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CALIBRACIN DEL MODELO HIDROLGICO SWAT EN LA CUENCA DEL RO SALADO, PROVINCIA DE BUENOS AIRES.

Laura Brandizi 1,2 , Juan Carlos Labraga1

1 Centro Nacional Patagnico, CENPAT CONICET. Puerto Madryn, Argentina. Email:

laurabrandizi@gmail.com. 2 Universidad Nacional del Sur (UNS). Baha Blanca, Argentina.

RESUMEN

El objetivo de este trabajo ha sido calibrar el Modelo de Simulacin Hidrolgica SWAT (Soil & Water Assessment Tool, Arnold et al. 1998), motivados por la creciente necesidad de crear un sistema de pronstico de caudales para la Cuenca del Ro Salado en Buenos Aires. La caracterstica ms notable de esta cuenca es la falta de relieve, gran parte del rea est constituida por una llanura con pendiente suave (0.01%) lo que hace ms complejo su modelado ya que el sistema de drenaje natural est pobremente desarrollado. La calibracin se realiz en dos estaciones de aforo en donde se dispona de datos de caudales confiables. El coeficiente de correlacin result mayor o igual a 0.80 con p0.50 lo que indica un ajuste satisfactorio. El modelo represent adecuadamente los eventos extremos de inundaciones y sequa ocurridos en el perodo de estudio. Los resultados preliminares obtenidos en la calibracin y validacin de este modelo hidrolgico muestran que podra ser aplicado provechosamente para realizar pronsticos de caudales y anlisis de los cambios en el escurrimiento y en la calidad del agua de esta cuenca debidos a factores diversos, como variaciones en el rgimen de precipitacin, modificaciones en el uso de suelo y otras causas antropognicas.

Palabras claves: SWAT, simulacin hidrolgica, cuencas de llanura.

ABSTRACT

The goal of this work has been to calibrate the SWAT Hydrological Simulation Model (Soil & Water Assessment Tool, Arnold et al. 1998) motivated by the growing need to create a river flow forecast system for the Salado River basin in Buenos Aires. The most notable feature of this basin is the lack of relief, much of the area consists of a gently sloping plain (0.01%) making its modeling complex since the natural drainage system is poorly developed. Calibration was performed at two gauge stations where reliable river flow data were available. The correlation coefficient is greater or equal than 0.80 with p0.50 indicating satisfactory fit. The model represented adequately the extreme events of floods and drought occurred in the study period. The preliminary results obtained in the calibration and validation of this hydrological model show that it could be applied usefully to perform river flow forecasting and analysis of surface runoff and water quality changes of this basin, produced by different factors, like rainfall regime variations, land use modifications and other anthropogenic causes.

Key words: SWAT, hydrological simulation, flatland basins.

1. INTRODUCCIN

EL estudio de la Cuenca del Ro Salado ubicada en la Regin Pampeana Argentina reviste especial inters por ser una regin que concentra un gran porcentaje de la produccin agrcola-ganadera del pas. Abarca un rea de 78166 km2 y desemboca en la Baha de San Borombn en la Provincia de Buenos Aires (Figura1). Su condicin de Cuenca de Llanura constituye un escenario de suma fragilidad ante eventos hidrolgicos extremos, tanto de dficit cmo de exceso hdrico. En este ltimo caso, la escasa pendiente del relieve impide evacuar volmenes importantes de agua acumulados en corto tiempo lo cual, junto a otros factores, conduce a la ocurrencia de vastos y persistentes anegamientos. Los eventos de inundacin ocurridos en los aos 1980 y 1985 tuvieron una duracin de cinco a seis meses y afectaron gran parte del rea de la cuenca, ocasionando

