Tipos de cuenca hidrológicas y sus componentes de aportación
giittoInforme20 de Junio de 2017
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Universidad Laica “Eloy Alfaro” de Manabí[pic 1][pic 2]
Facultad de Ciencias Agropecuarias
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TEMA:
- MODELOS DE CUENCAS HIDROLÓGICAS
- Tipos de cuenca hidrológicas y sus componentes de aportación.
CARRERA:
INGENIERÍA EN RECURSOS NATURALES Y AMBIENTE
ESTUDIANTE
JONATHAN ALEXI ARCENTALES CHÁVEZ
MATERIA:
MANEJO INTEGRADO DE CUENCAS
DOCENTE
ING. EVELIN ZAMBRANO
CURSO
SEPTIMO “A”
2017 – 2018
MODELOS HIDROLÓGICOS
En los últimos años los modelos matemáticos han tenido un impresionante desarrollo en todas las áreas del conocimiento humano, científico y de los recursos naturales en general.
La importancia de los modelos radica, entre otros aspectos, en la simulación y predicción de los fenómenos físicos a corto, mediano y largo plazo. Asimismo a través de los modelos podemos obtener relaciones causa-efecto, sin haber realizado cambios en los sistemas reales.
Es una representación simplificada de un sistema real complejo llamado prototipo, bajo forma física o matemática. De manera matemática, el sistema real está representado por una expresión analítica.
En un modelo hidrológico, el sistema físico real que generalmente representamos es la 'cuenca hidrográfica' y cada uno de los componentes del ciclo hidrológico. De esta manera un modelo matemático nos ayudará a tomar decisiones en materia de hidrología, por lo que es necesario tener conocimiento de entradas (inputs) al sistema y salidas (outputs) a partir del sistema, para verificar si el modelo es representativo del prototipo.
Los modelos hidrológicos son entonces representaciones simplificadas de los sistemas hidrológicos reales, a partir del cual podemos estudiar la relación causa-efecto de una cuenca a través de los datos de entrada y salida, con los cuales se logra un mejor entendimiento de los procesos físicos hidrológicos que tienen lugar dentro de la cuenca. Además nos permite simular y predecir el comportamiento hidrológico de los procesos físicos en la cuenca. Generalmente los modelos hidrológicos se basan sobre los sistemas existentes y difieren en términos de su manejo y la magnitud de los componentes que integran el proceso hidrológico.
El objetivo de un modelo hidrológico es determinar con eficiencia y precisión los componentes del ciclo hidrológico de una cuenca y estimar eficientemente el comportamiento y la magnitud (abundancia y carencia) del agua en los fenómenos de frecuencia rara. La consideración y el uso de los modelos hidrológicos es primordial para apreciar, simular y predecir los daños causados por las inundaciones, para resolver problemas prácticos de inventarios, para planear, diseñar, manejar (administrar) y para la toma de decisiones de los recursos hidráulicos en una cuenca, región o país.
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Clasificación de modelos matemáticos hidrológicos
Diferentes criterios han sido utilizados para desarrollar una clasificación de los modelos matemáticos hidrológicos. Actualmente tres grupos han sido aceptados: Modelos determinísticos, Modelos Estadísticos y Modelos de Sistemas. Por la naturaleza del curso de Métodos de Análisis en Recursos Hídricos, sólo serán descritos los modelos determinísticos.
Modelos determinísticos
Un modelo matemático del tipo determinístico es aquel que tiende a establecer relaciones cuantitativas de causa-efecto, utilizando una relación directa para obtener una respuesta debida a un requerimiento, sea por medio de una ecuación empírica o por medio de un operador desarrollado a partir de criterios e hipótesis experimentales.
En un modelo determinístico no se considera la probabilidad de ocurrencia de valores y de variables implicadas en el proceso, pero si se considera que tal proceso esté representado (implícita o explícitamente) por una hipótesis, según la cual, el conocimiento de las leyes de la evolución de los fenómenos físicos y de su estado actual, permiten prevenir rigurosamente sus estados futuros en la física clásica.
Un modelo determinístico se utiliza en el caso que se disponga de poca información, caso frecuente de las obras de ingeniería hidráulica, en los cuales uno tiende a reconstruir indirectamente la evolución de los escurrimientos y flujos superficiales a partir del conocimiento de los eventos de lluvia diaria, de la cual se dispone generalmente de series temporales de datos.
Los principales elementos que están incluidos en los modelos determinísticos, son los siguientes:
- Tienen parámetros de entrada que representan las principales características físicas de la cuenca
- Tienen como variable de entrada la precipitación u otra variable meteorológica.
