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Prospectivas y Aplicaciones del Modelo Hidrológico
SWAT:
Adaptación del modelo para su uso en la Cuenca
Hidrográfica del Canal de Panamá
Presentado por: Jordan Oestreicher
Estudiante de Maestría
Universidad de McGill
Montreal, Québec
Canadá
Resumen
• Introducción y contexto
• El modelo SWAT
• Calibración, validación y evaluación del
modelo
• Aplicaciones
I: Modelación del crecimiento del cultivo de piña
II: 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 Spatial
Analyst, 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
Observed Flow
Simulated Flow
Precipitation
0
25
50
20
100
Flow (m3/s)
15
200
250
10
300
350
5
400
0
450
19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 3
W eek (2004 - 2005)
6
9 12 15 18 21 24
Precipitation (mm)
150
Calibración y Validación del flujo de
agua
calibration
10
R2 = 0.79
validaiton
9
ENS = 0.78
Linear (calibration)
8
Linear (validaiton)
Simulated flow (m3 /s)
R2 = 0.76
7
ENS = 0.77
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
Observed flow (m 3 /s)
7
8
9
10
Calibración y Validación del flujo base
calibration
8
validation
Simualted Baseflow (m3/s)
7
Linear (calibration)
R2 = 0.82
Linear (validation)
ENS = 0.66
6
R2 = 0.78
5
ENS = 0.76
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
Observed Baseflow (m3/s)
5
6
Calibración y Validación del flujo base
7
6
Observed Baseflow
Simulated Baseflow
4
3
2
1
W eek (2004 - 2005)
24
21
18
15
12
9
6
3
52
49
46
43
40
37
34
31
28
25
22
0
19
Flow (m2/s)
5
Calibración y Validación del
sedimento
R2 = 0.8303
2500
ENS = 0.69
R2 = 0.4735
Simulated Sediment (Mg)
2000
ENS = 0.31
1500
1000
Calibration
Validation
500
Linear (Calibration)
Linear (Validation)
0
0
500
1000
1500
Observed Sediment (M g)
2000
2500
3000
Calibración y Validación del
sedimento
Simulated Sediment
Observed Sediment
Simulated Flow
Observed Flow
0
5000
2
4
4000
8
3000
10
2000
12
14
1000
16
0
18
2004
2005
2006
Year
Flow (m3 /s)
Sediment (Mg)
6
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
Aplicación I:
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
100000
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
Reducciones de
erosión:
Bosque: -62%
Pastos: -58%
Piña
Boseque
Año
20
47
20
45
20
43
20
41
20
39
20
37
20
35
20
33
20
31
20
29
Pasto
20
27
20
25
Sedimento cumulativo (Mg/ha)
• 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?
Rendimiento de
agua:
Bosque: +5%
Pastos: +1%
Aplicación II:
Modelación de diferentes escenarios de cobertura vegetal
• 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?
200
Pasto
Rendimiento de Agua (mm)
180
Reducciones de
erosión:
Bosque: -62%
Pastos: -58%
Bosque
160
Piña
140
120
100
80
60
40
20
0
ene
feb
mar
abr
may
jun
jul
Mes
ago
sep
oct
nov
dic
Rendimiento de
agua:
Bosque: +5%
Pastos: +1%
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
160
BAU
Rendimiento de agua (mm)
140
HADCM2
120
HADCM3
Reducciones:
100
80
60
HADCM2: -5%
HADCM3: -6%
40
20
0
ene
feb
mar
abr
may
jun
jul
M es
ago
sep
oct
nov
dic
Aplicación III:
Modelación de los efectos de los cambios climáticos
HADCM 3
HADCM 2
30000
BAU
25000
Reducciones:
20000
15000
HADCM2: -5%
HADCM3: -6%
10000
5000
Año
47
20
45
20
43
20
41
20
39
20
37
20
35
20
33
20
31
20
29
20
27
20
25
0
20
Rendimiento de agua cumulativo (mm)
ñ
35000
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?