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Presentacion proyecto HEC-HMS

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  • 1. UNIVERSIDAD DE ALCALÁ Y UNIVERSIDAD REY JUAN CARLOS MASTER OFICIAL EN HIDROLOGÍA Y GESTIÓN DE RECURSOS HÍDRICOS PROYECTO DE FIN DE MASTERANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO Autor: Antonio Barranco Salido
  • 2. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO ¿QUÉ ES UN MODELO HIDROLÓGICO? Es una herramienta que permite simular los procesos del ciclo hidrológico mediante alguna estructura, dispositivo, esquema o procedimiento, para lograr una representación simplificada del sistema, y llegar a conocer, analizar y cuantificar sistemas reales.
  • 3. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO ¿POR QUÉ ESTUDIAR LOS MODELOS HIDROLÓGICOS? El conocimiento sobre su robustez y fiabilidad permitirá su uso en la gestión de cuencas hidrológicas CUENCAS MEDITERRÁNEAS Frecuentemente afectadas por intensas lluvias, que provocan Caudales pico inundaciones, con los consiguientes daños económicos y sociales. Estimación disponibilidad Irregularidad en la precipitaciones de recurso ante e importante presión sobre el diversos recurso hídrico escenarios pluviométricos.
  • 4. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO El Río Manubles a su paso por Bijuesca el 16/03/11 El Río Manubles a su paso por Áteca el 16/03/11
  • 5. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO Considerando la variable espacial los modelos pueden ser clasificadosAgregados: promediando las variables respectoal espacio de modo global y constante.Distribuidos: dando valores a cada punto delespacio para una resolución dada dentro de unamalla o grid.Semidistribuidos: dividiendo el espacio en áreaso unidades de respuesta homogénea.
  • 6. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO ¿DE QUÉ DEPENDE LA ELECCIÓN DE UN TIPO U OTRO? Objetivos del estudio Disponibilidad de datos y medios disponibles HEC-HMS PUEDE OPERAR EN CUALQUIERA DE LAS VARIANTES
  • 7. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO ¿POR QUÉ HEC-HMS? Permite una fácil integración con el Sistema de Información Geográfica (SIG) ArcGIS mediante las extensiones GeoHMS y Archydro Tools. La integración con SIG, permite trabajar con modelos distribuidos y pseudo-distribuidos, mejorando de esta forma los resultados. Permite simular a nivel de evento con un número reducido de parámetros: modelo digital del terreno, usos del suelo, edafología y datos pluviométricos. Es gratuito y fácilmente descargable a través de internet.
  • 8. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO OBJETIVOS DEL PROYECTO Establecer una mejor comprensión de una cuenca hidrológica y sus subcuencas mediante la integración de un SIG y un modelo hidrológico. ESPECÍFICOS Valorar el comportamiento del modelo hidrológico HEC-HMS para diferentes tamaños de cuenca y ante eventos de diferente magnitud y condiciones de humedad del suelo. Valorar la respuesta de la cuenca hidrológica para el uso de varios métodos de transformación lluvia-caudal. Comparar la resultados obtenidos con los datos reales aportados por las estaciones de aforo mediante regresión lineal.
  • 9. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO LOCALIZACIÓN DE LA CUENCA DE ESTUDIO Localización de la cuenca del río Manubles en el contexto de la cuenca hidrográfica del EbroLa cuenca hidrológica del río Manubles se localiza entre las provincias de Soria y Zaragoza y cuenta con unasuperficie de 427 km2.Desde el punto de vista climático se encuentra influida en su cabecera, por un clima de montaña mediterráneainterior mientras que la zona media-baja por un clima mediterráneo de marcado carácter continental.Además se caracteriza por una cierta tendencia a la aridez y precipitaciones muy irregulares.
