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1er CONGRESO IBEROAMERICANO SOBRE SEDIMENTOS Y ECOLOGÍA QUERÉTARO, QUERÉTARO MÉXICO, 21-24 JULIO 2015
CALIBRACIÓN DEL MODELO SWAT, EN LA CUENCA DEL RÍO
TURBIO, GUANAJUATO
Luis J.Martínez-Gopar1, Ilse D. Rodríguez-García
2; Laura A. Ibáñez-Castillo
3
1Egresado del Departamento de Irrigación,
2 Egresada del Departamento de Irrigación,
3Profesora Investigadora del
Departamento de Irrigación. Universidad Autónoma Chapingo. Carretera México-Texcoco, km 38.5, Chapingo,
Estado de México, C.P. 56230, MÉXICO.
E-mail: [email protected] (Autor responsable).
[email protected] (Autor responsable
INTRODUCCIÓN
La importancia de realizar un balance hidrológico en una
cuenca, especialmente en una cuenca mexicana, recae en el
hecho de que ante el presente cambio climático es necesario
conocer a detalle la producción y disponibilidad exacta del
recurso agua, sin dejar atrás que muchas de las cuencas
actualmente no cuentan ni con el instrumental o la
información histórica que permita realizar estimaciones de
dicho balance hidrológico.
El SWAT (Soil and Water Assessment Tool), es una
herramienta de Evaluación de Suelo y Agua, desarrollado
por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos
(USDA) (Neitsch et al., 2011). El SWAT integra un
número considerable de submodelos; sin embargo, su
fundamento es el balance hídrico para determinar la
entrada, salida y almacenamiento de agua en la cuenca.
La cuenca del río Turbio se localiza en los estados de
Guanajuato y Jalisco y ocupa una extensión del 85 % en el
estado de Guanajuato y el 15 % en el estado de Jalisco y
pertenece a la región hidrológica 12 Lerma-Santiago
(RH12), está delimitada al Noroeste con la cuenca del Río
Santiago, al Este con la cuenca del Río Guanajuato-Silao y
al Sur y Sureste, con la cuenca directa del Río Lerma
(PCEG.2013).
En los últimos años la cuenca del río Turbio ha presentado
problemas con respecto a la sobre-explotación de las aguas
superficiales y subterráneas, esto debido al gran crecimiento
poblacional y a la actividad agrícola; La explotación
agrícola en la cuenca del río Turbio es principalmente
abastecida por aguas superficiales, mientras que la demanda
de agua para las poblaciones es abastecida primordialmente
por acuíferos.
Por esta situación es que se decidió realizar el presente
trabajo, para modelar el balance hidrológico de la cuenca
del río Turbio considerando una de las características de los
acuíferos la permeabilidad y así como también el impacto
que tienen las presas y la extracción de agua para el uso
humano y agrícola, considerando adicionalmente la
calibración de la producción de sedimentos en la cuenca.
El presente trabajo busca observar y analizar el balance de
aguas en la cuenca del río Turbio, basándose en las
Unidades de Respuesta Hidrológica presentes en la cuenca,
así como en las características fisiográficas y geológicas de
las mismas, prestando particular atención a la interacción de
estas con el flujo de agua hacia y en los acuíferos presentes
en el área de estudio.
El trabajo puede ser utilizado para estimar la erosión en la
cuenca, permitiendo así la toma e implementación de
medidas de prácticas de conservación de suelo para retener
el suelo que puede terminar en el cauce y servir de base
para evaluar el pago de servicios ambientales por concepto
de recarga de acuíferos.
MATERIALES Y MÉTODOS
Descripción de la cuenca
La Cuenca del Río Turbio se encuentra en la región
hidrológica 12 (),está situada en la parte poniente del
Estado de Guanajuato, entre los paralelos 20° 18' y 21° 19'
latitud norte y los meridianos 101° 26' y 102° 17' longitud
oeste; colinda con los Estados de Guanajuato y Jalisco y
está delimitada al Noroeste con la cuenca del Río Santiago,
al Este con la cuenca del Río Guanajuato-Silao y al Sur y
Sureste, con la cuenca directa del Río Lerma. (PCEG.,
2013), según la CONAGUA hasta la estación hidrométrica
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las Adjuntas tiene un área drenada de 3006 km²
(CONAGUA, 2012).
