Simulación hidrológica de la cuenca del río Teapa

Introducción

Comprender el funcionamiento hidrológico de una región, es importante para la evaluación, desarrollo y manejo de sus recursos hídricos. Los modelos hidrológicos tienen como objetivo estimar los recursos hídricos en una cuenca. La modelación hidrológica continua es una evolución natural del enfoque de diseño basado en eventos en la hidrología moderna. Mejora la transformación lluvia-escurrimiento, proporciona a los profesionales información hidrológica de salida más efectiva para la evaluación de riesgos (Grimaldi et al. 2022). Esta investigación tiene como objetivos: a) evaluar la eficiencia del modelo hidrológico CEQUEAU para simular los caudales medios diarios de la cuenca del río Teapa, y b) calibrar y validar el modelo en la estación hidrométrica Teapa (Clave CONAGUA: 30032). CEQUEAU es un modelo hidrológico de parámetros distribuidos de uso libre. Este se ha empleado en diferentes regiones (Canadá, Marruecos, México, España, Senegal, etc.) para la modelación hidrológica de cuencas. CEQUEAU puede ser aplicado para diferentes fines, por ejemplo: a) obtención de caudales en sitios no aforados de la cuenca, b) completar registros hidrométricos faltantes en estaciones hidrométricas, c) diseño de infraestructura hidráulica para el control de inundaciones, d) abastecimiento de agua potable, y en general para la evaluación de los recursos hídricos en una cuenca.

Bâ et al. (2001) usaron CEQUEAU para la simulación de los caudales medios diarios en los ríos Amacuzac y San Jerónimo en el Estado de México, México. Bâ et al. (2013) simularon con CEQUEAU los caudales medios diarios del río Senegal en dos estaciones hidrométricas (Bakel y Kayes) y los niveles de agua diarios en el embalse Manantali. Llanos y Bâ (2011) evaluaron mediante CEQEUAU el comportamiento hidrológico del sistema de cuencas de los ríos Nervión e Ibaizabal (País Vasco). Vilchis-Mata et al. (2015) implementaron el uso de datos de precipitación estimada por sensores remotos para la simulación de caudales medios diarios en la cuenca del río Amacuzac (México) con el modelo CEQUEAU. Kwak et al. (2017) emplearon CEQUEAU para simular los caudales y temperaturas futuras del agua del río Fourchue (Quebec), con datos meteorológicos proyectados a futuro. Fniguire et al. (2022) utilizaron CEQUEAU para la simulación diaria de los caudales en una zona montañosa árida y semiárida en la cuenca del río Ourika, Marruecos.

METODOLOGÍA

El río Teapa es uno de los formadores del río de La Sierra, se encuentra en los estados de Chiapas y Tabasco, México en la R. H. No. 30 Grijalva-Usumacinta (Figura 1). La cuenca del río Teapa drena una superficie de 424 km² hasta la estación hidrométrica Teapa (Clave CONAGUA: 30032). La precipitación media anual en la zona en estudio tiene un rango de 2,500 a 4,000 mm. El clima predominante en la cuenca es cálido-húmedo.

El modelo hidrológico CEQUEAU se empleó para realizar la simulación hidrológica a nivel diario en la cuenca del río Teapa para el periodo de 1980 a 2017. CEQUEAU (Morin et al. 1998), se desarrolló en el Instituto Nacional de la Investigación Científica-Agua (INRS-EAU) de la Universidad de Québec, Canadá. CEQUEAU es un modelo hidrológico de parámetros distribuidos en donde la cuenca se divide en una malla de cuadros. Lo anterior permite al modelo calcular los caudales en cada cuadro y tener en cuenta las variaciones espacio temporales de las características fisiográficas de la cuenca (Magaña-Hernández et al. 2021). El modelo se encuentra estructurado en dos módulos principales (función de producción y de transferencia, Figura 2), que en conjunto describen el escurrimiento del agua desde que alcanza la superficie de la cuenca hasta la llegada al punto de salida (estación hidrométrica). La función de producción modela el flujo vertical del agua (lluvia, evapotranspiración, infiltración, etc.), calcula el volumen de agua en los tres recipientes que considera CEQUEAU (suelo, acuífero, lagos y ciénagas,). Por otro lado, la función de transferencia analiza el movimiento del flujo en la red de drenaje y tiene en cuenta la influencia de lagos, ciénegas e instalaciones artificiales tales como presas y derivaciones, entre otras (Morin y Paquet, 1995).

