ModelaciModelacióón hidroln hidrolóógica de la cuenca gica de la cuenca del rdel ríío La Sierra.o La Sierra.

Dr. Khalidou M. Bâ

UUniversidad niversidad AAututóónoma del noma del EEstado de stado de MMééxicoxico

CentroCentro Interamericano deInteramericano de Recursos del AguaRecursos del Agua

Colaboradores

Bâ, K.M. UAEM

Díaz-Delgado, C. UAEM

Díaz-Mercado, V. UAEM

Gama, L UJAT

Guerra-Cobian, V.H. UANL

Magaña-Hernandez, F. UAEM

Quentin, E. UAEM

Financiamiento: Proyecto UJAT

"Análisis de variables relacionadas al cambio climático e indicadores de monitoreo de su impacto en zonas de conservación"

El "estudio hidrológico integral de la cuenca del río La Sierra" forma parte del macroproyecto de la UJAT "análisis de variables relacionadas al cambio climático e indicadores de monitoreo de su impacto en zonas de conservación" con la colaboración de investigadores del CIRA de la UAEM, de la UJAT y de la UANL. En las etapas preliminares del proyecto se ha calibrado y validado el modelo hidrológico CEQUEAU para la simulación de los gastos medios diarios de la cuenca hasta la estación hidrométrica Pueblo Nuevo. La información hidrometeorológica utilizada corresponde al periodo 1965 a 1999. Los periodos 1965-1993 y 1994-1999 se utilizaron respectivamente en los procesos de calibración y validación de los parámetros del modelo. Los resultados de las simulaciones han sido ampliamente satisfactorios en términos del criterio numérico de Nash y de criterios gráficos. Por otro lado, los resultados de las simulaciones de los hidrogramas del periodo 2000-2008, han resaltado la existencia de diversos datos dudosos en los caudales observados.

Este trabajo continuara durante los próximos dos años, validando la información hidrometeorológica y calibrando el modelo CEQUEAU en todas las estaciones del río La Sierra. Adicionalmente se presentan de forma sucinta otros trabajos complementarios tales como “modelación de la cuenca del Río La Sierra con el modelo PIHMgis” y “Uso de precipitaciones estimadas por Satélite para la simulación de escurrimientos del río La Sierra”, entre otros, mismos que se realizan en forma paralela y que contribuirán al conocimiento hidrológico de esta región afectada por inundaciones.

RESUMEN

••11 INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN••22 EL MODELO CEQUEAUEL MODELO CEQUEAU••33 METODOLOGMETODOLOGÍÍAA••44 RESULTADOSRESULTADOS••55 DEMOSTRACIDEMOSTRACIÓÓN DE USO DEL MODELON DE USO DEL MODELO••66 TRABAJOS FUTUROS EN EL MARCO DEL PROYECTOTRABAJOS FUTUROS EN EL MARCO DEL PROYECTO••77 PROYECTOS RELACIONADOSPROYECTOS RELACIONADOS••88 CONCLUSIONESCONCLUSIONES

CONTENIDOCONTENIDO

I INTRODUCCIÓN

H

H

H

O O O1

1

3

2

2 3Caudal

Altu

ra

I INTRODUCCIÓN

Río Oiartzun en RenteriaRío Senegal en Bakel

Regresión,Correlación

Probabilísticos Estocásticos

Estadísticos

Lineales No lineales

Empíricos

Físicos

Globales Matriciales(distribuidos)

Analíticos

Conceptuales

Determinísticos

Modelos matemáticos en hidrología

I INTRODUCCIÓN

I INTRODUCCIÓN

Los dos tipos de modelos hidrológicos utilizados en hidrología, para reproducir el escurrimiento en una cuenca son: los llamados globales y distribuidos. Un modelo global hace un promedio de la precipitación y de las características fisiográficas en toda la cuenca. En cambio un modelo distribuido divide a la cuenca en una malla de cuadros, para poder tomar en cuenta las características físicas de la cuenca y sus variaciones tanto en tiempo como en espacio.

1. Introducción

1. Introducción

Los SIG son la

herramienta indicada

Demandan el desarrollo de aplicaciones

computacionalespara el estudió de

las cuencas hidrológicas

Demandan el desarrollo de aplicaciones

computacionalespara el estudió de

las cuencas hidrológicas

1. Introducción

Modelos hidrológicos

El modelo hidrológico CEQUEAU se desarrolló en el Instituto Nacional de la Investigación Científica-Agua (INRS-EAU) de la Universidad de Québec, Canadá, para reproducir el escurrimiento de una cuenca.Es un modelo hidrológico de parámetros distribuidos; en donde la cuenca estádividida en superficies elementales o cuadros, lo cual le permite al modelo calcular los caudales en cualquier cuadro y tener en cuenta las variaciones espacio temporales de las características fisiográficas.

