2016 GUIA METODOLOGICA PARA EL REPROCESAMIENTO DE DATOS Y LA EJECUCION DEL MODELO HIDROLOGICO TETIS

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2016
GUIA METODOLOGICA PARA EL
REPROCESAMIENTO DE DATOS
Y LA EJECUCIÓN DEL MODELO
HIDROLOGICO TETIS
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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)”.
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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)”
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 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
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Ilustración No. 9: selección de archivos iniciales
9.1.3. Configuración ficheros de sedimentos
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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
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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
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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.
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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.
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11. Bibliografía
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desktop.
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el
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Grupo de Investigación en Modelación Hidrológica y Ambiental (GIMHA). ( 2014).
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Obtenido
http://www.iiama.upv.es/iiama/src/ficha_software.php?id=9
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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.