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grandes perdidas materiales (Herzel et al. 2004). Las sequas persistentes que ocurren en la regin degradan la calidad del suelo y tienen un impacto directo en la economa, la sociedad y el ambiente. Algunas de las causas conocidas de sequas en la Regin Pampeana son anomalas persistentes en la circulacin atmosfrica que inhiben la entrada del vapor de agua a la regin, as como una exacerbada subsidencia atmosfrica asociada con condiciones anticiclnicas anormalmente intensas que restringen la conveccin (Labraga et al. 2002). Los Modelos hidrolgicos son herramientas ideales para el anlisis y la evaluacin del comportamiento de una Cuenca Hdrica. Los modelos de simulacin contina permiten simular la escorrenta causada por lluvias con intervalos de das durante largos perodos de tiempo. Esto hace posible el anlisis de los cambios en el escurrimiento y en la calidad del agua de una cuenca debidos a factores diversos, como variaciones en el rgimen de precipitacin de una regin, modificaciones en el uso de suelo y otras causas de origen antrpico. Por lo tanto, el uso de estos modelos permite planificar las actividades de manejo del recurso agua y la toma de decisiones de un modo racional. El objetivo de este trabajo ha sido calibrar el Modelo de Simulacin Hidrolgica SWAT (Soil & Water Assessment Tool, Arnold et al. 1998) en la Cuenca del Ro Salado de Buenos Aires para su posterior utilizacin en el pronstico de caudales. En la siguiente seccin se describen las caractersticas principales del modelo hidrolgico, los datos de entrada utilizados en las simulaciones y las medidas estadsticas empleadas para su calibracin y validacin. En la seccin Resultados se presentan las comparaciones de la simulacin con los datos observados y los valores de los parmetros de calibracin seleccionados; la ltima seccin corresponde a las Conclusiones.

Figura 1: Localizacin de la Cuenca del Ro Salado, Provincia de Buenos Aires, Argentina.

2. MATERIALES Y MTODOS

2.1 Caractersticas de la cuenca hdrica

La caracterstica ms notable de la cuenca del Ro Salado es la falta de relieve, gran parte del rea est constituida por una llanura de pendiente suave (0.01%) ubicada por debajo de los 100 m snm. Los procesos elicos han tenido una influencia considerable en la geomorfologa del rea, con evidencia en los sistemas de dunas y depresiones. Los accidentes naturales reflejan condiciones anteriores de mayor aridez, y no se ajustan al clima y al rgimen de escorrenta existente en la actualidad. Bsicamente, la mayora de los ros y arroyos no han desarrollado las propiedades geomtricas de un sistema estable, ni en trminos de seccin transversal ni de perfiles longitudinales, lo cual complica fuertemente el drenaje de los excedentes hdricos. Entre las variables que caracterizan el clima de esta cuenca hdrica, la de mayor inters es sin duda la distribucin espacial y variabilidad temporal de la lluvia en la regin. La precipitacin media anual para la cuenca es 870 mm (promedio 1911-1996), siendo en general mayor que el promedio en el norte y menor en el sur. Los anlisis de series de tiempo mostraron que el periodo de menores precipitaciones ocurri hacia finales de

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1920. Desde entonces, ha habido un crecimiento continuo con un marcado aumento a principios de 1980 (Informe Final del Plan Maestro Integral de la Cuenca del Ro Salado, 2000).

2.2 Caractersticas del Modelo SWAT

El modelo hidrolgico SWAT (Soil and Water Assessment Tool) fue diseado por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos en conjunto con la Universidad de Texas (Arnold et al. 1998). Es un modelo de simulacin continua que opera a paso de tiempo diario. Est fsicamente basado y permite simular la produccin de agua y sedimentos a escala de cuenca hdrica, as como el impacto que tienen las prcticas agronmicas en la calidad del agua, por el uso de pesticidas y fertilizantes. Los componentes principales del modelo incluyen clima, hidrologa, propiedades y temperatura del suelo, manejo de la tierra, crecimiento de cultivos, dinmica de nutrientes, pesticidas, bacterias y agentes patgenos. El modelo divide la cuenca en subcuencas que a su vez son divididas en unidades de respuesta hidrolgica (URH) basndose en la topografa, el tipo y el uso del suelo. Luego, encauza los flujos de agua a travs de canales y reservorios hacia el punto de salida de la cuenca. Se basa en una ecuacin de balance hdrico para determinar la entrada, salida y almacenamiento de agua en la cuenca. Una descripcin detallada de los fundamentos tericos del modelo se puede encontrar en (Neitsch et al. 2009). La simulacin de la hidrologa de la cuenca se divide en dos fases: la Fase Terrestre del ciclo hidrolgico, que controla la cantidad de agua, sedimentos y pesticidas transportados hacia el canal principal por cada subcuenca y la Fase de Enrutamiento del agua, que controla el movimiento del agua, sedimentos, etc. a travs del canal principal hasta el sitio de descarga de la cuenca. La ecuacin de balance de agua del ciclo hidrolgico es la siguiente:

