David Goodrich1, Shea Burns2, Carl Unkrich1, Gabriel Sidman2

Presentación del tema: "David Goodrich1, Shea Burns2, Carl Unkrich1, Gabriel Sidman2"— Transcripción de la presentación:

1 David Goodrich1, Shea Burns2, Carl Unkrich1, Gabriel Sidman2
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 Title: Herramienta para Automatizar la Asesora Geospacial de Cuencas (AGWA), y la Herramienta KINEROS2 para la Predicción de Inundaciones Subtitle: Modelando Hidrología usando Herramientas de SIG con el Modelo de Escurrimiento Kinematico y Modelos de Erosión INIFAP, June, 2013 Torreon, MX

2 Introducción, Historia y Antecedentes
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 Resumen Introducción, Historia, y Antecedentes Aplicación para Análisis de Escenarios Componentes y Variables de Ingreso/Resultados Dirección corriente y Aplicaciones Pasadas Productos, Selecciones, y Contactos/Enlaces Agencias Importantes Involucrados con el Desarrollo de AGWA Agencias Importantes Involucrados con el Desarrollo de AGWA USDA-ARS US-EPA USGS Universidad de Arizona Universidad de Wyoming

3 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 Objetivos Iniciales para AGWA Desarrollar un interfaz automatizado y fiable para modelar hidrología Aplicable a cuencas con y sin instrumentación Investigar como responde la hidrología de la cuenca cuando el uso de suelo cambia (escurrimiento, erosión) - Cambios historicos y al futuro - Identificar regiones sensibles o en riesgo - Evaluar impactos de gestión Mejor entender procesos de cuencas y enfocar en variabilidad de suelo -

4 AGWA (Escurrimiento, Descarga Pico, Sedimentación, Nitrógeno, Fósforo)
Cómo se utilizan las Herramientas de AGWA para Realizar la Valoración y Análisis Completo de una Cuenca Alternativas Futuras (ejemplo: San Pedro, Willamette River, South Platte) Impactos de cambios históricos del paisaje (ejemplo: San Pedro/ Ciudad Nueva York) AGWA (Escurrimiento, Descarga Pico, Sedimentación, Nitrógeno, Fósforo) Herramienta de Apoyo para Decisiones sobre Valoración la Planeación Basado en la Cuenca (ejemplo: Infraestructura Verde, Mejores Prácticas, Frontera 2020) Sub-cuencas / Segmentos de Ríos en Riesgo a aumentos de Sedimentación y Escurrimiento (ejemplo: 404q) Como las herramientas de AGWA Sirven en Realizar una Asesora y Análisis Completo para una Cuenca Impactos de cambios historiales del paisaje Futuros Alternativos Sub-cuencas / Segmentos de Ríos en Riesgo a aumentos de Sedimentación y Escurrimiento Herramienta para apoyar Decisiones para la Asesora y Desarrollo de Cuencas (ejemplo: Infraestructura Verde, Mejores Practicas, Frontera 2020) -> AGWA (Escurrimiento, Pico de Flujo, Sedimentación, Nitrógeno, Fósforo)

5 AGWA – Lo Basico 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 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 asesoria de cambios relativos Dos modelos hidrológicos para abordar diferentes escalas SWAT para cuencas grandes, pasos de tiempo diario KINEROS para cuencas pequeñas, pasos de tiempo menos de una hora Funciones de SIG básicas delineación de cuenca división de cuenca en unidades pequeñas métodos simples y directos para parametrización del modelo ejecución de los modelos visualizar los resultados en espacio con diferentes resultados cruzando varias simulaciones