2. MODELO CEQUEAU

A B

C A

B AC

B

AB

B

A

CA

B A B

A

B

A

B

10 11 12

10

11

12

I

J

PARTEAGUAS PARTEAGUAS INTERNOSRED DE DRENAJE DIRECCIÓN DEL FLUJO

Discretización de la cuenca en CEQUEAU-ONU(Adaptada de Morin y Paquet, 1995).

El modelo CEQUEAU consta de dos partes, cuyo objetivo es modelar:• Comportamiento del flujo vertical (función de producción) - altura de

agua por cuadro. • Representa las vías que toma el agua en la red de drenaje cuando llega

al suelo y al río (función de transferencia).

Lluvia Fusión de nieve

Lagos y ciénegas

Suelo

Subsuelo

Función de transferencia

Infiltración

Evaporación

Función de producción

Producciónsobre 1

6 0 %4 0 %

Producciónsobre 2

Producciónsobre 3

Producciónsobre 4

7 5 %2 5 %

100% 75%25%

100%40%

60%

Función deTransferenciaA

B

A

A

AB

QA1 Q B1

Q A2 QA4 Q B4

Q A3

A

A

A

AB

B

B

A

1 2

3 4

Ejemplo de aplicación de CEQUEAU

Río Amacuzac (México)

NTD=0.977 NTD=0.999

NTD=0.992 NTD=0.977

Río Senegal (África)

Río Senegal en Manantali

Río Senegal en Bakel

2. Modelo CEQUEAU

2. Modelo CEQUEAU

CLICOM

Información meteorológicaInformación meteorológica

BANDAS

Información hidrométricaInformación hidrométrica

US Geological Survey

Modelos digitales de elevación

Modelos digitales de elevación

CONABIO

Cobertura: Usos de sueloCobertura: Usos de suelo

2. Modelo CEQUEAU

Datos meteorológicos

Datos meteorológicos

Datos hidrométricosDatos hidrométricos

CLICOM o ERIC IICLICOM o ERIC IICLICOM o ERIC II BANDASBANDASBANDAS

2. Modelo CEQUEAU

Datos meteorológicos

Datos meteorológicos Datos hidrométricosDatos hidrométricos

2. Modelo CEQUEAU

Datos meteorológicos

Datos meteorológicos

Datos hidrométricos

Datos hidrométricos

ERIC IIIERIC IIIERIC III BANDASBANDASBANDAS

2. Modelo CEQUEAU

Datos meteorológicos

Datos meteorológicos Datos hidrométricosDatos hidrométricos

Datos necesarios para la utilizaciDatos necesarios para la utilizacióón del modelo CEQUEAUn del modelo CEQUEAU

El modelo CEQUEAU requiere de diferentes datos de entrada para evaluar los caudales generados en cada cuadro parcial. Los datos de entrada se pueden dividir de la siguiente manera:•Datos fisiográficos.•Datos de la cuenca.•Datos hidrometeorológicos.Además de estos tipos de datos, se necesita llevar a cabo un proceso de calibración para determinar los parámetros del modelo utilizando los datos hidrométricos históricos.

2. Modelo CEQUEAU

2. Modelo CEQUEAU

Datos generales de los cuadros

(*.PHY)

Base de datos hidrométricos,

meteorológicos y de calidad.

Datos de cuenca

vertiente (*.BV)

Datos de los ríos (*.RIV)

Estaciones hidrométricas

y meteorológicas

(*.DHM)

Estaciones(calidad)(*.DQ)

Datos fisiográficos

Datos hidrométricos

y meteorol.

Datos cualitativos

Datos fisiográficos preparados

(*.PRB)

Parámetros (cantidad)

(*.PAH)

Datos hidrométricos

meteorológicos preparados

(*.HMC)

Parámetros (calidad) (*.PAQ)

Datos de calidad preparados

(*.QUA)

Simulación (cantidad)

Simulación (cantidad y

calidad)

Cantidad(*.SIM)(*.DJO)(*.DSP)(*.DFI)(*.TPF)(*.ERS)(*.ESN)(*.ETA)(*.MAJ)(*.PRE)(*.PMT)

Calidad(*.SIM)(*.TEM)(*.SSU)(*.ODI)(*.DBO)(*.SDI)Archivos

preparados por el usuario.Archivos generados por el tratamiento de los datos.Tratamiento de los datos.

