t2 modelos hidrologicos

20
Lima, 6 de mayo de 2014 Modelos hidrológicos semi-distribuidos (SOCONT, SAC-SMA, HBV, GR4J) Javier GARCÍA HERNÁNDEZ Alain FOEHN SEMINARIO DE FORMACIÓN EN MODELIZACION HIDROLOGICA E HIDRAULICA CON RS MINERVE 1. Introducción 2

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modelos hidrologicos

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Page 1: T2 Modelos hidrologicos

Lima, 6 de mayo de 2014

Modelos hidrológicos semi-distribuidos

(SOCONT, SAC-SMA, HBV, GR4J)

Javier GARCÍA HERNÁNDEZAlain FOEHN

SEMINARIO DE FORMACIÓN EN MODELIZACION HIDROLOGICA E HIDRAULICA CON RS MINERVE

1. Introducción

2

Page 2: T2 Modelos hidrologicos

1. Introducción

Modelo hidrológico semi-distribuido

El modelo semi-distribuido divide la cuenca en diferentes sub-cuencas.

A continuación, el caudal fluvial de cada una de estas sub-cuencas se calcula a partir de los flujos totales (infiltración,escorrentía,…) obtenidos por medio de los modeloshidrológicos u otros métodos.

Finalmente, estos volúmenes de escorrentía se propagan ríoabajo para obtener un cálculo estimado del caudal en la salidade la cuenca más amplia.

3

2. Modelos hidrológicos

4

Page 3: T2 Modelos hidrologicos

SWMM: “ Storm Water Management Model”

2. Modelos hidrológicos

• 3 parámetros

• 1 parámetro de calibración

• 1 variable de estado

• Caudal de escorrentía

5

SWMM: “ Storm Water Management Model”

2. Modelos hidrológicos

Object Name Units Description Regular Range

SWMM

A m2 Surface of runoff >0L m Length of the plane >0J0 - Runoff slope >0K m1/3/s Strickler coefficient 0.1 to 90

HIni m Initial water level downstream of the surface

-

6

Page 4: T2 Modelos hidrologicos

SOCONT: “ Soil Contribution”

2. Modelos hidrológicos

• 12 parámetros

• 4-9 parámetros de calibración

• 4 variables de estado

• Caudal de escorrentía• Caudal de base (infiltración)

7

SOCONT: “ Soil Contribution”

2. Modelos hidrológicos

Object Name Units DescriptionRegular

Range

SOCONT

A m2 Surface of infiltration >0An mm/°C/day Degree-day snowmelt coefficient 0.5 to 20

ThetaCri - Critical relative water content of the snow pack 0.1bp s/m Melt coefficient due to liquid precipitation 0.0125

Tcp1 °C Minimum critical temperature for liquid precipitation 0

Tcp2 °C Maximum critical temperature for solid precipitation 4

Tcf °C Critical snowmelt temperature 0HGR3Max m Maximum height of infiltration reservoir 0 to 2

KGR3 1/s Release coefficient of infiltration reservoir0.00025 to

0.1L m Length of the plane >0J0 - Runoff slope >0Kr m1/3/s Strickler coefficient 0.1 to 90

HsnowIni m Initial snow height -HGR3Ini m Initial level in infiltration reservoir -

HrIni m Initial runoff water level downstream of the surface -

ThetaIni - Initial relative water content in the snow pack -

Page 5: T2 Modelos hidrologicos

GR4J: “Génie Rural à 4 paramètres Journalier”

2. Modelos hidrológicos

• 5 parámetros

• 4 parámetros de calibración

• 2 variables de estado

Posibilidad de asociar un modelo de nieve:

• + 5 parámetros

• + 2 variables de estado

• Caudal total

9

GR4J: “Génie Rural à 4 paramètres Journalier”

2. Modelos hidrológicos

Object Name Units Description Regular Range

GR4J

A m2 Surface of the basin >0X1 m Capacity of production store 0.1 to 1.2X2 m Water exchange coefficient -0.005 to 0.003X3 m Capacity of routing store 0.02 to 0.3X4 d UH time base 1.1 to 2.9SIni m Initial water content in the production reservoir -RIni m Initial water level in the routing reservoir -

