impactos del crecimiento del bosque

Aplicación III:

Modelación de los efectos de los cambios climáticos

Aplicación III: Modelación de los efectos de los cambios climáticos

• ¿Cómo los cambios climáticos afectarían el rendimiento de agua en la cuenca del Río Caño Quebrado?

• Utilizar escenarios de cambios climáticos – HADCM2 y HADCM3 (HADely center

Climate Models)

– Modelos climáticos muy especializados

• Comparar los resultados con el escenario “Business as usual”

– Donde el uso del suelo no cambia y no hay efectos de los cambios climáticos

Aplicación III: Modelación de los efectos de los cambios climáticos

Reducciones:

HADCM2: -5%HADCM3: -6%

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HADCM2

HADCM3

Aplicación III: Modelación de los efectos de los cambios climáticos

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HADCM2

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Reducciones:

HADCM2: -5%HADCM3: -6%

Otras Aplicaciones

• Efectos de los cambios climáticos sobre el rendimiento de los cultivos– Existe la posibilidad de modelar los efectos de la subida del

dióxido de carbono y de la radiación solar

• Efectos de diferentes prácticas del manejo del suelo– ¿Cuál sería el impacto de usar curvas de nivel o reducir el

arado?

• ¿ Cómo afectarían el riego y el consumo de agua al flujo y el rendimiento de agua?

• Efectos de la urbanización• Y mucho mas…

Conclusiones

• Muchas posibilidades y prospectivas, pero:– Se necesita mejorar la modelación del cultivo de

piña

– Se debe precisar la erosión y sedimento producido por los pastos y la piña

• Predicciones con diferentes escenarios– Cambios climáticos y cobertura vegetal

– Modelación de las prácticas del manejo de suelo• Arado, riego, curvas de nivel o terrazas, etc.

Conclusiones

• La Cuenca Hidrográfica del Canal de Panamá:

• Apoyo en la toma de decisiones – ¿Se debe realizar reforestación en la cuenca?

– ¿Hay otras opciones?

• El modelo SWAT es una herramienta con múltiples aplicaciones– Decidir las buenas prácticas

– Facilita las decisiones: leyes políticas ambientales y sociales

MUCHAS GRACIAS¿Hay Preguntas?