Leyenda

Datos no preparados Módulos para la preparación de

datosDatos preparados Módulos para la

simulaciónResultados de la

simulación

Modelo CEQUEAU para la simulación de cantidad y cal idad de aguaModelo CEQUEAU para la simulación de cantidad y cal idad de agua

ZONA DE ESTUDIOZONA DE ESTUDIOEl río La Sierra tiene su origen en el altiplano central de Chiapas, con el nombre de río Chacte , en las inmediaciones de los poblados Oxchuc y Pantelho; pasa por la población de Sitalá y se dirige hacia el noroeste, recibiendo las aportaciones del río Plátanos a la altura de Simojovel, Chiapas. y un poco más adelante las del río Zacatic; aguas abajo antes de cruzar el límite de los estados de Tabasco y Chiapas toma el nombre de río Oxolotán; sigue su curso y pasa junto a la población de Tacotalpa, Tabasco, de donde toma el nombre de río Tacotalpa, hasta su confluencia con el río de Teapa, para formar juntos el río La Sierra, que confluye al río Grijalva, a 400 metros aproximadamente, aguas abajo del puente La Majahua, arriba de Villahermosa.

#

(

#N

EW

S

40 0 40 80 KilometersCuencaRed hidrográficaRío La Sierra

# Estación hidrométrica Pueblo Nuevo (30016)

3. METODOLOGÍA

Variable mmPrecipitación (Thiessen) 2270Eto (Thornthwaite) 1030Lámina Escurrida 1300

Qmedio (1965-2008):208m3/s

Qmax. 6/12/1990: 1270 m3/sT=200 años;

Qmax 2/11/2007: 1092 m3/sT=28 años

Qmax. 1/10/2008: 1159 m3/s

T=50 años

1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 99Probabilidad (%)

600

800

1000

1200

1400

Cau

dal

(m

3/s

)

Observaciones

LOG PEARSON 3

LOG PEARSON 3

PARAMETROS FISIOGRÁFICOS

La obtención de los parámetros fisiográficos de la cuenca, la discretización de la misma, el sentido de los flujos en cada cuadro, así como los archivos requeridos por el modelo CEQUEAU (*.PHY, *.BV), se obtuvo de las cartas topográficas E15-8 y E15-11 escala 1: 250 000, editadas por el Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática (INEGI).

Red hidrográficaRío La SierraCuencaCartas Topográficas : E15-8 y E15-11

N

EW

SE15-8

E15-11

CuencaÁrea (km2) 4779Perímetro (km) 686Altura media (m) 908Pendiente media (grados) 0.37Pendiente media (%) 0.64Longitud máxima (km) 228.14Coeficiente de Compacidad 2.78Factor de Forma 0.09Radio de Elongación 0.34Radio de Circularidad 0.13Centroide (x) 534945.421Centroide (y) 1902962.41

Parámetros fisiográficos

Red de DrenajeNúmero Total de Corrientes 255 Longitud Total de Corrientes (km) 1508.04 Orden Máximo de Corrientes (Strahler) 5 Densidad de Corrientes 0.0471Densidad de Drenaje 0.3156Relación Media de Confluencia 3.9 Número de Corrientes Estimado 311 Altura máxima (m) 2500

Corriente PrincipalLongitud Total (km) 226.96 Longitud Axial (km) 117.58 Pendiente media (%) 0.96 Altura mínima (m) 10 Altura máxima (m) 2500

#

#

#

##

OXOLOTÁN

PUEBLO NUEVO

TAPIJULAPAPUYACATENGO

TEAPA

N

EW

S

10 0 10 Kilometers

CuencaRed hidrográfica

# Estaciones Hidrométricas

460000

460000

480000

480000

500000

500000

520000

520000

540000

540000

560000

560000

580000

580000

600000

600000

1860000 1860000

1880000 1880000

1900000 1900000

1920000 1920000

1940000 1940000

1960000 1960000

INFORMACIINFORMACIÓÓN HIDROMETEOROLN HIDROMETEOROLÓÓGICAGICASe utilizaron datos de caudal medio diario de las estaciones: 30016-Pueblo Nuevo (1965 a 1999), 30093-Tapijulapa (1965 a 1999), 30111-Oxolotán (1966 a 1999), 30031-Puyacatengo (1976-1999) y 30032-Teapa (1951-199).

La estación Pueblo Nuevo está situada a 26 kilómetros al sur de Villahermosa, Tabasco y a 800 metros aguas abajo de Pueblo Nuevo de las Raíces, en el municipio Centro del estado de Tabasco.