10

Page 6: T2 Modelos hidrologicos

2. Modelos hidrológicos

HBV: “ Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning»

• 15 parámetros

• 10-14 parámetros de calibración

• 5 variables de estado

• Caudal de escorrentía• Caudal del reservorio superior• Caudal del reservorio inferior

Caudal de infiltración

11

2. Modelos hidrológicos

Object Name Units Description Regular Range

HBV

A m2 Surface of the basin >0CFMax mm/°C/day Melting factor 0.5 to 20

CFR - Refreezing factor 0.05CWH - Critical relative water content of the snow pack 0.1

TT °C Threshold temperature of rain/snow 0 to 3TTInt °C Temperature interval for rain/snow mixing 0 to 3TTSM °C Threshold temperature for snow melt 0Beta - Model parameter (shape coefficient) 1 to 5FC m Maximum soil storage capacity 0.050 to 0.65

PWP m Soil permanent wilting point 0.030 to 0.65SUMax m Upper reservoir water level threshold 0 to 0.10

Kr 1/d Near surface flow storage coefficient 0.05 to 0.5Ku 1/d Interflow storage coefficient 0.01 to 0.4Kl 1/d Baseflow storage coefficient 0 to 0.15

Kperc 1/d Percolation storage coefficient 0 to 2HsnowIni m Initial snow height -

WHIni - Initial relative water content in the snow pack -HIni m Initial humidity -

SUIni m Initial upper reservoir water level -SLIni m Initial lower reservoir water level -

HBV: “ Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning»

Page 7: T2 Modelos hidrologicos

Direct

Runoff

Surface

Runoff

Interflow

Supplemental

Baseflow

Primary

Baseflow

Qtot

(Total

Runoff)

QSubSurf

(Subsurface Discharge)

Upper Zone

Lower ZonePercolation

PFREE1-PFREE

Tension

Water

Rserv

Primary

Free

Water

Supplementary

Free

Water

Lzpk

Lzsk

Uzk

Pervious

Area

Add. Impervious

Area

Impervious

Area Pctim

Side

P (Precipitation)ETR

ZPERC, REXP

Tension

Water

Riva

AdimC

UztwC

LztwC

LzfpCLzfsC

Free

Water

UzfwC

QGrnd

QSurf

UztwMax UzfwMax

LztwMax LzfpMax LzfsMax

Adimp

SAC-SMA: “ Sacramento Soil Moisture Accounting”

2. Modelos hidrológicos

• Caudal de superficie:• Caudal de

escorrentía• Interflujo

• Caudal de infiltración• Caudal de base

primario• Caudal de base

suplementario

13

Direct

Runoff

Surface

Runoff

Interflow

Supplemental

Baseflow

Primary

Baseflow

Qtot

(Total

Runoff)

QSubSurf

(Subsurface Discharge)

Upper Zone

Lower ZonePercolation

PFREE1-PFREE

Tension

Water

Rserv

Primary

Free

Water

Supplementary

Free

Water

Lzpk

Lzsk

Uzk

Pervious

Area

Add. Impervious

Area

Impervious

Area Pctim

Side

P (Precipitation)ETR

ZPERC, REXP

Tension

Water

Riva

AdimC

UztwC

LztwC

LzfpCLzfsC

Free

Water

UzfwC

QGrnd

QSurf

UztwMax UzfwMax

LztwMax LzfpMax LzfsMax

Adimp

SAC-SMA: “ Sacramento Soil Moisture Accounting”

2. Modelos hidrológicos

• 17 parámetros

• 16 parámetros de calibración

• 6 variables de estado

Posibilidad de asociar un modelo de nieve:

• + 5 parámetros

• + 2 variables de estado

14

Page 8: T2 Modelos hidrologicos

SAC-SMA: “ Sacramento Soil Moisture Accounting”

2. Modelos hidrológicos

Object Name Units Description Regular Range

SAC-SMA

A m2 Surface of the basin >0

Adimp - Maximum fraction of an additional impervious area due to saturation 0 to 0.2

