“EVALUACIÓN DE LA VULNERABILIDAD Y RIESGO CLIMÁTICO DE LA GENERACIÓN DE HIDROENERGÍA POR LOS EFECTOS DE LA VARIABILIDAD Y CAMBIO CLIMÁTICO, ASÍ COMO LA IDENTIFICACIÓN DE MEDIAS DE ADAPTACIÓN Y GENERACIÓN DE UN MECANISMO DE SEGUIMIENTO Y MONITOREO DE LA CAPACIDAD ADAPTATIVA” CASO DE ESTUDIO DE LA SUBCUENCA DEL RÍO MACHÁNGARA Cuenca – Ecuador 2020 MODELACIÓN HIDROLÓGICA APLICACIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS Descripción del modelo Método Soil Moisture Accounting Consideran los procesos en las capas inferiores del suelo que aportan al caudal total Modelación de eventos Modelación continua Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) es un modelo de base física y semidistribuido diseñado por los ingenieros de las fuerzas armadas de Estados Unidos. Método del Soil Conservation Service Considera los procesos a nivel superficial que generan escorrentía directa (no incluye pérdidas) La simulación híbrida Contabilidad de la humedad del suelo Estimar las pérdidas producto de la evapotranspiración, características de la superficie de la zona de estudio Estimar la escorrentía generada por el flujo sub-superficial Número de curva e hidrograma unitario del SCS Estimar la escorrentía superficial Componentes del modelo Modelo de la Cuenca: Se ingresan los parámetros de modelación y las características de la zona. Modelo Meteorológico: Se ingresan datos de precipitaciones, evapotranspiración. Especificaciones de control: Se indica el tiempo de modelación. MODELO DE LA CUENCA HEC-GeoHMS Complemento en ArcGIS que ayuda al procesamiento de información y la definición de las características de la subcuenca para posteriormente ingresarla a HEC-HMS. Información de ingreso Red fluvial Información de salida Mapas de usos y tipo de suelo Número de microcuencas MDT (Modelo de elevación Digital) Áreas de aporte Cauces de flujo Subcuenca del Machángara con un área de drenaje de 5 Km2 Microcuencas del Machángara Microcuenca Machángara Alto Chulco Machángara Bajo Aforos Chanlud Labrado - Área de aporte (Km2) 89.19 39.62 126.84 . Visualización del esquema dentro de HEC-HMS Simulación e introducción de datos en HEC-HMS Módulo de pérdidas Separan la porción de precipitación que genera escorrentía de la precipitación total. Módulo de transformación Determina el comportamiento de la zona de estudio al momento de generar escorrentía superficial debido a la precipitación neta o efectiva, considerando el tiempo que toma esta precipitación en llegar al punto de salida de la subcuenca. Módulo de flujo base Estima el agua subterránea poco profunda que contribuye al flujo de la corriente durante un evento de precipitación. No existen acuíferos Simulación del flujo subsuperficial Módulo de pérdidas Almacenamiento inicial Dosel Almacenamiento máximo Evapotranspiración Almacenamiento inicial Superficie Almacenamiento máximo Abstracción inicial Pérdidas Número de Curva Impermeabilidad Módulo de transformación Hidrograma unitario del Tiempo de retardo SCS Módulo de flujo Base Agua subterránea inicial 1 Reservorio lineal Coeficiente de agua subterránea 1 El modelo necesita de 11 parámetros; a excepción de la evapotranspiración, número de curva e impermeabilidad, los 9 parámetros restantes fueron calibrados manualmente. Número de curva Parámetro empírico que se calcula con el método desarrollado por el