En la Figura 3 se presenta la estructura para la realizar una modelación hidrológica con el modelo CEQUEAU. La Tabla 1 muestra los datos de entrada para la implementación del modelo CEQUEAU en la cuenca del río Teapa. El modelo CEQUEAU requiere de una base de datos con información hidrometeorológica (caudales, precipitación, temperatura máxima y mínima), y de cuatro archivos en formato texto para realizar las simulaciones hidrológicas: datos fisiográficos (*.PHY), datos de la cuenca (*.BV), datos hidrometeorológicos (*.DHM) y parámetros del modelo (*.PAH).

Para este estudio, se recopilaron datos hidrometeorológicos diarios (caudales, precipitación, temperatura máxima y mínima) correspondientes al periodo de 1980 a 2017. Los registros de precipitación, temperatura máxima y mínima se obtuvieron de diez estaciones climatológicas de la base de datos Clima Computarizado (CLICOM). Además, se utilizó información hidrométrica de caudales medios diarios de la estación hidrométrica Teapa (Clave CONAGUA: 30032).

Los archivos de entrada a CEQUEAU se obtuvieron de forma automatizada con un módulo hidrogeomático desarrollado en el SIG Idrisi. En la aplicación del módulo hidrogeomático se utilizó: a) Modelo Digital de Elevación (MDE) de la zona en estudio, b) mapa de cobertura de suelo, c) mapa de la cuenca, y d) ubicación de diez estaciones climatológicas y de la estación hidrométrica Teapa.

La calibración del modelo CEQUEAU se efectuó para el periodo de 1990 a 2017, y la validación de 1980 a 1989 a nivel diario. En este estudio, la calibración se realizó a prueba y error, variando manualmente los parámetros del modelo y tratando de ajustar los hidrogramas simulados con los observados en la estación hidrométrica Teapa. La calibración es un proceso mediante el cual se ajustan los parámetros del modelo, el objetivo es minimizar la diferencia entre los caudales observados y simulados. La validación consiste en probar los parámetros obtenidos en la calibración para otro periodo de tiempo, con el objetivo de conocer la eficiencia de predicción del modelo.

Para evaluar la eficiencia del modelo se usaron tres estadísticas, de acuerdo con Moriasi et al. (2015): el coeficiente de eficiencia de Nash-Sutcliffe (muy bueno NSE > 0.80, bueno 0.70 < NSE ≤ 0.80, satisfactorio 0.50 < NSE ≤ 0.70, no satisfactorio NSE ≤ 0.50, ecuación [1]), el porcentaje de sesgo (muy bueno PBIAS < ±5, bueno ±5 ≤ PBIAS ≤ ±10, satisfactorio ± 10  ≤ PBIAS ≤  ±15, no satisfactorio  PBIAS  ≥  ±15, ecuación [2]) y el coeficiente de determinación (muy bueno R² > 0.85, bueno 0.75 < R² ≤ 0.85, satisfactorio 0.60 < R² ≤ 0.75, no satisfactorio R² ≤ 0.60, ecuación [3]).

donde Q_Obsi y Q_Cali = caudales observados y calculados en el día i (m³/s), y = caudales promedio observados y calculados en los n días (m³/s).

RESULTADOS

El módulo Idrisi-CEQUEAU permitió obtener la información fisiográfica (ocupación de suelo, altitudes y sentidos de flujos) requerida por el modelo, utilizando la información disponible en formato digital. La Tabla 2 muestra los parámetros obtenidos en la calibración del modelo CEQUEAU en la cuenca del río Teapa durante el periodo de 1990 a 2017. Se ajustaron 21 parámetros en la calibración y se usaron para la validación del modelo (1980 a 1989). En la Tabla 3 se presentan los resultados de la calibración y validación del modelo en la cuenca del río Teapa.

La Figura 4 presenta los hidrogramas de los caudales diarios interanuales observados y simulados en la estación hidrométrica Teapa. En el periodo completo de simulación (1980 a 2017, Figura 4a) el modelo es muy bueno (NSE = 0.82 y R² = 0.83), el PBIAS = 1.02 es positivo lo que indica que el modelo subestima los caudales, principalmente en los meses de marzo a mayo. En la calibración (1990 a 2017, Figura 4c) y validación (1980 a 1989, Figura 4e) el modelo es bueno con valores de NSE = 0.76.  CEQUEAU subestima los caudales en la calibración (PBIAS = 1.5) y los sobrestima en la validación (PBIAS = - 1.01). En los diagramas de dispersión (Figura 4b, 4d y 4f) se observa el buen desempeño del modelo, los caudales se encuentran agrupados a línea de 45°.