Pctim - Permanent impervious area fraction 0 to 0.05Riva - Riparian vegetarian area fraction 0 to 0.2

UztwMax m Upper zone tension water capacity 0.01 to 0.15UzfwMax m Upper zone free water capacity 0.005 to 0.10

Uzk 1/d Interflow depletion rate from the upper zone free water storage 0.10 to 0.75Zperc - Ratio of maximum and minimum percolation rates 10 to 350Rexp - Shape parameter of the percolation curve 1 to 4Pfree - Percolation fraction that goes directly to the lower zone free water storages 0 to0.6

LztwMax m The lower zone tension water capacity 0.05 to 0.40LzfpMax m The lower zone primary free water capacity 0.03 to 0.80LzfsMax m The lower zone supplemental free water capacity 0.01 to 0.40Rserv - Fraction of lower zone free water not transferable to lower zone 0 to 1Lzpk 1/d Depletion rate of the lower zone primary free water storage 0.001 to 0.03Lzsk 1/d Depletion rate of the lower zone supplemental free water storage 0.02 to 0.3

Side - Ratio of deep percolation from lower zone free water storages 0 to 0.5

AdimIni m Initial tension water content of the Adimp area -UztwIni m Initial upper zone tension water content -UzfwIni m Initial upper zone free water content -LztwIni m Initial lower zone tension water content -LzfpIni m Initial lower zone free supplemental content -LzfsIni m Initial lower zone free primary content -

15

GSM: “Glacier Snow Melting”

2. Modelos hidrológicos

• 11 parámetros

• 4-10 parámetros de calibración

• 4 variables de estado

• Caudal de fusión de nieve• Caudal de fusión glaciar

16

Page 9: T2 Modelos hidrologicos

2. Modelos hidrológicos

GSM: “Glacier Snow Melting”Object Name Units Description Regular Range

GSM

A m2 Surface of infiltration >0

An mm/°C/day Degree-day snowmelt coefficient 0.5 to 20

ThetaCri - Critical relative water content of the snow pack 0.1

bp s/m Melt coefficient due to liquid precipitation 0.0125

Agl mm/°C/day Degree-day icemelt coefficient 0.5 to 20

Kgl 1/d Release coefficient of icemelt reservoir 0.1 to 5Ksn 1/d Release coefficient of snowmelt reservoir 0.1 to 5

Tcp1 °C Minimum critical temperature for liquid precipitation 0

Tcp2 °C Maximum critical temperature for solid precipitation 6

Tcf °C Critical snowmelt temperature 0

Tcg °C Critical glacier melt temperature0

HsnowIni m Initial snow height -QsnowIni m3/s Initial outflow of linear snow reservoir -

QglacierIni m3/s Initial outflow of linear glacier reservoir -

ThetaIni - Initial relative water content in the snow pack -

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

18

Page 10: T2 Modelos hidrologicos

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

ConceptoDesarrollo de un modelo por sub-cuencas

19

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

ConceptoDesarrollo de un modelo por sub-cuencas, divididas en bandas de altura

20

Page 11: T2 Modelos hidrologicos

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaDefinimos una cuenca de estudio

21

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaDividimos la cuenca en sub-cuencas

22

Page 12: T2 Modelos hidrologicos

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaNos centramos en nuestra cuenca de estudio

23

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaDividimos cada sub-cuenca en bandas de altura

24

Page 13: T2 Modelos hidrologicos

GSM-Glacier

SOCONT

Kinematic river

Junction

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaEncontramos el centro de gravedad (X, Y, Z) de cada banda de altura y calculamos las características de los ríos

25

GSM-Glacier

SOCONT

Kinematic river

Junction

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaCalculamos la superficie de cada banda de altura

26

Page 14: T2 Modelos hidrologicos

Sub-model

Kinematic river

Junction

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaAgrupamos las bandas de altura de cada sub-cuenca en sub-modelos y creamos las confluencias