6 Analizando las Consecuencias Hidrológicas de Futuros Ambientes
Problema: Como afecta el cambio en el uso del suelo y cualquier cambio subsecuente a la cobertura a las condiciones hidrológicas y ecológicas y cual seria el balance entre las decisiones de manejo ? Pregunta: ¿Se puede manejar el desarrollo para minimizar impactos hidrológicos y ambientales? ¿Como se pueden valorar los impactos relativos a los efectos acumulativos de acciones del pasado, a acciones propuestas, o a acciones en un futuro razonable próximo? Estrategia: Invocar análisis de escenarios con las partes interesadas; aplicar modelos de proceso de cuencas via las Herramienta Automática Geoespacial para la Valoración de Cuencas (AGWA); analizar espacialmente la respuesta hidrológica de la cuenca para cada alternativa futura; cuantificar, visualizar, y comparar resultados para cada escenario. Analizando las Consecuencias Hidrológicas de Ambientes al Futuro Problema Como se impactan las condiciones hidrológicas y ecológicas dado cambios en uso de suelo, y que son los efectos secundarios entre decisiones de manejo? Pregunta ?Se puede manejar el desarrollo para minimizar impactos hidrológicos y ambientales? ?Como se puede asesorar impactos relativo a los efectos cumulativos de acciones del pasado, presente, y de lo que se puede esperar en el futuro. Estrategia Invocar análisis de escenarios con los actores mediáticos; aplicar modelos de proceso de cuencas via las Herramienta para Automatizar la Asesora Geospacial de Cuencas (AGWA); analizar en espacio como responde la hidrología de la cuenca para cada alternativa al futuro; cuantificar, visualizar, y comparar los resultados para cada escenario.

7 AGWA – Lo Básico 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. AGWA – Lo Básico 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 si no hay observaciones de lluvia y escurrimiento de alta calidad. - Através del tiempo en la misma cuenca con los mismos ingresos de datos. - Através de varias cuencas con los mismos ingresos de datos. - Evaluar cambios en las condiciones de la cuenca, incluyendo mejores practicas - Si hay observaciones, el modelo se puede calibrar para realizar estimados mas cuantitativos de escurrimiento y erosión. Southwest Watershed Research Center Tucson - Tombstone, AZ

8 Diseño Conceptual de AGWA
Proceso INPUTS & OUTPUTS Desarrollar Base de Datos de SIG Discretización de la cuenca (Elementos del Modelo) Discretizar la cuenca f(topografía) Modelo de Elevación Digital (DEM) Intersección de los elementos del modelo con suelo cobertura de suelo lluvia Caracterizar Elementos del Modelo f(cobertura de suelo, topografía, suelos) Derivar Parámetros Secundarios Tablas de referencia de Exp./Res. Ejecutar el modelo e importar los resultados Diseño Conceptual de AGWA Proceso Desarrollar Base de Datos de SIG Discretizar la cuenca f( topografía ) Caracterizar Elementos del Modelo f( cobertura de suelo, topografía, suelos) Derivar Parámetros Secundarios Desarrollar archivos de ingreso para el modelo Ver resultados del modelo Unir modelo a un SIG Resultados de KINEROS Infiltración de Canal (m3/km) Infiltración del Plano (mm) Escurrimiento (mm o m3) Producción de Sedimento (kg) Pico de flujo (m3/seg o mm/hora) Erosión de Canal (mm) Descarga de Sedimento (kg/s) Erosión (profundidad/area) Resultados de SWAT Precipitación (mm) Evapotranspiracion (mm) filtración (mm) Escurrimiento (mm) Perdidas de Transmisión (mm) Producción de Agua (mm) Producción de Sedimentos (ton/hec) Nitratos en escurrimientos (kg N/ha) Fósforo en escurrimientos (kg P/ha) Modelo de Elevación Digital (DEM) Discretizar 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) Resultados Escurrimiento (mm) Desarrollar archivos de ingreso para el modelo Ver resultados del modelo Unir modelo a un SIG Puede mostrar diferencias de simulaciones múltiples

9 Visualización de los Resultados
Varias simulaciones para una cuenca Calcular las diferencias entre los resultados de los modelos Visualización de los Resultados. Varias simulaciones para una cuenca. Calcular las diferencias entre los resultados de los modelos. Usar aumento de color para mostrar variabilidad espacial. Diferencias en la simulacion de los canales también se puede mostrar. Usa incremento de color para mostrar variabilidad espacial También se pueden mostrar las diferencias en la simulación de los canales .