En la Figura 5 se presentan los hidrogramas de los caudales diarios observados y simulados para los años 1980, 1983 y 1999 en la estación hidrométrica Teapa. De acuerdo con Moriasi et al. (2015), el modelo es bueno ya que 0.70 < NSE ≤ 0.80, para 1980 (NSE = 0.79, Figura 5a) y 1983 (NSE = 0.79, Figura 5b); y muy bueno para 1999 (NSE = 0.86, Figura 5c). En los diagramas de dispersión (Figura 5b, 5d y 5f) se observa el buen desempeño del modelo, los caudales se encuentran agrupados a línea de 45° entre el rango de 10 a 90 m³/s.

La Figura 6 muestra los hidrogramas de los caudales diarios observados y simulados para los años 2000, 2005 y 2011 en la estación hidrométrica Teapa. De acuerdo con Moriasi et al. (2015), el modelo es satisfactorio ya que 0.50 < NSE ≤ 0.70, para 2000 (NSE = 0.70, Figura 6a) y 2005 (NSE = 0.67, Figura 6c); y bueno para 2011 (NSE = 0.74, Figura 6e) ya que 0.70 < NSE ≤ 0.80. En los diagramas de dispersión (Figura 6b, 6d y 6f) se observa el buen desempeño del modelo, los caudales se encuentran agrupados a línea de 45° entre el rango de 10 a 100 m³/s.

DISCUSIÓN

CEQUEAU es un modelo hidrológico de uso accesible y libre. Este se ha empleado en diferentes regiones climáticas. Los resultados presentados en esta investigación muestran que el modelo CEQUEAU es capaz de reproducir el proceso lluvia-escurrimiento de la cuenca del río Teapa; y se comparan con otros estudios realizados en México y otros países.

Díaz-Mercado et al. (2015), Torres et al. (2018) y Magaña-Hernández et al. (2021) realizaron estudios en la misma región climática con el modelo CEQUEAU. Díaz-Mercado et al. (2015) simularon los caudales medios diarios del río La Sierra hasta la estación hidrométrica Pueblo Nuevo (Clave CONAGUA: 30032) para el periodo de 1968 a 1998, obteniendo valores de NSE de 0.83 a 0.88 para los caudales diarios interanuales. Magaña-Hernández et al. (2022) aplicaron CEQUEAU para la estimación de caudales en sitios no aforados de la cuenca del río Tacotalpa, calibraron y validaron el modelo en la estación hidrométrica Tapijulapa (Clave CONAGUA: 30093) y Oxolotán (Clave CONAGUA: 30111), con valores de NSE de 0.94 y 0.97 en la calibración y de NSE de 0.89 en la validación. Torres et al. (2018) realizaron la simulación de hidrológica de la cuenca del río Teapa con el modelo MIKE-SHE. La calibración del modelo fue de 1998 a 2000 y la validación de 2003 a 2005. El NSE en la calibración se encuentra entre 0.40 y 0.64, y en la validación 0.35 y 0.46 para los caudales diarios en la estación hidrométrica Teapa. En este estudio se emplearon dos estaciones climatológicas y la estación hidrométrica Teapa para la calibración y validación del modelo.

En nuestra investigación se empleó el modelo CEQUEAU para la simulación de los caudales diarios de la cuenca del río Teapa. En la simulación hidrológica se usaron diez estaciones climatológicas, las cuales se encuentran dentro y fuera de la cuenca en estudio. Por lo anterior, se puede determinar mejor la distribución espacial de la lluvia. El NSE fue de 0.76 en la calibración (1900 a 2017) y de 0.76 en la validación (1980 a 1989).

CONCLUSIONES

En la investigación se usó el modelo hidrológico de parámetros distribuidos CEQUEAU para evaluar la eficiencia en la simulación de los caudales medios diarios de la cuenca del río Teapa para el periodo de 1980 a 2017. El modelo CEQUEAU se calibró de 1990 a 2017 y se validó de 1980 a 1989 en la estación hidrométrica Teapa. Las tres estadísticas empleadas para medir la eficiencia del modelo indican que este es bueno.

Finalmente, los resultados obtenidos en la simulación hidrológica de la cuenca del río Teapa mediante el modelo CEQUEAU, representan el comportamiento hidrológico de la cuenca en épocas de lluvia y estiaje.

Con respecto a las futuras investigaciones, es importante realizar simulaciones hidrológicas a una escala temporal menor, en cuencas donde se cuente con registros de lluvia en intervalos cortos, ya que esto es fundamental para el pronóstico hidrológico y la alerta de desastres. Una alternativa es el uso de precipitación estimada por satélite meteorológico que ofrece datos en tiempo real a diferentes escalas temporales y a nivel mundial. Sin embargo, existen incertidumbres en las estimaciones de lluvia por satélite, ya que determinan la lluvia indirectamente. Por lo anterior, es necesario validar esas estimaciones con mediciones de lluvia en el terreno para su uso en aplicaciones hidrológicas.

Referencias