Software usado
Para este estudio se ustilizó el SWAT, versión para ArcGis
10.1, en la versión 2012.10 (Stone Environmental Inc, et al.,
2013), disponible gratuitamente en la página web del
SWAT Texas A&M University (USDA-ARS and Texas
A&M AgriLife Research, 2013).
Información empleada
Topografía
Para alimentar el modelo SWAT se usó el modelo digital de
elevaciones del INEGI con una resolución de pixel de 30 m
(INEGI, 2013). Dentro del área de estudio las altitudes van
de 1706 a 2021 m, con una pendiente media de 31.45%, la
cual fue estimada por el propio SWAT.
Uso de suelo y vegetación
La información de uso de suelo y vegetación para el
periodo de calibración se obtuvo del conjunto de datos
vectoriales de las Cartas de Uso de Suelo y Vegetación de
la serie I, escala 1:250000, claves F1309, F1312, F1407,
F1410 para el área de estudio (INEGI, 1980), y se
identificaron 7 usos de suelo y vegetación. El SWAT,
internamente contiene una base de datos con parámetros
fisiotécnicos de las especies vegetales. Entre esos
parámetros están los siguientes: altura que alcanza la planta,
temperaturas máximas y mínimas en la cual crece,
profundidad de raíces, índice de área foliar, el valor del
coeficiente C para la ecuación Universal de perdida de
suelo, el valor del número de curva de escurrimiento, índice
de cosecha, y otros (Neitsch et al., 2011).
Suelos
La modelación hidrológica de la cuenca requirió de los
datos de las Cartas Edafológicas F1309, F1312, F1407,
F1410, escala 1:250000 de la serie II así como información
de los suelos presentes, obtenidos de las Unidades de Suelo
reportadas por INEGI (2006), Se tomó de referencia la
información de las cartas edafológicas, la cual reporta los 8
tipos de suelos presentes en la zona de estudio, así mismo
se tomaron en cuenta las propiedades de los suelos
reportadas. El modelo SWAT, para efectuar el balance
hidrológico y calcular la producción de sedimentos,
requiere para cada tipo de suelo 18 parámetros físicos y
químicos: textura, estructura, conductividad hidráulica, pH,
conductividad eléctrica, capacidad de campo, punto de
marchitez permanente, densidad aparente, contenido de
materia orgánica, contenido de carbono orgánico y
porosidad. Dichas propiedades fueron obtenidas de las
cartas edafológicas del INEGI, así como también de
estudios reportados por la Comisión Estatal del Agua de
Guanajuato.
Clima
La información del clima para la alimentación del modelo
se obtuvo de la base de datos del SMN (2013). Dentro de la
cuenca se identificaron 16 estaciones climatológicas
(Cuadro 1) de las cuales se obtuvieron datos diarios de
precipitación, temperaturas máximas y mínimas
correspondientes al periodo 1983-1986. Esos datos se
ingresan al programa en archivo de texto: uno para
precipitación y otro para temperaturas máximas y mínimas.
La evapotranspiración es un proceso importante en el
balance hidrológico diario que realiza el SWAT y fue
determinada por el método de Penman-Monteith, para lo
cual requirió datos de radiación y velocidad del viento.
Además, internamente, el SWAT genera datos perdidos por
un método de series de tiempo, mediante normales
climatológicas mensuales puede generar de manera sintética
algunos datos no disponibles a nivel diario para los varios
años simulados, como la radiación solar, velocidad del
viento y datos perdidos de precipitación y temperatura.
Cuadro 1. Estaciones meteorológicas en el área
ESTACIONES EN LA CUENCA DEL RÍO
Estado Clave Nombre Longitud Latitud Altitud
(msnm)
Gto 11020 El Palote, León -101.683 21.133 1842
Gto 11023 Guanajal, S. Fco.
