calibración de un modelo conceptual distribuido del ciclo

Calibración de un modelo conceptual distribuido del ciclo de sedimentos. Aplicación a la cuenca experimental de Goodwin

Creek (EEUU).

Gianbattista Bussi

Doctorado en Ingeniería del Agua

y Medioambiental

Director: Félix Francés

Valencia, 27 de Mayo de 2010

Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED ResultadosIntroducción

El problema

•Modelación del ciclo de sedimentos a escala de cuenca

–Importante para la descripción de la evolución del paisaje

–Muchos objetivos:•Localización de zonas con pérdida de suelo

Gianbattista Bussi – 27/05/2010 2

•Localización de zonas con pérdida de suelo

•Identificación de las fuentes de sedimentos

•Tasas de sedimentación de los embalses

•…

–Queda mucho por investigar, sobre todo en cuencas naturales

•P. ej. En la estimación del transporte de sedimentos los errores suelen ser del mismo orden de magnitud que la variable misma

Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED ResultadosIntroducción

1 - La modelación del ciclo de sedimentos

2 - El modelo TETIS-SED

El trabajo


2 - El modelo TETIS-SED

3 - El caso de estudio: Goodwin Creek

4 - Resultados

5 - Conclusiones

Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED ResultadosLa modelación

La modelación del ciclo de sedimentos

Impacto de la gota de lluvia

Transporte por flujo laminar Erosión y

transporte por

Límites de la cuenca

Cárcava


Suelo

transporte por flujo en surcos

Surco

Surco

Canal

Direcciones de flujo

Zonas de ladera


Los modelos

19781980

19891990

19961998

19992000

2001

160


0

20

40

60

80

100

120

140

1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008

Pape

rs

Año


Problemas en la modelación del ciclo de sedimentos

– Representación de los procesos:• Complejidad: ¿Modelos físicamente basados o empíricos?

• Escala temporal: ¿Escala de evento o simulación continua?

• Validación: ¿El modelo realmente reproduce la dinámica de la cuenca?


– Fuerte sensibilidad a los parámetros

– Falta de procedimientos claros de calibración y validación

– …

Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED ResultadosTETIS-SED

El modelo TETIS-SED

• TETIS (submodelo hidrológico)

– Desarrollado en la UPV desde 1994

– Conceptual y Distribuido

– Global: incluye el balance en todo momento

– Estructura separada del parámetro


1)( RiHu ⋅ Factor corrector


– 9 factores correctores


El modelo TETIS: submodelo hidrológico

Y1

Y0

X0

X1

X2

D1

D2

EVAPOTRANSPIRACIÓN

PRECIPITACIÓN

LLUVIA

EXCEDENTE

FUSIÓN DE NIEVE

INFILTRACIÓN

H0

T0

H1

T1

Almacenamiento Estático

NEVADA

Nieves

HU


X3

X4

X5

Y2

Y3

Y4

FLUJO BASE

Canal

INTERFLUJO

ESCORRENTÍA DIRECTA

Acuífero

Almacenamiento Gravitacional

INFILTRACIÓN

PERCOLACIÓN

H2

T2

H3

T3

H4

T4

H5

T5

Almacenamiento Subsuperficial

PÉRDIDAS SUBTERRÁNEAS

D3

D4

Y2 (ESCORRENTÍA

DIRECTA)

+ Y3 (INTERFLUJO)


El modelo TETIS: las áreas umbrales

ÁREAS FUENTE

LADERASCELDAS CON CÁRCAVAS

CELDAS CON CAUCES

AU1 AU2


COMPONENTES DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

ÁREA DRENADA DE LA CELDA

E. DIRECTA E. DIRECTA + INTERFLUJO

E. DIRECTA + INTERFLUJO + FLUJO BASE


El modelo TETIS: las áreas umbrales

H2

H3

H4

H2

H3

H4

LADERA LADERA

LADERACÁRCAVA

E. directa

Interflujo

Flujo base


H2

H3

H4

H2

H3

H4

H4

H5

H5

LADERA

CAUCE


El modelo TETIS-SED: submodelo sedimentológico

– Integración de CASC2D-SED (Johnson et al., 2000) en TETIS

– Balance entre:• Capacidad de transporte

• Disponibilidad de sedimentos


Ca

pa

cid

ad d

e t

ransp

ort

e,

dis

po

nib

ilid

ad

de

se

dim

en

tos

Carga en suspensión Carga en el lecho

Capacidad de transporte

Disponibilidad de sedimentos

Transporte limitado

por la disponibilidad

de sedimentos

Transporte limitado por la capacidad de

trasporte del flujo

Tamaño del grano


Material disponible

SuspendidoSuspendido

Carga en suspensión

Carga de lecho


– Sub-modelo sedimentológico - LADERA:• Capacidad de transporte: Kilinc-Richardson modificada