Se emplearon datos de precipitación diaria de 41 estaciones meteorológicas localizadas dentro y fuera de la cuenca. Las bases de datos utilizadas en la preparación de los archivos hidrometeorológicos fueron: El Banco Nacional de Datos de Aguas Superficiales BANDAS (CNA, 2000) y el CLICOM

#

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# #

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#

#

#

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#

#

#

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# ##

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#

#

#

N

EW

S

8 0 8 Kilometers

CuencaRed hidrográfica

# Estaciones Meteorológicas

500000

500000

520000

520000

540000

540000

560000

560000

580000

580000

1860000 1860000

1880000 1880000

1900000 1900000

1920000 1920000

1940000 1940000

1960000 1960000

Información para estaciones fuera de servicio

Información para estaciones actualizadas

Información de estaciones no actualizadas

Sin información

1 7005 ALMANDRO, HUITIUPAN2 7015 BOCHIL, BOCHIL3 7030 CHAMULA, CHAMULA4 7032 CHAPULTENANGO5 7033 CHENALHO, CHENALHO6 7036 CHILIL, HUIXTAN7 7064 FINCA MORELIA, TILA8 7071 GUAQUITEPEC, CHILON9 7076 HUISTAN, HUISTAN10 7087 LA CABA¥A, S.C.LAS CASAS11 7122 OCOSINGO, OCOSINGO (SMN)12 7125 OXCHUC, OXCHUC13 7128 PICHUCALCO (SMN)14 7147 SAN JOAQUIN, PICHUCALCO15 7149 SAN PEDRO CHENALHO16 7160 SIMOJOVEL DE A. (DGE)17 7167 TAPILULA, TAPILULA18 7177 YAJALON, YAJALON19 7186 FINCA EL ESCALON, AMATAN20 7188 IXTAPA, IXTAPA (CFE)21 7193 PICHUCALCO (DGE)22 7194 RAYON, RAYON23 7195 SABANILLA, SABANILLA24 7198 SIMOJOVEL DE A. (SMN)25 7207 LARRAINZAR, LARRAINZAR26 7217 SOLOSUCHIAPAN27 7355 UNION ZARAGOZA, JITOTOL28 27011 DOS PATRIAS, TACOTALPA29 27019 JALAPA, JALAPA (DGE)30 27024 LA HUASTECA, TEAPA (DGE)31 27027 LOMAS ALEGRES, TACOTALPA32 27037 PUEBLO NUEVO, CENTRO33 27042 TAPIJULAPA, TACOTALPA34 27043 TACOTALPA, TACOTALPA35 27044 TEAPA, TEAPA (DGE)36 27045 TEAPA,TEAPA (SMN)37 27061 PUYACATENGO, TEAPA (DGE)38 27068 CAMPO EXP. PUYACATENGO,39 27070 OXOLOTAN, TACOTALPA DGE40 27081 PRESIDENTE V. GOMEZ F.,41 27092 PLAYAS DEL ROSARIO

2005

2006

2007

2001

2002

2003

2004

1995

1996

1997

1998

1999

2000

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1971

1972

1973

1974

1975

1976

2008No Clave Nombre 1968

1967

1966

1965

1969

1970

CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓNLa calibración del modelo se efectuó variando los parámetros que gobiernan el proceso. La verificación del ajuste de las simulaciones del modelo CEQUEAU se realizómediante un criterio de evaluación numérico (función objetivo) y gráficos (hidrogramas, histogramas, etc.). El criterio numérico utilizado para cuantificar la precisión de los resultados fue el propuesto por Nash-Sutcliffe (1970), el cual relaciona los caudales observados con los calculados por el modelo.

Qobs Qcal201.79 202.72 0.46220.63 203.10 7.95205.07 202.88 1.07

Error absoluto

1965-1999

PeriodoCalibración ValidaciónPeriodo de simulación

0.98120.88830.9786

Coeficiente de Nash Caudales medios (m3/s)