Servicio de Conservación de Suelos (SCS). Determina un umbral de escorrentía mediante un número adimensional en curvas estandarizadas. En donde: 0: No existe escurrimiento (todo se infliltra) 100: Toda la precipitación generará escurrimiento Se obtiene mediante la reclasificación de los mapas de uso de suelo y tipo de suelo del área de estudio Información de ingreso Mapas de usos y tipo de suelo de la subcuenca Tablas de clasificación de usos y tipo de suelo propuesta por el SCS. Información de salida Mapa del número de curva para la subcuenca Reclasificación de textura del suelo para el Machángara Equivalencias entre las clases de textura y los grupos hidrológicos del SCS Grupo hidrológico Grupo A Grupo B Grupo C Grupo D Descripción Textura Baja capacidad para generar escorrentía. Moderada capacidad para generar escorrentía. cuando lo suelos están completamente mojados. Capacidad de generación de escorrentía moderadamente alta cuando los suelos se encuentran completamente húmedos. Alto potencial de escorrentía y baja infiltración. Arenas o gravas profundas. Moderadamente finas a moderadamente gruesas. Moderadamente fina a fina. Arcillosa profunda. poco Características del suelo en la subcuenca Tipo de suelo Textura Eriales o afloramientos rocosos Área urbana Cuerpo de agua Moderadamente Inceptisol gruesa Moderadamente Alfisol gruesa y fina Mollisol Fina Vertisol Fina Moderadamente Histosol gruesa Clasificación SCS D D D B C C C B Reclasificación de uso del suelo para el Machángara. Clasificación de usos de Suelo del SCS. Clasificación original Número Descripción 11 Agua a cielo abierto 90 Humedales leñosos 95 Humedales herbáceos emergentes 21 Poblados en espacios abiertos 22 Poblados de baja intensidad 23 Poblados de mediana densidad 24 Poblados de alta densidad 41 Bosques secos 42 Bosques verdes 43 Bosques mixtos 31 Tierra fértil 52 Arbustos/matorrales 71 Pastizales/herbáceas 81 Pasto/heno 82 Cultivos Reclasificación Número Descripción 1 Agua Cobertura/Uso 2 Residencial 3 Bosque 4 Agricultura Pastizal Erial o afloramiento rocoso Cuerpos de agua Páramo Cultivo Área poblada Bosque nativo Clasificación SCS 4 2 1 4 4 2 3 Valor del número de curva para la subcuenca del Machángara. Valor del número de curva según intersección de uso de suelo reclasificado y textura de suelo reclasificada. Valor de uso de suelo Descripción A B C D 1 Agua 100 100 100 100 57 72 81 86 2 Medio residencial 3 Bosque 30 58 71 78 4 Agricultura 67 77 83 87 Parámetros del Modelo HEC-HMS y valores empleados en la modelación Módulo de pérdidas Almacenamiento inicial Dosel Almacenamiento máximo Evapotranspiración Almacenamiento inicial Superficie Almacenamiento máximo Abstracción inicial Pérdidas Número de Curva Impermeabilidad Módulo de transformación Hidrograma unitario del Tiempo de retardo SCS Módulo de flujo Base Agua subterránea inicial 1 Reservorio lineal Coeficiente de agua subterránea 1 Machángara Alto 1.5 0 0 2.4 3.5 74.11 0 Chulco 1.5 0 0 2.4 3.5 74.05 0 Unidad % mm % mm mm 3194.7 2864.6 min 4.5 5 m3 /s 4957.4 2578.1 hr % MODELO METEOROLÓGICO Información disponible Para estaciones a emplearse: CORDENADAS NOMBRE PERIODO VARIABLES X Y DISPONIBLE Chanlud 718622 9703602 2000-2018 precipitación, temperatura y caudal Labrado 714219 9697772 2000-2018 precipitación, temperatura y caudal. Cálculo de ETp 𝐸𝑇𝑝 = 𝑒 ∗ 𝑁 12 𝑑 30 