+=i

iiiiit QRPETQRSWSW )(0 [1]

Donde SWt es el contenido final de agua en el suelo en el da t; SW0 es el contenido inicial de agua en el suelo, t es el tiempo en das, la sumatoria se extiende sobre el total de das simulado, Ri es la precipitacin diaria, Qi la escorrenta diaria, ETi la evapotranspiracin diaria, Pi la percolacin diaria y QRi el flujo de retorno diario. Todas las variables estn expresadas en milmetros. La escorrenta se pronostica separadamente para cada subcuenca y se canaliza para obtener la escorrenta total de la cuenca. Las variables climticas de entrada que requiere SWAT son precipitacin, temperatura mxima y mnima, radiacin solar en la superficie, velocidad del viento y humedad relativa. Incluye un generador de clima (wgn) que permite producir valores diarios de las variables atmosfricas de entrada que se pueden utilizar para completar datos faltantes o para realizar simulaciones climticas. Se definen dos tipos de canales en cada subcuenca: el canal principal y los canales tributarios al canal principal. Tambin se diferencian dos sistemas de acuferos subterrneos: un acufero superficial no confinado que aporta caudal de retorno al canal principal y al acufero profundo y un acufero profundo confinado que contribuye al flujo de retorno a corrientes fuera de la cuenca. SWAT posee una interfase denominada MWSWAT (George & Leon, 2007) desarrollada para MapWindow GIS de cdigo abierto (http://www.mapwindow.com), la cual simplifica apreciablemente su utilizacin.

2.3 Datos de entrada

El modelo de elevacin digital del terreno (DEM) se obtuvo de las imgenes disponibles en SRTM Project (SRTM, 2004) con resolucin de tres segundos de arco y proyeccin geogrfica datum WGS84 (Sistema Geodsico Mundial). Se utilizaron los mapas de Suelo elaborados por FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) (FAO/UNESCO, 2003). En esta base de datos son clasificados casi 5000 tipos de suelo con una resolucin espacial de 10 kilmetros y se proporcionan algunas propiedades de suelo en dos capas: de 0 a 30cm y de 30 a 100cm de profundidad. La base de datos de usos del suelo fue construida desde la base de datos USGS Global Land Cover Characterization (GLCC). Este mapa tiene una resolucin espacial de 1 kilmetro y representaciones de 24 tipos de usos de suelo. La informacin mencionada anteriormente fue reproyectada al Sistema de Coordenadas que utiliza MWSWAT.

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Los datos de precipitacin y temperatura diarios se obtuvieron de la base de datos NCDC (National Climatic data Center en http://www.ncdc.noaa.gov/oa/mpp/freedata.html). Los datos de caudales para la calibracin se obtuvieron del Informe Final del Plan Maestro Integral de la Cuenca del Ro Salado (2000).

2.4 Modelado y calibracin

A partir de los datos de entrada enumerados en la seccin anterior, SWAT define el rea de las subcuencas y de las unidades de respuesta hidrolgica URH. Adems, mediante el generador de clima produce valores de precipitacin y temperatura consistentes con los parmetros climticos de la regin para completar datos faltantes en las series de observaciones. Las salidas se presentan como registros mensuales de caudal para cada subcuenca. Estos valores son comparados con los datos observados en las estaciones de aforo y mediante ajustes sucesivos de un conjunto de parmetros que definen las caractersticas fsicas y la dinmica de la cuenca se procede a la calibracin. La simulacin completa se realiz en el perodo 1972-2005. Para la calibracin se utilizaron las estaciones que disponen de datos de caudales en un perodo continuo. El primer ao de la simulacin, 1972, no se utiliz en la comparacin por tratarse de un perodo de estabilizacin de las condiciones del suelo. Los puntos de aforo seleccionados para realizar la calibracin y los perodos con registros disponibles son Achupallas (perodo 1992-1995), ubicado en el centro de la Provincia de Buenos Aires, y Vallimanca (perodo 1981-1986) que recibe los aportes del sector sudoeste de la cuenca. (Figura 2).

