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Ecosystem Functions and Services in IWRM
Road map of tools and assessmentsModels to aid
management decisions
Outline presentation
• Models as planning tools• Type of models• Basic Information• A water balance example• Discussion
Goal and objectives of the session
At the end of this session, participants will have a:
Basic knowledge about uses and limitations of models as planning tools,
Need for a good and reliable data base to validate the models and
Use of models to forecast environmental impacts and potential future scenarios.
Models
Some simple questions:
What is a model?
What do we need models for?
Can past event be a good indicator of future events?
Models
A model is an approximation of the reality.
It is an approximation, because the reality can be extremly complex and may never be fully understood.
Models
In the absence of perfect knowledge, the reality can be represented in a simplified way, by means of the system concept.
A system is a set of connected parts that form a whole.
The system response is determined by the interaction between the different parts in which the system is divided.
Models
By approximating the reality with the system approach, we can identify the impacts that changes, in the parts of system, will have in the system as a whole.
The information that we are getting is an approximation of the reality.
It is very important to define what aspects of the reality I need to know and evaluate.
Type of Models
Models can be:
Physical or abstract Deterministic or stochastic Lumped or distributed Steady or unsteady
Basic Information
In order to make good use of models, good and reliable information is needed.
To be able to forecast future impacts over the system, the model must be able to “forecast the past”.
Basic Information
Models have to be adjusted to the specific conditions and characteristics of the system that is being modelled.
This process is called calibration.
The calibration process needs good, reliable and long records of information.
Example
The water balance for the upper basin of the Tempisque River, Guanacaste, Costa Rica.
12
Study Area
Provincia de Guanacaste, región Pacífico Norte de Costa Rica.
Cuenca alta del río Tempisque delimitada hasta la Estación fluviográfica Guardia (#741901, ICE).
Area total de la subcuenca: 955km2.
Estación Guardia
Liberia
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Characteristics of the study area
USO DEL AGUA
Agroindustria
Población
Medio Ambiente0
100
200
300
400
500
ENE
FEB
MAR AB
R
MAY JU
N
JUL
AGO
SET
OCT
NOV
DIC
(mm
)
ESCORRENTÍA
PRECIPITACIÓN
14
General Goal of the Modelling Process
To develope a water balance model for the upper basin of the Tempisque River in order to be able to analyse diferent climatic scenarios and assess a minimum water flow for environmental purposes.
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Model Information and Scope
The model estimates the principal processes of the hydrologi cycle on a monthly basis.
It uses precipitation, solar radiation and runoff data to keep a record of the soil moisture, the evapotranspiration and the groundwater recharge.
Onve the model is calibrated according to the physical, characteristics, climatic conditions, land use and soil types of the basin, it can be used to evaluate the impacts of changes in land use, climatic change or water withdrawal on the runoff pattern and water availability in the area.
16
Model Information and Scope
Insufficient field information related to weather, hydrology, soil characteristics and land use.
Incomplete records.
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Methodology
18
Hojas cartográficas del Instituto Geográfico Nacional (IGN), escala 1:50.000, con curvas de nivel a cada 20m.
Mapas de Zona de Vida de Costa Rica, Centro Científico Tropical (CCT), escala 1:200.000.
Mapas de Capacidad de Uso de la Tierra, Fundación Neotrópica, de escala 1:200.000.
Mapas de Uso del Suelo, Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG), 1992.
CONTINUA…
Methodology
Recopilación de información básica
Preparación de la información meteorológica
Calibración del modelo
Delimitación de la cuenca
Cálculos preliminares
Aplicación del modelo
19
Methodology
Mapa Geológico de Costa Rica, Tournon & Alvarado, escala 1:200.000, 1997.
Datos mensuales de escorrentía y precipitación del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE).
Datos mensuales de precipitación, temperatura y brillo solar del Instituto Meteorológico Nacional (IMN).
Datos mensuales de precipitación del Servicio Nacional de Riego y Avenamiento (SENARA).
Atlas de Costa Rica, 2000, del Instituto Tecnológico Costarricense.
Recopilación de información básica
Preparación de la información meteorológica
Calibración del modelo
Delimitación de la cuenca
Cálculos preliminares
Aplicación del modelo
20
Methodology
Identificación de inconsistencias: curvas de doble masa.
Estimación de datos faltantes de precipitación y temperatura y brillo solar: análisis de regresión o sustitución con el promedio del registro.
Recopilación de información básica
Preparación de la información meteorológica
Calibración del modelo
Delimitación de la cuenca
Cálculos preliminares
Aplicación del modelo
21
Methodology
Área de estudio: subcuenca definida hasta la estación fluviográfica Guardia (# 741901, ICE).
Delimitación a partir de la línea divisoria de aguas superficiales basandose en las hojas cartográficas del IGN escala 1:50.000.
Digitalización de la cuenca en un Sistema de Información Geográfica, con los equipos del Programa de Desarrollo Urbano Sostenible (ProDUS).
Recopilación de información básica
Preparación de la información meteorológica
Calibración del modelo
Delimitación de la cuenca
Cálculos preliminares
Aplicación del modelo
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Methodology
Selección del período de calibración.
Precipitacion promedio.
Evapotranspiración potencial.
Capacidad de almacenamiento de agua del suelo.