Rincón -101.867 21.067 1778
Gto 11025 Hacienda De
Arriba, León -101.700 21.200 1950
Gto 11029 Jalpa, P. Del
Rincón -101.983 20.883 1840
Gto 11036 Las Adjuntas -101.850 20.683 1500
Gto 11040 Los Castillos,
León -101.683 21.150 1895
Gto 11045 Media Luna,
León -101.533 21.217 2090
Gto 11055 Purísima De
Bustos -101.883 21.033 1767
Gto 11095 León (La
Calzada), (Dge) -101.683 21.117 1850
Gto 11112 Cd. Manuel
Doblado -101.950 20.717 1721
Gto 11157 Peñuelas,Fco. Del
Rincón -101.833 21.050 1832
Gto 11159 Presa El Barrial -101.833 21.050 2043
Jal 14033 Comanja De
Corona, -101.750 21.317 1942
Jal 14123 San Diego De
Alejandría -102.000 21.000 1830
Jal 14157 Unión De San
Antonio -101.983 21.133 1858
Jal 14369 La Vaquera,
Arandas -102.233 20.867 2081
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Datos hidrométricos
Obtenidos del sistema de Banco Nacional de Datos de
Aguas Superficiales, BANDAS (CONAGUA, 2013) se
obtuvieron los aforos mensuales escurrimientos y
sedimentos en la estación de aforo Las Adjuntas para el
periodo de 1983-1986, periodo en el cual se tuvo la serie
mensual más completa de datos.
Metodología
El principio básico de funcionamiento interno del SWAT,
es el balance hidrológico diario de la cuenca (Neitsh et al.,
2011) y aunque su intervalo de tiempo de cálculo es diario,
el software también genera reportes mensuales y anuales.
Los procesos hidrológicos incluidos en tal balance reportan
resultados en láminas en milímetros. Entre los procesos
hidrológicos incluidos están la evapotranspiración y los
escurrimientos y da la opción de elegir varios métodos de
cálculo para cada uno de ellos; en este estudio se eligieron
los métodos de Penman-Monteith y Número de curva para
la evapotranspiración y escurrimientos respectivamente.
Una vez realizado el balance hidrológico efectúa otros
cálculos relevantes, como el cálculo de la producción de
sedimentos por el Método de la Ecuación Universal de
Pérdida de Suelo Modificada (MUSLE por sus siglas en
inglés).
Para la realización de este estudio se siguió una serie de
pasos desde la recopilación de la información hasta la
calibración del modelo. Para la calibración manual del
modelo se puso especial interés en calibrar dos productos de
salida del SWAT de los cuales hay valores medidos para
compararlos volúmenes de escurrimiento anual y mensual,
y producción de sedimentos.
Arnold et al. (2012) señalan que entre los parámetros más
sensibles que afectan los valores de volúmenes escurridos
se encuentra el parámetro de Número de Curva de
Escurrimiento (NC). Internamente, el SWAT tiene la tabla
de valores de NC del Servicio de Conservación de Suelos
(SCS), el cual es asignado según el tipo de suelo y su
cobertura vegetal. Pero Arnold et al. (2012) también
señalan que estos valores pueden variar en ±15 %,
considerando un rango de error aceptable de los valores de
NC reportados en las tablas del SCS. De hecho, los mismos
autores, señalan, que ajustar los parámetros en un rango de
±15 % es una práctica aceptable para ajustar los valores
estimados con el SWAT con los valores observados, asi
mismo se integraron los valores de las extracciones de
aguas para la demanda de la población y las extracciones
por las presas presentes en la cuenca. Para la calibración de
sedimentos se consideró lo señalado por Rivera-Toral et al.
(2012) de que la longitud de pendiente es un parámetro
sensible en el momento de calcular los sedimentos con la
ecuación MUSLE. Otro documento básico y clave en el
proceso de la calibración el de Arnold et al. (2001) quienes
guían al usuario de cuales parámetros son los más sensibles
y que pueden ser ajustados.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El SWAT parte de delimitar la cuenca a partir del MDE y la
salida de la cuenca que se le indique; de manera paralela a
la delimitación, divide a la cuenca en subcuencas y cada
subcuenca la divide en unidades hidrológicas de respuesta
(UHR). Esta división se efectúa para garantizar una
uniformidad de respuesta hidrológica en los cálculos y
después los efectos son sumados o transitados o ambos. En
este trabajo la cuenca de 3004.84 km2 fue dividida en 21
subcuencas cuya superficie varía entre 6 y 398 km2 con
pendiente media de subcuenca variando entre 0.5 y 14 %
(Figura 1).
El modelo exhibe resultados de balance hidrológico diario,
mensual o anual. En el presente estudio su calibración se
basó en datos mensuales y se optó por reportar los resultados mensuales y anuales, debido a la facilidad de
manipulación de los datos.