disponible

Erosión

Suspendido

Material parental

Depositado

De

po

sita

ció

n

Depositado

Carga de lecho

PCK

W

QSsmtonsq ot

15.023210)*/(

035.2

66.1

=


Material disponible Suspendido

SuspendidoCarga en suspensión

Carga de lecho


– Sub-modelo sedimentológico – CÁRCAVAS Y CAUCES:• Capacidad de transporte: Engelund-Hansen


dsiG

SfRh

dsigG

SfV

G

GCwi

*)1(

**

**)1(

**

1*05.0

−−

−=

disponible

Erosión

SuspendidoDepositado

De

po

sita

ció

n

Depositado

Carga de lecho


El modelo TETIS-SED: los parámetros del modelo


– 3 Factores Correctores (FCs):

jiiji R ,, θθ ≈∗


tt qKRq *=∗

i1i CwEHCw *=∗

ii CwEHCw *2

=∗

– 3 Factores Correctores (FCs):


El modelo TETIS-SED: las condiciones iniciales

– Sedimentos disponibles al momento del comienzo de la crecida: afectan sensiblemente al volumen final de sed. transportados

• Ej: efecto “gully cleanout”


Cau

dal

só

lido

Caudal líquido

Qs1

Ql

Qs2



– ¡Atención!: en ríos de grandes dimensiones y poca pendiente este bucle refleja otro fenómeno

Curva de gasto (flujo permanente)Rama ascendente

V < V


Caudal

Niv

el

Curva de gasto real (flujo no permanente)

Rama ascendente Vreal > Vcalculada

Vreal < Vcalculada



QsQs QsQs QsQs QsQs

• Varios tipos de bucle de histéresis


QlQl QlQl QlQl QlQl

Ql

Qs

Ql

Qs

Ql

Qs

Ql

Qs

Ql

Qs

Ql

Qs

…


Algoritmo de calibración automática

– Shuffled Complex Evolution (University of Arizona)• Combinación de aproximaciones determinísticas y probabilísticas.

• Evolución de un complejo (cluster) de puntos en el espacio de los parámetros en la dirección del mejoramiento global.

• Evolución competitiva

• Barajado de los complejos.


• Barajado de los complejos.

– Muy eficiente y rápido

– Usado en todo el mundo

– Ya ha sido aplicado satisfactoriamente a TETIS (submod. hidrológico) numerosas veces

Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED ResultadosGoodwin Creek

La cuenca: Goodwin CreekMississippi

River

Yazoo River

MississippiState

PanolaCounty

MISSISSIPPI

Long River


_ pluviometros

‘ caudales

Altura

129 m

67 m

• Cuenca experimental (USDA)

• Escorrentía directa predominante

• Afectada por cárcavas y badlands

Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED ResultadosGoodwin Creek

La cuenca: Goodwin Creek

– Datos hidrometeorológicos:• 6 estaciones de aforo (líquido y sólido) – alta resolución temporal

• 16 pluviómetros – alta resolución temporal

• Serie temporal continua 1981 – 1990 de caudales líquidos

• Caudales sólidos disponibles en 3 eventos: 1981, 1982, 1983

– Parámetros iniciales:


– Parámetros iniciales:

Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED ResultadosResultados

Resultados: Calibración hidrológica

10

15

20

25

30

35

40

45

Q (

m3

/S)

25

30

35

40

45

Q (

m3

/S) 160

Observado

Simulado


0

5

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tiempo (horas)Evento 1981, est. Q01

0

5

10

15

20

25

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Q (

m3

/S)

Tiempo (horas)

Evento 1982, est. Q01

0

20

40

60

80

100

120

140

160

15 20 25 30 35 40

Q (

m3

/S)

Tiempo (horas)

Evento 1983, est. Q01


Calibración del modulo de sedimentos

0.012

0.014

0.012

0.014

NSE=0.626

– Calibración de KR y EH1 en Q07 (cabecera)

– Condiciones iniciales = 0


0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0 1 2 3 4 5 6

Q s

óli

do

(m3

/s)

Q líquido (m3/s)

Caudal Observado Caudal Simulado

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

2 3 4 5 6 7 8

Q s

oli

do

(m3

/s)

Tiempo (horas)