Figura 2: Ubicacin de estaciones calibradas

Las medidas estadsticas utilizadas para determinar la capacidad de simulacin de caudales en los diferentes puntos son el error estndar normalizado NSE, el sesgo relativo BIAS y el coeficiente de correlacin R, definidos a continuacin:

( )( )

=

=

=

n

i

OBSi

OBSi

n

i

OBSi

SIMi

QQ

QQNSE

1

2

1

2

1 [2]

Donde Q indica caudal, los superndices SIM y OBS indican valores simulados y observados respectivamente y la barra superior indica el valor medio en el perodo de estudio.

5

( )100

1

1 x

Q

QQBIAS

n

i

OBSi

n

i

OBSi

SIMi

=

=

= [3]

( ) ( )( ) ( ) ( )

==

=

=n

i

OBSi

OBSi

n

i

SIMi

SIMi

OBSi

OBSi

n

i

SIMi

SIMi

QQQQn

QQQQR

1

2

1

2

1

11

*

[4]

3. RESULTADOS

Los valores de los estadsticos calculados para determinar la bondad de ajuste del modelo se muestran en la Tabla 1.

Estacin Perodo Qobs (m3/seg) Qsim (m3/seg) BIAS R (p

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humedad promedio, y III hmedo. Para ICN fue seleccionado el mtodo en funcin de la evapotranspiracin de las plantas, ya que lo hace menos dependiente del almacenaje de agua en el suelo y ms dependiente del clima antecedente. En reas de llanura se obtiene demasiada escorrenta al utilizar el mtodo que contempla la humedad del suelo solamente. CNCOEF es un coeficiente de ponderacin utilizado para calcular el coeficiente de retencin cuando el nmero de curva diario depende de la evapotranspiracin de las plantas. Al disminuir el coeficiente se obtiene mayor retencin de agua en la cuenca, esto es compatible con las caractersticas de regiones de baja pendiente natural. GWQMIN es el nivel del umbral fretico necesario para que el agua subterrnea contribuya al cauce principal. El caudal base entra a la corriente si la cantidad de agua almacenada en el acufero superficial excede el valor umbral especificado. El sistema de agua subterrnea se encuentra muy localizado lo que da a lugar a que el flujo subterrneo horizontal sea muy limitado, como as tambin su aporte al flujo regional. GWREVAP es el coeficiente de revaporizacin del agua subterrnea. Si el valor se aproxima a cero, el movimiento del agua del acufero superficial a la zona de raz es restringida; si se aproxima a uno, la tasa de transferencia del acufero superficial a la zona de raz se aproxima al rango de evapotranspiracin potencial. El rango de variacin que permite SWAT es [0.02 y 0.20]. Debido al pequeo espesor de la zona no saturada, el nivel fretico se encuentra directamente sujeto a la evapotranspiracin, que ejerce un control significativo sobre los niveles de agua subterrnea. CN2 es el valor inicial del nmero de curva para la condicin de humedad II que se utiliza para calcular la escorrenta superficial en el mtodo creado por el Servicio de Conservacin de Suelos. Est incluido en la base de datos del modelo hidrolgico. En la Figura 3 se muestran las series mensuales de caudal observado y simulado para las dos localidades calibradas. En Achupallas se observa que el modelo adelanta el pico de caudal del ao 1993 y luego comienza a subestimar los valores de caudal hasta Septiembre de 1994; esto indicara que en este perodo el caudal base modelado es bajo aunque las variables calibradas aguas arriba de la estacin proponen el mximo aporte de agua subterrnea. En cunto a la sobreestimacin de los picos, puede deberse a que el modelo estima una pendiente en base a datos de elevacin MED que es mayor que la real, con lo cual se adelanta la respuesta de la subcuenca. En la estacin Vallimanca se observa que el modelo genera pequeos picos de caudal en el ao 1982 y 1984 que en las observaciones no se encuentran. El pico del mes de Noviembre de 1985 se reproduce muy bien en tiempo y en magnitud. La simulacin de picos de caudal no observados puede deberse a que la estacin pluviomtrica que provee los datos de lluvia correspondientes a la subcuenca con punto de aforo en Vallimanca no es representativa de la lluvia en la regin. La subestimacin del modelo de los caudales bajos puede deberse a las canalizaciones de numerosos cursos de agua realizadas en la regin durante el siglo pasado, cuya ejecucin ha modificado el escurrimiento de la cuenca. En cunto al balance general de la cuenca, el modelo simula bien la relacin precipitacin-escorrenta indicando que menos del 10% de la precipitacin se transforma en escorrenta. Se han registrado importantes eventos de inundaciones en la cuenca desde el ao 1978 (Herzel et al, 2004). En Abril de 1980 se produjeron desbordes de los ros Salado, Vallimanca y Saladillo. Se registr una inundacin mnima de 25 das y hasta 5.5 meses en algunas regiones. En el ao 1984 se registraron inundaciones en Marzo y Abril. En el ltimo bimestre de 1985 ocurri una importante inundacin en toda la cuenca que se prolongaron por 40 a 80 das. Entre Marzo y Mayo de 1987 se inundaron 22 partidos de la cuenca con una duracin de entre 3 y 6 meses, alcanzando un mximo de 11 meses. En cuanto a sequas, durante el ao 1989 ocurri una sequa generalizada en toda la provincia, como consecuencia de la escasez de lluvia del ao anterior. En la Figura 4 se muestra la respuesta del modelo ante eventos registrados de inundaciones y sequas en las estaciones Guerrero y Saladillo (Figura 2) en el perodo 1978-1991. Se observa que SWAT reproduce adecuadamente los eventos mencionados, estimando picos altos de caudal en los meses en dnde se produjeron las inundaciones y bajos caudales en el perodo de sequa. Esto es importante ya que por las caractersticas de la cuenca, como la falta de capacidad para evacuar los excedentes hdricos, se producen inundaciones generalizadas y de larga duracin.