Recopilación de información básica
Preparación de la información meteorológica
Calibración del modelo
Delimitación de la cuenca
Cálculos preliminares
Aplicación del modelo
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Methodology
Proceso de infiltración.
Factor de flujo base (k).
Recopilación de información básica
Preparación de la información meteorológica
Calibración del modelo
Delimitación de la cuenca
Cálculos preliminares
Aplicación del modelo
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Methodology
ESTUDIO DE DISTINTOS ESCENARIOS DE PRECIPITACIÓN
Prueba estadística de los datos de precipitación anual.
Definición de rangos de precipitación para los escenarios seco, normal y húmedo.
Promedio de las condiciones climáticas de precipitación, temperatura y brillo solar para cada escenario.
Aplicación del modelo a cada escenario.
Recopilación de información básica
Preparación de la información meteorológica
Calibración del modelo
Delimitación de la cuenca
Cálculos preliminares
Aplicación del modelo
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Model Development
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Description of the model
Basado en el propuesto por Thornthwaite y Mather (1957).
Requiere el conocimiento de la precipitación (P), evapotranspiración potencial (ETP) y la capacidad de almacenamiento de agua del suelo (CAA).
El modelo desarrollado incluye la escorrentía directa (ED) y subsuperficial (ESS). Manejo diferente de la escorrentía subterránea o flujo base (FB).
P
FB
ETR
PERC ESS
ED
ES=ED+ESS+FB
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Conceptual Scheme
ESCORRENTÍA
EscorrentíaSubsuperficial
Escorrentía Directa
INFILTRACIÓN
PERCOLACIÓN
Estrato de rocas subterráneas
PRECIPITACIÓN
Estrato de suelo
Flujo Base
EVAPOTRANSPIRACIÓN
28
Calibration of the model
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 11 21 31 41 51 61 71
Mes
Q (m
m)
Q medido
Q calculado
Coef. Corr. = 0.93R2 = 0.83
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 50 100 150 200 250 300
Q Medido
Q S
imul
ado
Período de calibración 1980-1985
Total de escorrentía calculada (mm) 4883
Total de escorrentía medida (mm) 5351
Porcentaje de error -8,7%
Coeficiente R2 0,8338
29
Precipitation Scenarios
30
Seco Normal Húmedo
Pa<1400 1400<Pa<1800 Pa>1800
Años secos Años normales Años húmedos
1972 1968 1969 1976 1974 1970 1977 1975 1971 1983 1978 1973 1987 1980 1979 1990 1982 1981 1991 1984 1988 1992 1985 1995 1994 1986 1996 1997 1989 1998 2001 1993 1999
2000
Seco Normal Húmedo
Precipitation Scenarios
0
100
200
300
400
500
600
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC
P (m
m)
P Escenario seco
P Escenario normal
P Escenario húmedo
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Escenarios de precipitación
CASO 1:
Escenario seco CASO 2:
Escenario normal CASO 3:
Escenario húmedo
Precipitación Annual (Pa) 1356;
(100%Pa) 1800;
(100%Pa) 2528;
(100%Pa)
Evapotranspiración potencial (ETP)
1636 1611 1587
Evapotranspiración real (ETR)
1072; (79%Pa)
1102; (61%Pa)
1174; (46%Pa)
ETR/ETP 0,66 0,68 0,74
Escorrentía Anual (Qa) 284;
(21%Pa) 698;
(39%Pa) 1354;
(54%Pa)
Picos en Caudal 22; 74; 36 62;176;137 156;283;319
Mes(es) de picos en el caudal
junio; octubre; noviembre
junio; septiembre; octubre
junio; septiembre; octubre
Flujo Base (FB) 233;
(82%Qa) 482;
(69%Qa) 837;
(62%Qa)
Escorrentía directa y subsuperficial (ED+ESS)
51; (18%Qa)
216; (31%Qa)
517; (38%Qa)
Déficit hídrico 564 508 413
0
50
100
150
200
250
300
350
E F M A M J J A S O N D
Q (
mm
)
ED+ESS
Flujo Base
0
50
100
150
200
250
300
350
E F M A M J J A S O N D
Q (
mm
)
ED+ESS
Flujo Base
0
50
100
150
200
250
300
350
E F M A M J J A S O N D
Q (
mm
)
ED+ESS
Flujo Base
Escenario Seco
Escenario Normal
Escenario Húmedo
32
Balance hídrico anual
Componente superficial
Componente subterráneo
20% 30% 40%
1350 1800 2500
PRECIPITACIÓN
1070 1100 1175
EVAPOTRANSPIRACIÓN
280 700 1350
ESCORRENTÍA
80% 70% 60%
33
Discussion
34
Conclusiones
Cualquier herramienta de planificación del recurso hídrico requiere de una base de datos hidrometeorológica confiable; de ahí la importancia de invertir en una red de estaciones para la recopilación y un servicio que le proporcione mantenimiento y la haga disponible.
El modelo desarrollado presentó un buen ajuste entre los valores de caudal observados y los estimados, por lo que constituye una herramienta valiosa para la planificación y manejo del recurso hídrico en la cuenca alta del Río Tempisque.
Discussion
Why do we need models? What are we modelling? What information are we using to
validate the models? Is there enough information to validate
the model? How reliable are past events to
forecast future events?
36
End