Figura 1. Delimitación de la cuenca del Río Turbio y su
subdivisión en subcuencas.
Producción de escurrimientos
Los escurrimientos fueron calibrados para los años 1983,
1984,1985 y 1986. La comparación entre los valores
anuales medidos en la estación hidrométrica Las Adjuntas y
los simulados por el modelo SWAT fueron comparados
(cuadro 2).
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Cuadro 2. Comparación entre láminas de escurrimiento
medido y simulado anual.
Escurrimientos
Año Medido Simulado
mm Mm
1983 16.84 24.04
1984 14.08 9.20
1985 7.76 6.04
1986 26.34 16.57
Entre las láminas escurridas medidas y simuladas por el
modelo se realizó un análisis de regresión dejando fuera el
primer año debido que el primer año es de calentamiento
para el programa. El valor de R2 (0.998) y la pendiente de la
recta (0.571) indican que la producción de agua simulada
por el modelo se compara favorablemente con los datos
medidos en la estación hidrométrica (figura 2).
Los valores de escurrimientos mensuales medidos en la
estación hidrométrica Las Adjuntas y los simulados por el
modelo SWAT, se compararon para el periodo de
calibración (Cuadro 3).
Cuadro 3. Comparación entre láminas escurridas medidas y
simuladas con el modelo SWAT
Me
s
En
e
Fe
b
M
ar
A
br
M
ay
Ju
n Jul
Ag
o
Se
p
Oc
t
No
v
Di
c
Añ
o Mm
Las
Adjuntas
19
83 0 0 0 0 0 0
7.5
9
1.5
4
6.6
1
0.4
7
0.4
5
0.
19
Simulad
o
19
83 0 0 0 0 0
0.
85
11.
41
4.
44
7.
33
0.
02 0 0
Las
Adjuntas
19
84
0.
10 0 0 0 0
1.3
2
10.
01
1.8
1
0.5
9
0.1
1
0.1
3
0.
02
Me
s
En
e
Fe
b
M
ar
A
br
M
ay
Ju
n Jul
Ag
o
Se
p
Oc
t
No
v
Di
c
Añ
o Mm
Simulad
o
19
84 0 0 0 0 0
2.
57
4.4
6
0.
38
1.
79 0 0 0
Las
Adjuntas
19
85
0.
08 0 0 0 0
0.5
6
3.5
8
2.5
2
0.2
7
0.2
4
0.3
1
0.
21
Simulad
o
19
85 0 0 0 0 0
1.5
6
2.4
4
0.5
3
0.3
3
1.1
8 0 0
Las
Adjuntas
19
86 0 0 0 0 0
3.2
5
7.9
2
3.0
8
3.1
8
7.7
4
0.6
6
0.
51
Simulad
o
19
86 0 0 0 0 0
5.
01
3.6
7
0.
23
6.
10
1.
56
0.
00 0
Los valores mensuales simulados se asemejan a los
aforados en la estación hidrométrica (Figura 2) y para
valores pequeños de escurrimientos medidos el modelo
tiende a subestimar esta variable.
En el análisis de regresión para los datos mensuales se
obtuvieron valores de 0.522 para R2 y 0.695 para la
pendiente de la recta (Figura 3), los cuales son aceptables.
El valor de la pendiente indica que el modelo subestima los
escurrimientos dentro de la cuenca.
Figura 2. Escurrimientos mensuales medidos y simulados para
el periodo de la calibración.
Figura 3. Comparación mensual entre escurrimientos medidos
y simulados para el periodo de calibración
y = 0.5714x + 1.4262 R² = 0.998
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
18.00
0.00 10.00 20.00 30.00
Escu
rrim
ien
to s
imu
lad
o (
mm
)
Escurrimiento medido (mm)
Escurrimientos a nivel Anual
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Producción de sedimentos
Para la calibración de sedimentos se utilizaron los cuatro
años de información registrada en la base de datos
BANDAS para la cuenca. BANDAS reporta el volumen de
sedimentos en millones de m3, el cual al afectarse por el
peso específico del sedimento y considerando el área de la
cuenca, se llega a un sedimento mensual reportado en
ton/ha (cuadro 4).
Cuadro 4. Comparación mensual de sedimentos medidos y
simulados para el periodo de calibración.