27

Sub-model

Kinematic river

Junction

3. División de sub-cuencas en bandas de altura

MetodologíaEl modelo hidrológico está listo para ser creado en el programa de simulación hidrológica

28

Page 15: T2 Modelos hidrologicos

4. Estación meteorológica virtual

29

4. Estación meteorológica virtual

Estación Meteorológica Virtual

Centro de gravedad de la sub-cuenca

30

Page 16: T2 Modelos hidrologicos

Estación Meteorológica Virtual

Polígonos de Thiessen

• 9 parámetros

• 0-6 parámetros de calibración

Centro de gravedad de la sub-cuenca

X X

X

X

))(( iss

ksS zzdz

dPPCoeffPP −⋅+⋅=

))(( iss

ksS zzdz

dTTCoeffTT −⋅++=

))(( iss

ksS zzdz

dETPETPCoeffETPETP −⋅+⋅=

4. Estación meteorológica virtual

31

Estación Meteorológica Virtual

Shepard (inverso distancia2)

• 10 parámetros

• 0-7 parámetros de calibración

Centro de gravedad de la sub-cuenca

X

X

4. Estación meteorológica virtual

32

Page 17: T2 Modelos hidrologicos

P

P

Estación Meteorológica Virtual

Shepard (inverso distancia2)

• 10 parámetros

• 0-7 parámetros de calibración

=

=

⋅−⋅+⋅=

n

i si

n

i siis

si

sS

d

dzz

dz

dPP

CoeffPP

12,

12,

1

1)(

4. Estación meteorológica virtual

33

T

T

Estación Meteorológica Virtual

Shepard (inverso distancia2)

• 10 parámetros

• 0-7 parámetros de calibración

=

=

⋅−⋅++=

n

i si

n

i siis

si

sS

d

dzz

dz

dTT

CoeffTT

12,

12,

1

1)(

4. Estación meteorológica virtual

34

Page 18: T2 Modelos hidrologicos

ETP

Estación Meteorológica Virtual

Shepard (inverso distancia2)

• 10 parámetros

• 0-7 parámetros de calibración

=

=

⋅−⋅+⋅=

n

i si

n

i siis

si

sS

d

dzz

dz

dETPETP

CoeffETPETP

12,

12,

1

1)(

4. Estación meteorológica virtual

35

Object Name Units Description Regular Range

Station

X, Y, Z m Coordinates of the virtual station -Search radius m Search radius of weather stations >0

No. min. of stations

-Minimal number of stations used for interpolation (higher priority than “Search Radius”)

≥1

Gradient P m/s/m Precipitation gradient - a

Gradient T °C/m Temperature gradient -0.007 to -0.004Gradient ETP m/s/m Evapotranspiration gradient - a

Coeff P - Multiplying correction coefficient 0.5 to 2

CoeffT °C Adding correction coefficient -2 to 2

Coeff ETP - Multiplying correction coefficient 0.5 to 2

4. Estación meteorológica virtual

Estación Meteorológica Virtual

36

Page 19: T2 Modelos hidrologicos

4. Estación meteorológica virtual

Evapotranspiración potencialDiferentes métodos de calculo teórico

TurcThornthwaitePenman-MonteithWendlingHamonHandeOudinHargreaves-SamaniMakkinkPriestley-TaylorMcGuinnessPrimault

37

4. Estación meteorológica virtual

Evapotranspiración potencialTurc

McGuinness

Oudin

00

0)50(15

≤=

>+⋅+

⋅⋅=

TifETP

TifRgT

TKCoeffETPETP

FebruaryMonthifK

FebruaryMonthifK

==≠=

37.0

4.0

50

568

5

−≤=

−>+⋅+

⋅=

TifETP

TifTRg

CoeffETPETP a

ρλ

50

5100

5

−≤=

−>+⋅⋅

⋅=

TifETP

TifTR

CoeffETPETP e

ρλ

38

Page 20: T2 Modelos hidrologicos

39

� “Remember that all models are wrong; the practicalquestion is how wrong do they have to be to not be useful”

(Box and Draper, 1987)

Gracias por su atención