  • 10. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO ¿QUÉ HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS UTILIZAREMOS? ArcGIS como Sistema de Información Geográfica ArcHydro: es un modelo geoespacial para las aplicaciones de recursos de agua que opera en ArcGIS desarrollado por el Centro de Investigaciones en Recursos de Agua de la Universidad de Texas. HEC-GeoHMS: es una extensión de ArcGIS desarrollada por Centro de Ingeniería Hidrológica del US Army Corp of Engineers. Permite dividir la cuenca en subcuencas y asignarle a cada una valores de los parámetros hidrológicos. Además , prepara la información para su entrada en el modelo hidrológico HEC-HMS. HEC-HMS: desarrollado Centro de Ingeniería Hidrológica del US Army Corp of Engineers, es un modelo hidrológico capaz de funcionar de forma distribuida, semidistribuida o agregada y que nos permite simular eventos aislados o procesos continuos. HEC-DSSVue: es una aplicación desarrollada por Centro de Ingeniería Hidrológica del US Army Corp of Engineers como commplemento a HEC-HMS, permitiendo una mejor salida gráfica y la exportación de los resultados obtenidos a una hoja de cálculo.
  • 11. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO ¿QUÉ PROCESOS CONSIDERA NUESTRO MODELO? Precipitación Pérdidas de la precipitación Desarrollo de la escorrentía superficial Flujo Base
  • 12. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO LA PRECIPITACIÓNMedia aritméticaPolígonos de ThiessenMétodo de las isoyetas: más adecuado cuando se trata de valores anivel decenal, mensual o anual.
  • 13. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO PÉRDIDAS DE LA PRECIPITACIÓN ¿QUÉ ALTERNATIVAS CONTEMPLA EL MODELO HEC- HMS?Establecimiento del un umbral de precipitación, por debajo el cual no se produce escorrentíasuperficial y una tasa constante de pérdidas por encima del citado umbral.Utilización del concepto número de curva (NC), desarrollado por U.S. Soil Conservation Service(SCS).Método de Green y Ampt, que tiene en cuenta, entre otros, aspectos tales como lapermeabilidad del suelo y el déficit inicial de humedad del suelo.Modelo SMA, que permita simular el movimiento del agua a través del suelo y del subsuelo, suinterceptación y almacenamiento den diferentes zonas y escurrimiento superficial de exceso.
  • 14. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO OBTENCIÓN DEL NÚMERO DE CURVA I Adaptación desarrollada por Témez (1987) + Usos del suelo según SCS Edafología-Clasificación hidraúlica +
  • 15. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO OBTENCIÓN DEL NÚMERO DE CURVA II + Clasificación según características Clasificación según pendientes hidrológicas
  • 16. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO OBTENCIÓN DEL NÚMERO DE CURVA III Número de Curva de la cuenca en formato de grid o malla
  • 17. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL El modelo HEC-HMS incluye diversos métodos para el desarrollo de la escorrentía superficial y su concentración en un determinado punto del cauce. En el presente proyecto compararemos los siguientes: El Hidrograma del Soil Conservation Service Hidrograma de Clark (original)
  • 18. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO RESUMEN DEL PROCESO METODOLÓGICOObtención del factor número de curva (NC), partiendo de la información de usos del suelo delCorine Land Cover, de datos edafológicos y las pendientes del modelo digital de elevaciones.Procesamiento de parámetros hidrológicos mediante ArcHydro Tools, partiendo del modelodigital de elevaciones.Importación de los datos obtenidos mediante ArcHydro hacia HEC-GeoHMS para generacióndel modelo de cuenca.Determinación del área de influencia de cada pluviómetro mediante polígonos de Thiessen.Exportación del modelo de cuenca a HEC-HMS.Calibración del modelo obtenido mediante los datos de las estaciones de aforo.Exportación de los resultados obtenidos a una hoja de cálculo mediante HEC-DSSVue yobtención del grado de ajuste mediante regresión lineal.