M
es
E
n
e
F
e
b
M
a
r
A
b
r
M
a
y
J
u
n
J
ul
A
g
o
S
e
p
O
c
t
N
o
v
D
ic
A
ñ
o
ton/ha
Las
Adju
ntas
1
9
8
3
0 0 0 0 0 0 6.
8
5
0.
7
1
4.
2
4
0.
1
5
0 0
Simu
lado
1
9
8
3
0 0 0 0 0 0.
8
6
1
1.
7
9
4.
5
7
7.
7
6
0.
0
2
0 0
Las
Adju
ntas
1
9
8
4
0 0 0 0 0 3.
1
5
8.
9
0
0.
6
0
0.
2
4
0.
0
4
0.
0
7
0
Simu
lado
1
9
8
4
0 0 0 0 0 2.
6
4
4.
4
3
0.
3
3
1.
8
8
0 0 0
Las
Adju
ntas
1
9
8
5
0.
0
6
0 0 0 0 0.
5
6
1.
9
7
2.
5
4
0.
1
5
0.
1
6
0.
2
3
0.
0
6
Simu
lado
1
9
8
5
0 0 0 0 0 1.
5
9
2.
4
4
0.
5
1
0.
3
5
1.
1
9
0 0
Las
Adju
ntas
1
9
8
6
0 0 0 0 0 2.
9
1
8.
7
3
4.
4
0
3.
5
7
5.
4
2
0.
2
7
0.
3
1
Simu
lado
1
9
8
6
0 0 0 0 0 5.
2
0
3.
6
6
0.
2
3
6.
5
2
1.
5
4
0 0
Los valores mensuales simulados se asemejan a los
aforados en la estación hidrométrica (Figura 4) y para
valores pequeños de sedimentos medidos el modelo tiende a
subestimar esta variable.
Figura 4. Sedimentos mensuales medidos y simulados para el
periodo de calibración.
En al análisis de regresión para sedimentos (Figura 5) los
valores para R2 0.499 y 0.751 para la pendiente de la recta
indican una calibración satisfactoria. Estos indicadores
muestran que la producción de sedimentos simulada se
compara satisfactoriamente con los datos medidos, aunque
en menor grado para la producción de escurrimientos.
Figura 5. Comparación mensual entre sedimentos medidos y
simulados para el periodo de calibración
La calibración del modelo SWAT se realizó para 4 años
consecutivos. Respecto a la producción de escurrimientos y
sedimentos, se resumen los valores de los coeficientes de
calibración (Cuadro 5).
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
1 7 131925313743
Sed
imen
tos
(to
n/h
a)
Meses
Sedimentos
Medido
Simulado
y = 0.7508x + 0.3171 R² = 0.499
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00
Sed
imen
tos
sim
ula
do
s (t
on
/ha)
Sedimentos medidos (ton/ha)
Sedimentos a nivel Mensual
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Cuadro 5. Resumen de los coeficientes de calibración del
modelo SWAT.
Desv.
Est.
Medida
Desv. Est.
Simulada r2
Pendiente
de la
regresión
Índice
de Nash
y
Sutcliffe
Anual
Escurrimientos (mm) 7.72 8.04 0.998 0.5714 0.41
Mensual
Escurrimientos (mm) 2.50 2.34 0552 0.6948 0.64
Sedimentos (ton/ha) 2.29 3.43 0.499 0.7508 0.41
CONCLUSIONES
En términos de las producciones de agua y sedimentos el
modelo SWAT fue calibrado satisfactoriamente para la
cuenca del Río Turbio, por lo que ahora el modelo puede
ser usado para validación y posteriormente a este como una
herramienta en la toma de decisiones sobre como priorizar
la problemática de la cuenca, o incluso como herramienta
que predice lo que pasaría en la cuenca ante la
implementación de prácticas de conservación de suelos en
la cuenca del Río Turbio.
La dinámica y magnitud de producción de escurrimientos
mensual fueron estimados por el modelo SWAT con
precisión aceptable, como lo muestran los coeficientes de
determinación para la calibración mensual.
El modelo SWAT permite estimar de forma aceptable la
producción de sedimentos en la cuenca del Río Turbio,
aunque en menor grado comparado con la producción de
escurrimientos, esto debido a la calidad de los datos
medidos y así mismo a que no en todas las estaciones miden
escurrimientos y sedimentos. Mientras no haya medición de
calidad, los modelos no serán calibrados satisfactoriamente.
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