Herramienta Automática Geoespacial para la Valoración de Cuencas (AGWA), y la Herramienta

KINEROS2 para la Predicción de Inundaciones

Modelación Hidrológica usando Herramientas de SIG con el Modelo

Cinemático de Escurrimiento Erosión

David Goodrich1, Shea Burns2, Carl Unkrich1, Gabriel Sidman2

•USDA, Agricultural Research Service •University of Arizona

INIFAP, June, 2013Torreon, MX

Resumen

Introducción, Historia y Antecedentes

Aplicación para Análisis de Escenarios

Componentes y Variables de Ingreso/Resultados

Dirección actual y Aplicaciones Pasadas

Productos, Selecciones y Contactos/Enlaces

Agencias Importantes Involucrados con el Desarrollo de AGWA

USDA-ARS US-EPA USGS Universidad de Arizona Universidad de Wyoming

Objetivos Iniciales del AGWA• Desarrollar un interface automatizada y confiable

para modelación hidrológica

• Aplicable a cuencas con y sin instrumentación

• Investigar como responde la hidrología de la cuenca cuando el uso de suelo cambia (escurrimiento, erosión)

- Cambios históricos y en el futuro - Identificar regiones sensibles o en riesgo - Evaluar impactos de manejo

• Entender mejor los procesos de las cuencas y enfocarse en la variabilidad espacial de la cobertura

AGWA (Escurrimiento, Descarga Pico, Sedimentación, Nitrógeno, Fósforo)

Impactos de cambios históricos del paisaje(ejemplo: San Pedro/ Ciudad Nueva York)

Sub-cuencas / Segmentos de Ríos en Riesgo a aumentos de Sedimentación y Escurrimiento (ejemplo: 404q)

Alternativas Futuras (ejemplo: San Pedro, Willamette River, South Platte)

Cómo se utilizan las Herramientas de AGWA para Realizar la Valoración y Análisis Completo de una Cuenca

Herramienta de Apoyo para Decisiones sobre Valoración la Planeación Basado en la Cuenca (ejemplo: Infraestructura Verde, Mejores Prácticas, Frontera 2020)

• Dos versiones: V1.5 para ArcView 3.x, V3.x para ArcGIS 10.x• Salidas: volumen y pico de escurrimiento, sedimento, mas N y P• Método simple y directo para parametrización del modelo• Da resultados que se pueden repetir para la estimación de cambios

relativos• Dos modelos hidrológicos para abordar escalas múltiples

• SWAT para cuencas grandes, intervalos de tiempo diarios

• KINEROS para cuencas pequeñas, intervalos de tiempo menos de una hora

• Funciones de SIG básicas - delineación de cuenca- división de la cuenca en unidades pequeñas- métodos simples y directos para parametrización del

modelo- ejecución de los modelos- visualizar los resultados espacialmente y diferenciar los

resultados usando simulaciones múltiples

AGWA – Lo Basico

ProblemaProblema::

Como afecta el cambio en el uso del suelo y Como afecta el cambio en el uso del suelo y cualquier cambio subsecuente a la cobertura a las cualquier cambio subsecuente a la cobertura a las condiciones hidrológicas y ecológicas y cual seria el condiciones hidrológicas y ecológicas y cual seria el balance entre las decisiones de manejo ?balance entre las decisiones de manejo ?

PreguntaPregunta::

¿Se puede manejar el desarrollo para minimizar ¿Se puede manejar el desarrollo para minimizar impactos hidrológicos y ambientales?impactos hidrológicos y ambientales?

¿Como se pueden valorar los impactos relativos a los ¿Como se pueden valorar los impactos relativos a los efectos acumulativos de acciones del pasado, a efectos acumulativos de acciones del pasado, a acciones propuestas, o a acciones en un futuro acciones propuestas, o a acciones en un futuro razonable próximo?razonable próximo?

