Análisis comparativo de modelos determinísticos de simulación de cuencas

Abstract

La presente tesis tiene como objetivo general cumplir con los requerimientos establecidos para optar el título profesional de Ingeniero Civil. El trabajo que se presenta es un análisis comparativo de modelos que permite la obtención de caudales sintéticos a partir de la información hidroclimática, como son los registros de precipitación y evaporación. El porqué de este estudio se deriva de la importancia práctica que tiene la determinación de la cantidad, oportunidad de ocurrencia y calidad de los recursos hídricos donde, por lo general, no existen datos o son escasos y/o de pobre calidad; aunado a la generalización del uso de las computa doras, cada vez más eficientes, lo cual permite procesar mayor cantidad de datos con más confiabilidad en menos tiempo y ha dado lugar al desarrollo de la técnica de simulación. Por simulación se entiende la representación, en un computador, de un sistema físico por otro matemático, que pueda reproducir el comportamiento real. Los modelos estudiados corresponden a modelos de simulación de cuencas. Se realizó este trabajo con la finalidad de admitir o negar la validez de esta técnica como herramienta útil para los estudios hidrológicos. Se analizó la naturaleza y la estructura de modelos de precipitación-descarga que reciben y generan información a nivel mensual. Contemplan fenómenos físicos del tipo puramente pluvial y excluyen procesos predominantemente niveles, así como también la presencia de embalses. Uno de los modelos, desarrollado en Venezuela y de estructura más complicada, se denominó SIMHIDME y el otro desarrollado en España, con una estructura más simplista, se denominó TEMEZ. Ambos modelos se implementaron en un. solo programa de cómputo que permitiera el uso de uno de los modelos de acuerdo a la opción elegida. Este programa se denominó SIMTEM. Para evidenciar su aplicación práctica se utilizaron en la cuenca del rio Puclush, en Cajamarca, donde se tenía planificada la construcción de una central hidroeléctrica. El objetivo de esta aplicación fue el de generar des cargas que permitieran disponer del caudal de diseño y calcular los estimados para los beneficios de energía, en el punto de toma. Por no disponerse de datos confiables en este punto, se decidió calibrar el modelo usando los datos de una estación ubicada aguas abajo, llamada Las Paltas y luego transferirlos al punto de toma. Se procedió luego al análisis de consistencia de la información a fin de evidenciar la presencia de saltos, y tendencias concluyéndose que la información es confiable y homogénea. Habiendo analizado los datos básicos se procedió a seleccionar el período de calibración y a la estimación de los parámetros, esta última se realizó mediante corridas sucesivas del programa. Después de cada corrida, realizada con un conjunto de parámetros estimados, se examinó el hidrograma simulado encontrando las modificaciones requeridas por los parámetros para lograr una correlación más cercana entre el hidrograma simulado y el hidrograma observado, usando pruebas estadísticas y criterios prácticos para probar la bondad del ajuste. Una vez calibrado el modelo se simuló descargas para el período de 21 años con registros de precipitación y evaporación disponibles. Se compararon los hidrogramas simulados obtenidos con los dos modelos de precipitación descarga estudiados y un modelo probabilístico que tiene amplia difusión. Se concluyó que la modelación realizada por los modelos es satisfactoria. Para determinar el rango de validez de los parámetros obtenidos durante la calibración y la sensibilidad de los modelos ante un aumento o disminución de precipitación o evaporación, se realizó el análisis de sensibilidad correspondiente. Se identificó los parámetros más representativos de la cuenca y se verificó que ambos modelos no son sensitivos a los valores iniciales de los almacenamientos de humedad y el caudal subterráneo usados. Se determinó también que los modelos son capaces de responder a entradas de precipitación y evaporación mayores a las usadas en la calibración produciendo valores consistentes de caudales, es decir, son capaces de sintetizar desear gas dentro del rango de los usados en la calibración y aún fuera de él. Se discutió los criterios de aplicación de los modelos determinísticos y se concluyó que los modelos estudiados son útiles para la aplicación de descargas mensuales, siendo, en especial, adecuadas porque dan resultados satisfactorios con un mínimo de información. Del estudio teórico y de aplicación se ha derivado criterios que permiten racionalizar el uso de. este tipo de modelos para la determinación de la disponibilidad de recursos de agua. Complementariamente a la demostración de su aplicación práctica, se ha podido lograr a través del desarrollo del trabajo, un mayor conocimiento acerca de la interacción e importancia de la Hidrología Sintética en el desarrollo de la Ingeniería de Recursos Hidráulicos. En el transcurso del trabajo se encontró las siguientes dificultades: - No se pudo conseguir oportunamente el listado del modelo COSARR, que sintetiza caudales diarios y horarios, por lo que se decidió estudiar el modelo STANFORD IV. - En el curso del trabajo se determinó que el volumen de información requerido, por el modelo STANFORD IV y el análisis de tallado de su estructura ameritan una nueva tesis, esto, aunado al manejo de información de los modelos estudiados, obligó a restringir el estudio a los modelos SIMHIDME y TEMEZ. - La versión del modelo SIMHIDME se obtuvo de un trabajo en borrador y el listado era casi ilegible lo cual obligó a invertir mucho tiempo en su interpretación y puesta a punto. Se produjo un error en la determinación de los coeficientes de influencia de los registros pluviométricos en cada estación sobre la precipitación de la cuenca debido al uso de un planímetro descalibrado. Este fue un error que pasó desapercibido y no fue fácil de identificar pero que se evidenció en el proceso de calibración del modelo, puesto que después de muchas corridas no se encontraba consistencia entre los hidrogramas simulados y los observados habiéndose concluido que debía haber un error en los datos básicos. Por lo tanto, se hizo necesario la revisión de toda la información de entrada sucesivas veces hasta encontrar la fuente del error. Sin embargo, este hecho desafortunado permitió demostrar que los errores por falta de representatividad de los datos de entrada y los errores de los datos de caudal usados en la calibración son un problema importante, ya que si los pará metros se obtienen mediante el ajuste de datos errados se puede comprometer seriamente su efectividad. Debo agradecer sinceramente al Ingeniero Juan José Velásquez por su paciente asesoramiento y su colaboración en el desarrollo del presente estudio. En forma especial quiero agradecer al Ing. Julio Mallapoma, quien me brindó su apoyo y asistencia en el transcurso del trabajo. De manera extraordinaria agradezco a mis padres y hermanos sin cuyo apoyo moral y material hubiera sido imposible la conclusión de esta Tesis.