10 Cobertura de Suelo: Cuenca Superior del Rió San Pedro 1973 – 1997
Cobertura de Suelo: Cuenca Superior del Rio San Pedro 1973 – 1997 Kepner, W.G., C. J. Watts, C.M. Edmonds, J. K. Maingi, S.E. Marsh, and G. Luna, A Landscape Approach for Detecting and Evaluating Change in a Semi-arid Environment. Journal of Environmental Monitoring and Assessment. Vol. 64, No. 1., pp

11 Amplificación de los Resultados en Tiempo y Espacio
Usando SWAT y KINEROS para la valoración integrada de cuencas Análisis del cambio en la cobertura del suelo y su impacto en la respuesta hidrológica Cuenca Superior del Río San Pedro Alto desarrollo urbano Sub-cuenca de Sierra Vista Resultados de KINEROS Bosque Robles Mesquital Matorrales Pradera Urbano 1997 Cobertura de Suelo Concentración urbana # ARIZONA SONORA Phoenix Tucson N Amplificación de los Resultados en Tiempo y Espacio Usando SWAT y KINEROS para accesoria integrada de cuencas Análisis de como responde la hidrología dado un cambio en el uso de suelo Cuenca Superior del Rio San Pedro Cambio en Producción de Agua entre 1973 y 1997 Alto desarrollo urbano Sub-cuenca de Sierra Vista Resultado de KINEROS Concentración urbano Bosque Robles Mesquita Matorrales Pradera Urbano Cambio en Producción de Agua entre 1973 y 1997 <<WY >>WY Resultados SWAT

12 Cambio en la Cobertura de Suelo 1973 – 1997 - Cuenca pequeña cerca de Sierra Vista
Bosque Robles Mesquita Matorrales Pradera Urbano Bosque Robles Mesquital Matorrales Pradera Urbano Cobertura de Suelo 1973 Cobertura de Suelo 1997 N km

13 Producción de Sedimento (ton/ha)
Simulación de Producción de Sedimento Usando Lluvias Determinadas - Subcuenca de Sierra Vista: Resultados de KINEROS Periodo de Retorno Lluvia (mm) Producción de Sedimento (ton/ha) % Cambio 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 Simulación Sobre la Producción de Sedimento Usando Lluvias Determinadas Subcuenca de Sierra Vista: Resultados de KINEROS Periodo de Retorno Lluvia (mm) Producción de Sedimento (ton/hect) % Cambio Periodo de Retorno de y 100 años Con una duración de 30 y 60 minutos 100 – 30 31.79 1803 2070 2180 2420 34.2 100 – 60 38.33 2580 2550 2890 3090 19.8 * Periodo de Retorno de y 100 años con una duración de 30 y 60 minutos

14 Resultados Mostrando Cambio en la Erosión Entre 1973 – Lluvia de 100 años con una duración de 30 minutos 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 Cambio en producción de sedimentación 1973 – 1997 (kg) Menos Mas

15 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 Delineación para una área de interés, discretizacion, y simulación del modelo Area de interés (parcela) 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 varios puntos de interés en una cuenca para los resultados del modelo - Obliga que el modelo crea un hidrógrafa / sedigrafa en esa localización Delineación para una area de interés, discretizacion, y simulación del modelo. Automáticamente identifica las salida para toda la cuenca que esta escurriendo una area de interes Intenta cubrir la area con las mas pocas y pequeñas cuencas necesarias Hace la discretizacion de la cuenca, identifica los parámetros, y ejecuta el modelo Incorporación de Elementos de Desarrollo de Bajo Impacto Cosecha de agua pluvial Modificación de canal de agua Pavimentación permeable (en progreso) Incorporación de Elementos de Desarrollo de Bajo Impacto Cosecha de agua pluvial Modificación de canal de agua Pavimentación permeable (en progreso)

16 Herramientas de Manejo Disponibles en AGWA (cont.)
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 Herramientas de Manejo Disponibles en AGWA (cont.) Herramienta de Zona de Colchón para un Riachuelo Geometría determinado por el usuario (largo y ancho) para cada colchón en la cuenca Permite que el usuario seleccione una nueva cobertura de suelo para cada elemento de colchón Simula el proceso de escurrimiento y captura de agua (vía infiltración interactiva en KINEROS2). Cuencas de detención, retencion y presas también se pueden incluir Lluvia Flujo en el terreno Infiltración Infiltración en el Canal Zona amortiguadora

17 Herramienta para Modificar la Cobertura del Suelo
Le 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.

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

19 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)