EstrategiaEstrategia::

Invocar análisis de escenarios con las partes Invocar análisis de escenarios con las partes interesadas; aplicar modelos de proceso de cuencas interesadas; aplicar modelos de proceso de cuencas via las Herramienta Automática Geoespacial para la via las Herramienta Automática Geoespacial para la Valoración de Cuencas (AGWA); analizar Valoración de Cuencas (AGWA); analizar espacialmente la respuesta hidrológica de la cuenca espacialmente la respuesta hidrológica de la cuenca para cada alternativa futura; cuantificar, visualizar, y para cada alternativa futura; cuantificar, visualizar, y comparar resultados para cada escenario. comparar resultados para cada escenario.

Analizando las Consecuencias Hidrológicas de Futuros Ambientes Analizando las Consecuencias Hidrológicas de Futuros Ambientes

AGWA – Lo Básico

Southwest Watershed Research Center Tucson - Tombstone, AZ

• Modelos Hidrológicos en AGWA (multi-escala y multi-temporal)– SWAT (continuo)– KINEROS2 (basado en cada evento)

• Es lo mejor para hacer Análisis de Cambios Relativos al menos que existan observaciones de lluvia y escurrimiento de alta calidad.– A través del tiempo en la misma cuenca con los mismos ingresos de

datos.

– A través de varias cuencas con los mismos ingresos de datos.

– Evaluar cambios en las condiciones de la cuenca, incluyendo mejores practicas

– Si existen observaciones, el modelo se puede calibrar para obtener estimaciones más cuantitativos de escurrimiento y erosión.

Proceso

Diseño Conceptual de AGWA

Desarrollar archivos de ingreso para el modelo

Derivar Parámetros SecundariosTablas de referencia de Exp./Res.

Caracterizar Elementos del Modelo f(cobertura de suelo, topografía, suelos)

Discretizar la cuenca f(topografía)

Ver resultados del modeloUnir modelo a un SIG

Desarrollar Base de Datos de SIG

INPUTS & OUTPUTS

Puede mostrar diferencias de simulaciones múltiples

Modelo de Elevación

Digital (DEM)

Discretización de la cuenca

(Elementos del Modelo)

Intersección de los elementos del

modelo con

suelo

cobertura de suelo

lluvia

Ejecutar el modelo e importar

los resultados

Resultados Escurrimiento (mm)

Visualización de los Resultados

Usa incremento de color para mostrar

variabilidad espacial

Calcular las diferencias entre los resultados de

los modelos

Varias simulaciones para una cuenca

También se pueden mostrar las diferencias en

la simulación de los canales .

http://www.epa.gov/esd/land-sci/san-pedro.htm Kepner, W.G., C. J. Watts, C.M. Edmonds, J. K. Maingi, S.E. Marsh, and G. Luna, 2000. A Landscape Approach for Detecting and Evaluating Change in a Semi-arid Environment. Journal of Environmental Monitoring and Assessment. Vol. 64, No. 1., pp. 179-195.

Cobertura de Suelo: Cuenca Superior del Rió San Pedro 1973 – 1997

Amplificación de los Resultados en Tiempo y Espacio

Alto desarrollo urbano 1973-1997

Cuenca Superior del Río San Pedro

#

#

ARIZONA

SONORA

Phoenix

Tucson

<<WY >>WY

Cambio en Producción de Agua entre 1973 y 1997

Resultados SWAT

Sub-cuenca de Sierra Vista

Resultados de KINEROS

N

BosqueRoblesMesquital MatorralesPraderaUrbano1997 Cobertura

de Suelo

Concentración urbana

Usando SWAT y KINEROS para la valoración integrada de cuencasAnálisis del cambio en la cobertura del suelo y su impacto en la respuesta hidrológica

Cobertura de Suelo 1973 Cobertura de Suelo 1997

N0 5 km

Cambio en la Cobertura de Suelo 1973 – 1997 - Cuenca pequeña cerca de Sierra Vista

BosqueRoblesMesquital MatorralesPraderaUrbano

Periodo de

Retorno

Lluvia (mm)