  • 19. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO LAS SUBCUENCAS DE ESTUDIO CUENCA “A” de 35 km2 CUENCA “B” de 146 km2 CUENCA “C” de 427 km2
  • 20. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO LOS EVENTOS SIMULADOS 20/10/09 (15:00) – 22/10/09 (23:45) – evento 1 Se trata de un evento producido tras un periodo seco, es decir, bajo condiciones según SCS tipo (I). Cuenca Precipitación periodo (mm) Precipitación ponderada A 34 para cada unas de la B 33 cuencas en el evento 1 C 27 Banda pluviográfica para la cueca “A”
  • 21. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO LOS EVENTOS SIMULADOS II 15/03/11 (00:00) – 16/03/11 (23:45)Se trata de un evento producido bajo condiciones de humedad según SCS tipo II. Puesto queprevio al evento tuvieron lugar una serie de episodios de lluvia repartidos entre los días 11 y13 de marzo que sumó aproximadamente 17 mm. Cuenca Precipitación periodo (mm) Precipitación ponderada A 46 para cada unas de la B 49,5 cuencas en el evento 2 C 45 Banda pluviográfica para la cueca “B”
  • 22. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO LOS EVENTOS SIMULADOS III 27/03/11 (00:00) – 28/03/11 (23:45)Se trata de un evento producido en condiciones suelo saturado o según SCS tipo III,especialmente debido a las precipitaciones del evento 2. Cuenca Precipitación periodo (mm) A 14,6 Precipitación ponderada para cada unas de la B 12,9 cuencas en el evento 3 C 13,2 Banda pluviográfica para la cueca “C”
  • 23. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO RESULTADOS I R2 = 0.95 R2 = 0.82 R2 = 0.87Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “A” mediante el empleo del Hidrograma SCS. De izquierda aderecha (evento 1 al 3).Se observa un buen ajuste a los caudales pico, y en menor medida al volumen deescorrentía producido para los eventos 2 y 3.
  • 24. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO RESULTADOS II R2 = 0.53 R2 = 0.82 R2 = 0.93Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “A” mediante el empleo del Hidrograma Clark. De izquierdaa derecha (evento 1 al 3).Se observa un mejor ajuste aunque cierta tendencia del caudal pico. Para el evento 1,no se obtiene correlación con el aforo, ni del caudal pico ni del volumen deescorrentía.
  • 25. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO RESULTADOS III R2 = 0.75 R2 = 0.82 R2 = 0.20Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “B” mediante el empleo del Hidrograma SCS. De izquierda aderecha (evento 1 al 3).Se observa dificultad de ajuste para hidrogramas con varios picos(evento 1), un buenajuste del caudal pico para el evento 2 y poca bondad en el evento no independiente(evento 3).
  • 26. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO RESULTADOS IV R2 = 0.15 R2 = 0.93 R2 = 0.74Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “B” mediante el empleo del Hidrograma Clark. De izquierdaa derecha (evento 1 al 3).Se observa un mal ajuste al hidrograma de varios picos, un buen ajuste para el caudalpico y escorrentía para el evento 2 y una tendencia a la laminación en el caso delevento 3.
  • 27. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO RESULTADOS V R2 = 0.22 R2 = 0.65 R2 = 0.45Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “C” mediante el empleo del Hidrograma SCS. De izquierda aderecha (evento 1 al 3).Se observa un mal ajuste para el hidrograma de varios picos, un buen ajuste para elcaudal pico ante el evento 2 y un cierto desfase en el tiempo de retardo para elevento 3.
  • 28. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO RESULTADOS VI R2 = 0.10 R2 = 0.93 R2 = 0.88Hidrogramas simulados y aforados para la cuenca “C” mediante el empleo del Hidrograma Clark. De izquierdaa derecha (evento 1 al 3).Se observa un mal ajuste para el hidrograma de varios picos, un buen ajuste para elcaudal y el volumen de escorrentía para el evento 2 y un buen ajuste del tiempobase del hidrograma aunque cierta laminación del caudal pico para el evento 3.