Caudal solido observado Caudal solido total simulado

NSE=0.626



• Estimación condiciones iniciales: RECIRCULACIÓN




0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

Q s

oli

do

(m3

/s)

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

Q s

óli

do

(m3

/s)

NSE=0.796


0

0.002

0.004

2 3 4 5 6 7 8

Q s

oli

do

(m3

/s)

Tiempo (horas)


0

0.002

0.004

0 1 2 3 4 5 6

Q s

óli

do

(m3

/s)

Q líquido (m3/s)


– Calibración de KR y EH1 en la estación Q07, evento 1981



0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Q s

oli

do

(m3

/s)

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Q s

óli

do

(m3

/s)

NSE=0.946


Calibración de EH2 en la estación Q01, evento 19810

0.01

0.02

2 4 6 8 10 12

Q s

oli

do

(m3

/s)

Tiempo (horas)


0

0.01

0.02

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Q s

óli

do

(m3

/s)

Q líquido (m3/s)


Calibración de EH2 en la estación Q01, evento 1981


Análisis de sensibilidad: factores correctores

%50

%50%50%−

−+−

=FC

FCFC

VOL

VOLVOLEV

− QQ0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

KR EH1

RM

SE

EV, E

Q (

%)

En Q07


0.0001

0.001

0.01

0.1

1

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

KR EH1 EH2

RM

SE

EV, E

Q (

%)

parámetros

EV EQ RMSE

%50max,

%50max,%50max,%

−

−+ −=

FC

FCFC

Q

QQEQ

( )

N

QQ

RMSE

N

i

FCFC∑=

+−−

= 1

2

%50%50

KR EH1

parámetros

EV EQ RMSE

En Q01


Análisis de sensibilidad: condiciones iniciales (cárcavas)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Qs

(m3

/s)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

Qs

(m3

/s)

Q01 – Evento 1981

VARIACIÓN: de 0 m3/m a 15 m3/m


0 1 2 3 4 5 6 7 8

Tiempo (horas)

500 400 300 200 100 0 OBS

0 1 2 3 4 5 6

Ql (m3/s)

Observado 0 100 200 300 400 500

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

2 4 6 8 10 12

Qs

(m3

/s)

Tiempo (horas)

500 400 300 200 100 0 OBS

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0 10 20 30 40 50

Qs

(m3

/s)

Ql (m3/s)

Observado 0 100 200 300 400 500

Q07 – Evento 1981



Análisis de sensibilidad: condiciones iniciales (cauces)

Q01 – Evento 1981

0.2

0.25

0.3

Qs

(m3

/s)

0.2

0.25

0.3

Qs

(m3

/s)


Q01 – Evento 1981

0

0.05

0.1

0.15

2 4 6 8 10 12

Qs

(m3

/s)

Tiempo (horas)

5500 4400 3300 2200 1100 0 OBS

0

0.05

0.1

0.15

0 10 20 30 40 50

Qs

(m3

/s)

Ql (m3/s)

Observado 0 1100 2200 3300 4400 5500



Análisis de sensibilidad: condiciones iniciales (textura)

Q01 – Evento 1981

Variación de la textura en Cárcavas

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Qs

(m3

/s)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Qs

(m3

/s)


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

2 4 6 8 10 12

Qs

(m3

/s)

Tiempo (horas)

1000 ARCILLA 1000 LIMO 1000 ARENA OBS

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 10 20 30 40 50

Qs

(m3

/s)

Ql (m3/s)

Observado 200 ARENA 200 LIMO 200 ARCILLA

2 4 6 8 10 12

Tiempo (horas)

200 ARCILLA 200 LIMO 200 ARENA OBS

0

0 10 20 30 40 50

Ql (m3/s)

Observado 200 ARENA 200 LIMO 200 ARCILLA

Q01 – Evento 1981

Variación de la textura en Cauces


Validación

• Problema: las condiciones iniciales de sedimentos disponibles afectan sensiblemente el volumen total movilizado

• Necesidad de estimar dichas condiciones iniciales


• Necesidad de estimar dichas condiciones iniciales

• 2 métodos:

– Recirculación

– Calibración manual


Validación

1000

10000

Vo

lum

en

to

tal s

imu

lad

o d

e se

dim

en

tos

(m3) Evento 1982

1000

10000

Vo

lum

en

to

tal s

imu

lad

o d

e se

dim

en

tos

(m3) Evento 1983


10

100

10 100 1000 10000

Vo

lum

en

to

tal s

imu

lad

o d

e se

dim

en

tos

(m

Volumen total observado de sedimentos (m3)

