Desarrollo de un primer modelo simple de escorrentía (caja negra) para el cálculo de la escorrentía superficial en una subcuenca del Fluvià.

Introducción.

El presente informe se enmarca dentro del los objetivos del proyecto ACCUA que se define como la Adaptabilidad al Cambio Climático en el Uso del Agua. Dentro de este marco de estudio el conocimiento del estado de las cuencas de Catalunya se presenta como un paso fundamental y prioritario para el conocimiento de la evolución de la disponibilidad del agua a través de los años. Es así como se hace fundamental conocer los fenómenos de escorrentía superficial y subsuperficial que ocurren en las cuencas de Catalunya y cómo estos fenómenos varían a través de los años debido a alteraciones climáticas globales o locales. Dichos cambios en la disponibilidad de agua definirán nuevos desafíos en cuanto al manejo del recurso ya sea con fines de consumo humano, agrícola o simplemente conservación del territorio. Para llevar a cabo el proyecto se ha propuesto el análisis de una cuenca experimental en la zona del Fluvià. Esta cuenca está situada en un área de una amplia variabilidad geográfica, topográfica y alta variabilidad de usos de suelo. Como paso preliminar en la cuenca del Fluvià se seleccionó un área aguas arriba de la ciudad de Olot. Se seleccionó la estación de Olot debido a la disponibilidad de datos, a la calidad de los datos y a la disponibilidad de datos meteorológicos de la estación de la Vall d’en Bas. Los datos utilizados en el estudio abarcan desde 1984 a 2008. El objetivo principal fue ajustar el modelo primario de escorrentía, tipo black-box, que permita efectuar futuras estimaciones de la escorrentía superficial de la cuenca de manera rápida a la vez que permite realizar un primer diagnóstico sobre la calidad de la información disponible. Este ejercicio surge como un primer paso esencial en la obtención de un modelo de escorrentía global para la cuenca del Fluvià. Posteriormente este procedimiento será replicado en las cuencas restantes evaluando así los cambios en la disponibilidad del agua a nivel regional en toda el área de Catalunya.

Primer modelo. Área de estudio. El área de estudio para el primer modelo desarrollado corresponde a la cuenca del Fluvià, ubicada entre la comarcas de la Garrotxa, el Pla de l’Estany y l’Alt Empordà. La cuenca presenta una alta diversidad de condiciones climáticas y de usos. Las partes más altas normalmente presentan lluvias más intensas (1200 mm) que las partes bajas y litorales (750 mm) de la cuenca. La media anual de las precipitaciones es de 970 mm. Los datos utilizados en el estudio abarcan desde los años 1984 al 2008.

Estación meteorológica Estación de aforo

Figura 1. Modelo de elevación digital del terreno de la cuenca el Fluvià con las estaciones meteorológicas y de aforo.

La cuenca en estudio tiene un área de 973 km2 y está cubierta principalmente por bosques y tierras destinadas a la producción agrícola en la zona de la Vall d’en Bas y el tramo bajo de la cuenca respectivamente (figura 1). Existen también algunos núcleos urbanos ubicados en su mayoría en la zona litoral. La parte alta de la cuenca está conformada por subcuencas con altas pendientes y las partes bajas con zonas de pendientes moderadas. La pendiente media del cauce en la zona de estudio es de 2,4%. Para el caso analizado en este informe, se seleccionó una subcuenca de tamaño pequeño, que dispusiera de datos de caudal y precipitación, con el fin de analizar fenómenos de escorrentía originados por las lluvias caídas. Esto permitió poner a punto la metodología a aplicar en el resto del proyecto. La subcuenca analizada correspondió al la zona aguas arriba de ciudad de Olot y posee una superficie de 132,4 km2 (figura 2). El uso de suelo principal es forestal con algunas áreas habilitadas para la producción agrícola y ganadera. Se seleccionó esta cuenca ya que presentaba una estación de aforo en funcionamiento y una estación pluviométrica con datos durante el período de estudio. Los datos meteorológicos utilizados para el estudio fueron los datos de precipitación registrados por la estación de la Vall d’en Bas ubicada aguas arriba de la estación de aforo. Para llegar a dicha selección de la estación, se analizó la correlación entre los

datos de aforo y las estaciones, con el fin de conocer si la distribución de los picos en los aforos coincidía con los picos en los datos meteorológicos. A continuación se muestra la subcuenca utilizada en el estudio.

Estación meteorológica Estación de aforo

Figura 2. Modelo de elevación digital del terreno de la cuenca el Fluvià. En negro se representa la subcuenca seleccionada para el estudio.

En negro se muestra la subcuenca utilizada para la determinación de la escorrentía. Si bien es cierto que se ha abarcado solo una parte de toda la cuenca, este estudio permitirá comprobar la bondad de la metodología a aplicar en el resto de la cuenca. Como ya se sabe existen otras estaciones de aforo y meteorológicas que serán útiles para determinación de valores de escorrentía para toda la cuenca.

Datos utilizados en el estudio. A continuación se muestran los datos de aforo y meteorológicos utilizados en el estudio (figura 3). En azul se presenta el registro de caudales medios diarios medidos a mediodía para la estación de aforo de Olot. Esta estación fue previamente seleccionada debido a la buena disponibilidad de datos. Por otro lado en negro aparece la precipitación total diaria medida en la estación meteorológica de la Vall d’en Bas. Esta estación está ubicada aguas arriba de la estación de aforo y fue también seleccionada por la disponibilidad de datos registrados a través del tiempo. La figura 3 muestra la estación de aforo de Olot, su sección de control y las series de datos utilizadas.

1984 - 2008

Figura 3. Estación de aforo de Olot.

Metodología de estudio.

La metodología de estudio utilizada en el presente trabajo aplica un balance hidrológico entre lluvia bruta, lluvia neta y pérdidas. Para la estimación de las pérdidas se considerará el método del SCS para abstracciones desarrollado en 1972 (Gómez y Nanía, 1992). El método se basa en la siguiente ecuación de balance:

P  Pe  I a  Fa

(1)

donde P corresponde a la precipitación total, Pe la precipitación efectiva, Ia la abstracción inicial (el agua que infiltra al suelo antes de comenzar la escorrentía) y Fa las pérdidas de precipitación después de iniciada la escorrentía. Adicionalmente, se introduce el concepto de retención máxima de cuenca, S, que representa la máxima cantidad de agua que puede quedar retenida en la cuenca por diferentes mecanismos de pérdidas. A partir de aquí, la hipótesis fundamental del método corresponde a:

Fa Pe  S P  Ia

(2)

Combinando ambas ecuaciones se obtiene la siguiente relación general que permite obtener la lluvia neta acumulada hasta un instante t, a partir de la lluvia bruta acumulada hasta ese mismo instante, la abstracción inicial y la retención máxima de cuenca: (P  I a )2 Pe  P  Ia  S

(3)

El valor de S puede calcularse en función de una variable nueva que se denomina Número de curva (Curve Number) CN a través de la siguiente ecuación:

4(mm) S 

25400  254( CN

(4)

El SCS también analizó la relación entre P y Pe en cuencas experimentales y propuso tabular el valor de CN en función del tipo de suelo y de la ocupación en superficie de las cuencas. Para estandarizarlas se definió el número de curva (CN) de tal manera que dicho número variara entre 0 y 100. Así se definió que a las superficies impermeables les corresponde un CN=100, ya que toda el agua que cae en ellas se convierte en escorrentía. Por otro lado para las superficies naturales, en general permeables, les corresponde un CN