Donde: e: evapotranspiración mensual sin ajustar (mm/mes). N: número máximo de horas de sol, en función del mes y la altitud. d: número de días del mes. Método de Thornthwaite Fundamenta su metodología de cálculo en la temperatura media, la cual se corrige con la duración astronómica del sol y el número de días del mes para obtener valores diarios de evapotranspiración. ESPECIFICACIONES DE CONTROL Calibración y validación En HEC-HMS se realiza una modelación semidistribuida. Los datos meteorológicos e hidrológicos son ingresados a escala diaria. Debido a la información disponible los periodos de calibración y validación fueron establecidos de la siguiente forma: Etapa Inicio Fin Calentamiento 01/01/2000 31/12/2000 Calibración 01/01/2001 31/12/2014 Validación 01/01/2015 31/12/2018 Periodo de calentamiento Calibración manual Validación Periodo de ajuste de los parámetros Variación de parámetros del modelo Mantener los parámetros de calibración RESULTADOS Eficiencia del modelo Valores Referenciales de NashSuctlifee a escala diaria Índice de eficiencia Kling-Gupta (KGE). 𝐾𝐺𝐸 = 1 − 𝐶𝐶 − 1 2 + 𝑐𝑑 −1 𝑟𝑑 2 𝑐𝑚 + −1 𝑟𝑚 2 Calibración y validación NASH < 0.2 0.2 – 0.4 0.4 – 0.6 0.6 – 0.8 > 0.8 Donde: Tiempo establecido: 1año Periodo de calentamiento CC: Valor del coeficiente de correlación de Pearson. cd: Desviación estándar de los valores observados. rd: Desviación estándar de losmanual valores simulados. Calibración cm: Promedio de los valores observados. rm: Promedio de los valores de simulados. Almacenamiento inicial en la superficie Almacenamiento inicial en el dosel Impermeabilidad Agua subterránea inicial 1 Validación Número de Curva Tiempo de retardo Coeficiente de agua subterránea 1 AJUSTE Insuficiente Satisfactorio Bueno Muy Bueno Excelente No influyen en el volumen del caudal simulado RESULTADOS Resultados de la calibración Punto de monitoreo Periodo Estación Chanlud Estación Labrado 2001-2014 Índice de eficiencia KGE 0.56 0.49 Bueno Bueno Ambos programas los valores fluctúan entre < 0.4 y 0.6 que según los valores referenciales de Nash-Suctlifee se encuentran en Bueno. 0 01.янв.14 01.янв.13 01.янв.12 01.янв.11 01.янв.10 01.янв.09 01.янв.08 01.янв.07 10 01.янв.06 15 Qobs 01.янв.05 20 01.янв.04 30 20 01.янв.03 Qsim 01.янв.02 25 Q (m3/s) 40 01.янв.01 01.янв.14 01.янв.13 01.янв.12 01.янв.11 01.янв.10 01.янв.09 01.янв.08 01.янв.07 01.янв.06 Qobs 01.янв.05 01.янв.04 35 01.янв.03 01.янв.02 01.янв.01 Q (m3/s) . Hidrograma de caudales simulados y observados en HEC-HMS durante la calibración en Chanlud Hidrograma de caudales simulados y observados en HEC-HMS durante la calibración en Labrado Estación de Chanlud Estación de Labrado 25 Qsim 15 10 5 5 0 RESULTADOS Resultados de la Validación Punto de monitoreo Periodo Estación Chanlud Estación Labrado 2015-2018 Índice de eficiencia KGE 0.55 0.60 Bueno Bueno Ambos programas los valores fluctúan entre < 0.4 y 0.6 que según los valores referenciales de Nash-Suctlifee se encuentran en Bueno. . Hidrograma de caudales simulados y observados en HEC-HMS durante la validación en Chanlud Hidrograma de caudales simulados y observados en HEC-HMS durante la validación en Labrado Estación de Chanlud Estación de Labrado 30 Qobs 12 Qsim 25 Q (m3/s) Q (m3/s) Qsim 10 20 15 10 8 6 4 5 2 0 01.янв.15 Qobs 01.янв.16 01.янв.17 01.янв.18 0 01.янв.15 01.янв.16 01.янв.17 01.янв.18