1965-19931994-1999

4. RESULTADOSCalibración

Calibración

No Año Coeficiente de Nash

Caudales medios (m3/s) Error absoluto (%)Qobs Qcal

1 1965 0.8706 182.48 196.13 7.482 1966 0.8813 206.23 216.99 5.223 1967 0.8500 181.97 214.15 17.684 1968 0.7938 174.13 216.53 24.355 1969 0.8752 214.85 214.32 0.256 1970 0.8880 221.30 243.14 9.877 1971 0.8318 147.88 162.63 9.978 1972 0.8109 140.72 154.52 9.819 1973 0.8281 206.86 251.13 21.4010 1974 0.8942 212.21 247.03 16.4111 1975 0.9193 178.10 208.20 16.9012 1976 0.8950 222.69 229.02 2.8413 1977 0.8549 149.81 153.52 2.4814 1978 0.9024 222.08 230.24 3.6715 1979 0.8837 262.87 231.95 11.7616 1980 0.8970 225.02 214.49 4.6817 1981 0.8968 281.63 261.52 7.1418 1982 0.9292 212.50 206.19 2.9719 1983 0.9162 160.96 171.02 6.2520 1984 0.9071 238.59 226.78 4.9521 1985 0.8318 166.52 161.56 2.9822 1986 0.7858 175.42 151.10 13.8622 1987 0.8280 160.49 169.85 5.8322 1988 0.9350 211.95 223.57 5.4822 1989 0.8870 229.39 195.32 14.8522 1990 0.8368 222.17 182.13 18.0222 1991 0.7534 187.44 161.53 13.8222 1992 0.8313 235.62 205.22 12.9022 1993 0.8354 206.03 177.89 13.66

Nash Máximo (1988): 0.9350

Nash Mínimo(1991): 0.7534

Qobs Qcal201.79 202.72 0.46220.63 203.10 7.95205.07 202.88 1.07

Error absoluto

1965-1999

PeriodoCalibración ValidaciónPeriodo de simulación

0.98120.88830.9786

Coeficiente de Nash Caudales medios (m3/s)

1965-19931994-1999

Validación

Validación

No Año Coeficiente de Nash

Caudales medios (m3/s) Error absoluto (%)Qobs Qcal

1 1994 0.8182 160.28 158.80 0.922 1995 0.9332 283.70 281.73 0.693 1996 0.7415 285.97 235.43 17.674 1997 0.7310 214.65 171.40 20.155 1998 0.6938 124.56 133.99 7.576 1999 0.9189 254.02 240.28 5.41

Simulación para el periodo 2000-2008

Esta información ha sido obtenido recientemente de modo que no ha sido utilizada en el periodo de calibración y validación

Año Nash Caudal medio (m3/s)Qobs Qcal

2000* 0.7496 1584 14862001* 0.4935 1007 12242002 0.7788 1360 12522003 0.8340 1356 11752004* 0.6988 1118 9672005 0.7818 1047 8922006 0.7414 1683 14422007 0.7986 1349 14842008* 0.7598 1745 1508

* Hidrogramas observados tienen anomalías (caída brusca anormal, Q constante varios días mientras hay precipitación, Q negativo…

5. DEMOSTRACIÓN DE USO DEL MODELO

6.6. TRABAJOS FUTUROSTRABAJOS FUTUROS

� Validación de la información hidrometeorologica dudosa.

� Actualización de las bases de datos.

� Calibración y validación del modelo para todo el periodo 1965-2009 en las diferentes subcuencas del río La Sierra.

7.7. PROYECTOS RELACIONADOS (en curso)PROYECTOS RELACIONADOS (en curso)

� Tesis de maestría: “Diseño geomático del modelo hidrológico CEQUEAU para cuencas no controladas” (Alumno: Ing. Vitali Díaz Mercado).� Modelación de la cuenca del Río La Sierra con el

modelo PIHMgis (Duffy et al.).� Tesis de maestría: “Integración y análisis espacial

de la estimación de precipitación con imágenes de radar meteorológico” (Alumno: Lic. Iván Vilchis Mata).� Uso de precipitaciones estimadas por Satélite para

la simulación de escurrimientos del río La Sierra (Bâ et al.)

8. CONCLUSIONESLa información disponible permitió realizar simulaciones para el periodo de 1965 a 1999. Se logró calibrar y validar el modelo hidrológico CEQUEAU hasta la estación hidrométrica Pueblo Nuevo. Los resultados de la modelación hidrológica fueron ampliamente satisfactorios, ya que se obtuvieron valores del coeficiente de NASH de 0.9812 para el periodo de calibración, y para el periodo de validación de 0.8883. En el periodo de simulación global se obtuvo un valor de coeficiente de Nash igual a 0.9786. Las simulaciones de los caudales diarios del periodo 2000-2008 han resaltado la presencia de diversos datos dudosos.

Dado que estos resultados son preliminares, se trabajará en el marco de este proyecto en la recopilación completa de la información hidrometeorológica hasta 2009, en la validación de esta información y la calibración del modelo en las estaciones hidrométricas ubicadas en el río La Sierra.

Finalmente, los trabajos complementarios tales como “modelación de la cuenca del Río La Sierra con el modelo PIHMgis” y “Uso de precipitaciones estimadas por Satélite para la simulación de escurrimientos del río La Sierra”, entre otros, mismos que se realizan en forma paralela y que contribuirán al conocimiento hidrológico de la cuenca del río La Sierra.

GRACIASGRACIAS