Producción de Sedimento (ton/ha) % Cambio 1973-1997

1973 1986 1992 1997

5 - 30 17.35 2.02 18.0 15.2 19.2 851

5 – 60 21.08 20.8 21.9 24.1 26.9 29.3

10 – 30 22.74 212 208 248 295 39.2

10 – 60 26.44 283 423 427 449 58.7

100 – 30 31.79 1803 2070 2180 2420 34.2

100 – 60 38.33 2580 2550 2890 3090 19.8

* Periodo de Retorno de 5- 10- y 100 años

con una duración de 30 y 60 minutos

Simulación de Producción de Sedimento Usando Lluvias Determinadas

- Subcuenca de Sierra Vista: Resultados de KINEROS

Cambio en producción

de sedimentación 1973 – 1997 (kg)

Bajo

Alto

Resultados Mostrando Cambio en la Erosión Entre 1973 – 1997 - Lluvia de 100 años con una duración de 30 minutos

Delineación para una área de interés, discretizacion, y simulación del modelo• Automáticamente identifica las salidas para toda la

cuenca que esta drenando una área de interés

• Intenta cubrir el área con el menor numero de cuencas y las más pequeñas necesarias

• Hace la discretizacion de la cuenca, identifica los parámetros, y ejecuta el modelo

Herramientas de Manejo Disponibles en AGWA Designar múltiples puntos de interés en

una cuenca para los resultados del modelo Obliga al modelo a crear un hidrograma / sedigrama

en esa localización

Area de interés(parcela)

Incorporación de Elementos de Desarrollo de Bajo Impacto

• Cosecha de agua pluvial

• Modificación de canal de agua

• Pavimentación permeable (en progreso)

Herramienta de Zona Amortiguadora para una Corriente

•Geometría determinada por el usuario (largo y ancho) para cada zona amortiguadora en la cuenca•Le permite al usuario seleccionar una nueva cobertura de suelo para la zona amortiguadora•Simula el proceso de escurrimiento y captura de agua (vía infiltración interactiva en KINEROS2).

También se pueden incluir cuencas de detención, retención y pequeños reservorios

Lluvia

Flujo en el terreno

InfiltraciónInfiltración en el Canal

Herramientas de Manejo Disponibles en AGWA (cont.)

Zona

amortiguadora

Herramienta para Modificar la Cobertura del SueloLe permite al usuario especificar el tipo y la localización de las alteraciones a la cobertura del suelo ya sea dibujando un polígono en la pantalla o seleccionando características especificas de un mapa de polígonos. Tipos de Cambios de la Cobertura del Suelo:• Cambiar toda el área definida por el usuario a una cobertura del suelo nueva (uniforme) • Cambiar la cobertura del suelo por otra cobertura (aleatoria o en parches/fractal) • Se puede especificar el % de éxito del cambio debido a la práctica (e.g. Manejo de arbustos, remoción de arbustos de las pendientes)• Cambios después de un incendio basados en la severidad del incendio.

Más Información

La aplicación AGWA es a nivel mundial y está apoyada por 2 La aplicación AGWA es a nivel mundial y está apoyada por 2 Sitios de Internet federales paralelos con documentación Sitios de Internet federales paralelos con documentación completa, capacidad de descarga del software, planes de completa, capacidad de descarga del software, planes de garantía de calidad, tutoriales, publicaciones y posters.garantía de calidad, tutoriales, publicaciones y posters.

http://www.epa.gov/nerlesd1/land-sci/agwa/

http://www.tucson.ars.ag.gov/agwa/

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Resultados de KINEROS Resultados de SWAT

Infiltración de Canal (m3/km) Precipitación (mm)

Infiltración del Plano (mm) Evapotranspiracion (mm)

Escurrimiento (mm o m3) Filtración (mm)

Producción de Sedimento (kg) Escurrimiento (mm)

Pico de flujo (m3/seg o mm/hora) Perdidas de Transmisión (mm)

Erosión de Canal (mm) Producción de Agua (mm)

Descarga de Sedimento (kg/s) Producción de Sedimentos (ton/hec)

Erosión (profundidad/area) Nitratos en escurrimientos (kg N/ha)

Fósforo en escurrimientos (kg P/ha)