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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
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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.
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2. Modelos hidrológicos
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SWMM: “ Storm Water Management Model”
2. Modelos hidrológicos
• 3 parámetros
• 1 parámetro de calibración
• 1 variable de estado
• Caudal de escorrentía
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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
-
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SOCONT: “ Soil Contribution”
2. Modelos hidrológicos
• 12 parámetros
• 4-9 parámetros de calibración
• 4 variables de estado
• Caudal de escorrentía• Caudal de base (infiltración)
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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 -
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
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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 -
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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
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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»
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
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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
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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 -
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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
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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
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3. División de sub-cuencas en bandas de altura
ConceptoDesarrollo de un modelo por sub-cuencas
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3. División de sub-cuencas en bandas de altura
ConceptoDesarrollo de un modelo por sub-cuencas, divididas en bandas de altura
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3. División de sub-cuencas en bandas de altura
MetodologíaDefinimos una cuenca de estudio
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3. División de sub-cuencas en bandas de altura
MetodologíaDividimos la cuenca en sub-cuencas
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3. División de sub-cuencas en bandas de altura
MetodologíaNos centramos en nuestra cuenca de estudio
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3. División de sub-cuencas en bandas de altura
MetodologíaDividimos cada sub-cuenca en bandas de altura
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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
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GSM-Glacier
SOCONT
Kinematic river
Junction
3. División de sub-cuencas en bandas de altura
MetodologíaCalculamos la superficie de cada banda de altura
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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
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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
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4. Estación meteorológica virtual
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4. Estación meteorológica virtual
Estación Meteorológica Virtual
Centro de gravedad de la sub-cuenca
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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4. Estación meteorológica virtual
Evapotranspiración potencialDiferentes métodos de calculo teórico
TurcThornthwaitePenman-MonteithWendlingHamonHandeOudinHargreaves-SamaniMakkinkPriestley-TaylorMcGuinnessPrimault
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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
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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