CI recirculación

CI calibración

10

100

10 100 1000 10000

Vo

lum

en

to

tal s

imu

lad

o d

e se

dim

en

tos

(m


CI recirculación

CI calibración


Simulación continua cincominutal

• Herramienta para la estimación de la condiciones iniciales

– Simulación del periodo precedente al evento (p. ej. 1 año)

– Análogo a estimación de las condiciones de humedad en la


– Análogo a estimación de las condiciones de humedad en la simulación hidrológica

– Reproducción realística de los procesos que llevan a una determinada situación de sed. depositados en la cuenca



• Reproducción del efecto de depositación de material en las cárcavas (causa del ciclo de histeresis)


Ej: erosión depositación neta después del evento de 1982

LADERASCÁRCAVASCAUCES



EV 1982




EV 1983




1000

10000

Vo

lum

en t

ota

l sim

ula

do

de

sed

ime

nto

s (m

3) Evento 1982

1000

10000

Vo

lum

en t

ota

l sim

ula

do

de

sed

imen

tos

(m3) Evento 1983


10

100

10 100 1000 10000

Vo

lum

en t

ota

l sim

ula

do

de

sed

ime

nto

s (m


CI recirculación

CI calibración

CI simulación continua10

100

10 100 1000 10000V

olu

men

to

tal s

imu

lad

o d

e s

edim

ento

s (m


CI recirculación

CI calibración

CI simulación continua


Simulación continua diaria

– Objetivos:• Análisis del funcionamiento de TETIS-SED en la simulación de

horizontes temporales del orden de algunos años

• Análisis del efecto de la escala temporal sobre los factores correctores


– Metodología:• No se dispone de series temporales continuas de caudal sólido

• Se ha simulado con Dt=5 min el periodo 1981-1990 y se ha tomado la serie obtenida y agregada a Dt=1 día como valor observado


Simulación continua diaria

FC Valor

KR 0.0000012

EH1 0.0001596

EH2 0.0000225

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000

Cau

dal

só

lid

o (m

3/s

)

Tiempo (horas)

Q sed simulado Qsed observado

Periodo de calibración, Q01


Estación NSEError

Volumen

Q01 0.826 -3%

Q04 0.695 47%

Q06 0.807 26%

Q07 0.760 43%

Q08 0.810 22%

Q14 0.425 70%0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000

Cau

dal

só

lid

o (m

3/s

)

Tiempo (horas)

Q sed simulado Qsed observado



Introducción La modelación Goodwin Creek ConclusionesTETIS-SED Resultados Conclusiones

Conclusiones

1000

10000

Vo

lum

en

to

tal s

imu

lad

o d

e s

ed

ime

nto

s (m

3)

– Comparación de TETIS-SED con otros modelos


10

100

1000

10 100 1000 10000

Vo

lum

en

to

tal s

imu

lad

o d

e s

ed

ime

nto

s (m

3)


Ogden & Heilig, 2001

Rojas, 2002

TETIS-SED (Montoya, 2008)

TETIS-SED (this work)


Aportes del trabajo

– TETIS-SED es un modelo a baja complejidad pero con base física

– Se propone un procedimiento de calibración preciso, flexible y rápido

– Se proporciona un método sencillo para comprobar que el modelo reproduzca la dinámica interna de la cuenca


modelo reproduzca la dinámica interna de la cuenca

– Se define la sensibilidad del modelo a FCs y a las condiciones iniciales

– Se proponen tres metodologías para estimar la cantidad de sedimentos disponibles a la erosión

– Se comprueba la utilidad de TETIS-SED también a la escala histórica


Líneas de investigación futuras

– Validación de TETIS-SED en otras cuencas

– Calibración de TETIS-SED con volúmenes de sedimentos acumulados en obras trasversales a los ríos (presas, azudes, etc.)

– Mejora del modelo y análisis de sus prestaciones a la


– Mejora del modelo y análisis de sus prestaciones a la escala histórica

– Incorporación de fuentes puntuales de sedimentos al modelo (deslizamientos, inestabilidad de los taludes, etc.)


Producción científica

– En el marco del presente trabajo se han producido dos ponencias en congresos…

• JIA, Madrid, Octubre 2009 – Presentación oral

• EGU General Assembly, Viena (Austria), Mayo 2010 – Poster


– … y dos artículos para revistas científicas, actualmente en fase de redacción:

• Ingeniería del Agua (solicitado)

• Revista internacional a definir


Gracias por la atención


Gracias por la atención

calibración de un modelo conceptual distribuido del ciclo

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