  • 29. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO COMENTARIOS A LOS RESULTADOS  El uso del Hidrograma Unitario de Clark mejora el ajuste de las simulaciones en el caso de los eventos nº 2 y nº 3, es decir para los eventos más cuantiosos o tras situaciones de saturación.  La mejora del ajuste es de menor entidad para el caso de la cuenca A, es decir, para la cuenca pequeña.  El ajuste es considerablemente mayor mediante el empleo del Hidrograma de Clark para las cuencas B y C, es decir, para las cuencas de mayor tamaño.  El Hidrograma SCS solo obtuvo mejor ajuste para el caso de las cuencas A y B ante el evento nº 1, es decir, para las cuencas de escala pequeña o microcuenca para eventos menos intensos y suelo seco.  Ninguno de los métodos de transformación lluvia-caudal obtuvo un buen ajuste para la simulación de la cuenca C y el evento nº 1, es decir, para la cuenca mayor y la menor precipitación.  Empleando ambos modelos de transformación se han obtenido buenos ajustes para el caudal pico, aunque el empleo de Hidrograma de Clark manifiesta cierta tendencia a la laminación del caudal pico.  Existe una cierta tendencia a un mejor ajuste del caudal pico mediante el empleo del Hidrograma SCS, si bien, minusvalora en términos generales la escorrentía total producida, de ahí que los coeficientes de correlación obtenidos para los eventos nº 2 y nº 3 sean más bajos.
  • 30. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO CONCLUSIONES I•La integración del modelo hidrológico HEC-HMS con el Sistema de Información Geográfica ArcGis através de las extensiones HEC-GeoHMS y ArcHydro Tools facilita el manejo del modelo, al permitirintroducirle una parte importante de las variables que necesita, especialmente en lo referente almodelado de la cuenca, permitiendo además trabajar con información distribuida o pseudo-distribuida•El modelo HEC-HMS logra a nivel de evento y una vez calibrado, un buen ajuste para los tamaños decuenca estudiados en este proyecto, si bien, ha resultado determinante la elección del modelo detransformación lluvia – caudal.•El Hidrograma Unitario SCS y el Hidrograma Unitario de Clark han demostrado una buena capacidadpredictiva para la obtención de caudales punta, aunque se ha observado cierta tendencia a lalaminación o reducción del caudal punta empleando el Hidrograma de Clark, fruto delalmacenamiento transitorio del agua en el conjunto de la cuenca que éste considera.•El comportamiento de ambos hidrogramas ha diferido notablemente para la estimación del volumende escorrentía generada. El Hidrograma de Clark ha demostrado estimar con mayor bondad el efectoregulador que en la respuesta hidrológica se produce en cada una de las cuencas, ante eventos deprecipitación de cierta importancia. Efecto regulador que se ha producido para todos los tamaños decuenca y para los eventos más intensos o tras saturación.
  • 31. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DEL MODELO HIDROLÓGICO HEC-HMS EN UNA SUBCUENCA MEDITERRÁNEA DEL RÍO EBRO CONCLUSIONES II•Un proceso crítico y que ha ofrecido dificultad es la generación de la lluvia efectiva, la mayoría delos métodos existentes como el de Green y Ampt requieren el conocimiento de parámetros físicosque raramente se encuentran a disposición, con lo que el método del NC se convierte en un métodoaplicable con los niveles de información habituales. Si bien este método requiere de al menos unbuen conocimiento edafológico de la zona.•También es crítico, el valor que adopta el NC en función del estado de humedad preliminar, puesevento nº 1 y el evento nº 2 han tenido lugar bajo condiciones de humedad del suelo diferentes, sinembargo, en algunos casos e observan valores del NC similares.•Para la cuenca nº 1 y empleando el hidrograma SCS se ha obtenido un mejor ajuste permitiendoque el modelo optimice el parámetro tiempo de concentración, de tal forma que el valor que elmodelo da como óptimo difiere notablemente de los valores que desde el punto de vistabibliográfico son aceptados.•A diferencia de otros modelos hidrológicos que requieren del conocimiento de un importantenúmero de variables, el modelo HEC-HMS permite efectuar simulaciones satisfactorias con unnúmero reducido de parámetros.

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