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a)

0

100

200

300

400

1992\1 1993\1 1994\1 1995\1

Achupallas

Q (m

3 /seg

)

obs swat

b)

0

100

200

300

400

1981\1 1982\1 1983\1 1984\1 1985\1 1986\1

Vallimanca

Q (m

3 /seg

)

obs swat

Figura 3: Series de caudal mensual observado y simulado en a) Achupallas b) Vallimanca

a)

0

100

200

300

400

500

1978\1 1979\1 1980\1 1981\1 1982\1 1983\1 1984\1 1985\1 1986\1 1987\1 1988\1 1989\1 1990\1 1991\1

Q (m

3 /seg

)

Saladillo

b)

0

200

400

600

800

1000

1200

1978\1 1979\1 1980\1 1981\1 1982\1 1983\1 1984\1 1985\1 1986\1 1987\1 1988\1 1989\1 1990\1 1991\1

Q (m

3 /seg

)

Guerrero

Figura 4: Series de caudal mensual simulado en a) Saladillo b) Guerrero.

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4. CONCLUSIONES

En este trabajo se ha calibrado el modelo hirdolgico SWAT en dos estaciones de la cuenca del Ro Salado. Las medidas estadsticas indican que la calibracin es aceptable y el modelo resulta eficiente para su utilizacin en cuencas de llanura de gran extensin. El anlisis de las series de caudales simuladas por el modelo en las estaciones Saladillo y Guerrero reproducen caudales altos en aos en donde se registraron inundaciones y caudales bajos en los aos secos. Pese a la escasa informacin de datos de lluvia ingresados al modelo, ste reproduce adecuadamente la relacin lluvia-escurrimiento. Es importante destacar dos aspectos de la calibracin del modelo: 1) La delineacin de la cuenca generada con MWSWAT presenta algunas diferencias con respecto al Atlas de la Secretara de Recursos Hdricos de la Repblica Argentina (Giraut et al. 2010) que pueden atribuirse a los inconvenientes que presentan los modelos de elevacin digital para representar con precisin la forma del terreno en reas de llanura, 2) Es de suponer que una mayor disponibilidad de observaciones de lluvias y caudales distribuidos uniformemente en la cuenca mejoraran tanto el proceso de calibracin del modelo como la calidad del ajuste obtenido. Los resultados obtenidos sugieren que el modelo puede ser aplicado provechosamente para realizar pronstico de caudales y anlisis de posibles impactos debidos a cambios en el uso del suelo que puedan producirse en la cuenca del Ro Salado.

Agradecimientos

Este trabajo fue realizado con fondos del Proyecto de Investigacin PIP 11420100100093 provistos por CONICET.

REFERENCIAS

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