- Cálculo del flujo de agua, superficial y sub-superficial.
- Cálculo del almacenamiento de agua, superficial y sub-superficial.
- Cálculo de las pérdidas de agua del sistema o cuenca.
- Variables de salidas de la cuenca
Los ítems c, d y e son el corazón de los modelos determinísticos de las cuencas.
Un modelo determinístico consiste en una serie de sub-modelos, los cuales cada uno representa un proceso hidrológico particular (infiltración, flujo superficial, etc.) y usualmente es estructurado de acuerdo a ello.
Cada sub-modelo representa básicamente el flujo de agua y usualmente incluye un tipo de almacenamiento.
La salida del sub-modelo es una salida de flujo al siguiente sub-modelo o una pérdida de agua que si se dirige a la atmósfera es en realidad salida del sistema.
Los almacenamientos de agua son esencialmente parte del modelo desde que juegan un rol importante en la regulación del flujo en el tiempo, por ejemplo en el tránsito dinámico de flujo en canales.
La construcción de un modelo es el proceso de escoger los sub-modelos, unirlos entre ellos para formar un modelo de cuenca y obtener los resultados de salida del modelo.
Modelos Estadísticos
Los modelos estadísticos del tipo inductivo se basan en los métodos y las técnicas estadísticas para hacer notar sus relaciones de entrada y salida, en concordancia con el interés secundario de los procesos físicos del sistema.
El uso de los modelos estadísticos para una predicción, permite la explotación racional de la información disponible a corto y mediano plazo. Su uso es posible, cuando se dispone de series suficientemente grandes de información.
Los modelos estadísticos propiamente dichos se clasifican en modelos de regresión y correlación, en modelos probabilísticos y en modelos estocásticos.
En los modelos de regresión y correlación se desarrollan relaciones numéricas funcionales mediante el tratamiento estadístico de datos experimentales y los transforman y/o cuantifican en términos de coeficientes de correlación, límites de confianza y pruebas de significación. En este tipo de modelos, la información utilizada es de forma discreta con intervalos de discretización seleccionados de forma real.
Los modelos probabilísticos utilizan la noción de frecuencia para analizar el comportamiento de un fenómeno hidrológico. La información utilizada para la calibración debe ser independiente del tiempo. Como la muestra disponible para caracterizar la población y/o el proceso físico hidrológico es generalmente limitada, en la extrapolación de resultados se debe considerar un concepto de riesgo o error probable que el modelo debe cuantificar y considerar.
En los modelos estocásticos, la información que se utiliza se trata como datos históricos a manera de secuencia cronológica. Este tipo de modelos se utiliza frecuentemente para la predicción a corto plazo y a largo plazo de series hidrológicas, pero es necesario la comparación de las series observadas y simuladas.
Modelos de sistemas o optimización
Los modelos de optimización forman la 'hidrología de sistemas' y se define como el arte de seleccionar un número de alternativas posibles a partir de un conjunto particular de acciones y posibilidades para alcanzar ciertos objetivos, bajo condiciones y restricciones físicas, legales, económicas, sociales, ambientales etc.
Los tres componentes de la hidrología de sistemas son: Teoría de decisión, Análisis de Sistemas e Investigación Operativa.
Mientras que los modelos de simulación buscan reproducir la dinámica de un sistema, un modelo de optimización busca diseñar el mejor sistema.
Los métodos de optimización más utilizados en hidrología son: la programación lineal, la programación dinámica y la programación no lineal.
Modelos matemáticos determinísticos [HOMS J04, J80, K22, K35, K55, L20]
Hay muchas maneras de clasificar los modelos matemáticos. Un modelo puede ser, por ejemplo, estático o dinámico. Una relación entre los valores de dos variables, por ejemplo, la altura del agua del río y el caudal a través de una sección transversal en un mismo instante puede ser interpretada como un modelo de estado estacionario y descrita con ayuda de una ecuación algebraica. Un ejemplo de modelo dinámico es la relación cuantitativa entre el flujo fluvial a través de una sección transversal dada en un instante dado y un conjunto de valores antecedentes de precipitación de lluvia en la cuenca hasta la divisoria de la sección transversal, es decir, los modelos de lluvia-escorrentía. Los modelos dinámicos se formulan normalmente en términos de ecuaciones diferenciales ordinarias o en derivadas parciales. Hay varias formas de clasificar sin ambigüedades los modelos dinámicos. Se encontrará más información a este respecto en la obra de Singh (1988).
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