SPHY: Procesos Espaciales en Hidrología

El modelo SPHY (Spatial Processes in HYdrology) es una herramienta de modelización hidrológica muy apropiada para dar soporte a decisiones operativas y estratégicas en el ámbito de la gestión de recursos hídricos. SPHY se caracteriza por su facilidad de uso, su robustez y por incluir procesos hidrológicos considerados claves en el balance de agua.  El paquete de modelización SPHY está disponible en el dominio público y sólo utiliza software de código abierto. SPHY ha sido desarrollado por FutureWater en cooperación con clientes y socios nacionales e internacionales.

Características principales

  • Base científica sólida
  • Combina las ventajas de varios modelos hidrológicos muy usados en la actualidad
  • Configuración modular que permite activar o desactivar la simulación de diferentes procesos hidrológicos
  • Útil para un amplio gradiente de regiones y climas, objetivos, y escalas espaciales y resoluciones temporales
  • Apropiado para regiones con escasez de datos
  • Adaptado para la inclusión y procesamiento de imágenes de satélite
  • Fácil ajuste y aplicación
  • Interfaz gráfica de usuario para QGIS
  • Código abierto

Aplicaciones

SPHY se ha aplicado y testado en varios proyectos incluyendo la predicción en tiempo real de la humedad del suelo en llanuras, el cálculo operativo de caudales de entrada a embalses hidroeléctricos, la evaluación de escenarios de riego en grandes cuencas, y el estudio de los impactos del cambio climático en los regímenes nival y glaciar de grandes cadenas montañosas. Algunos de los ejemplos en lo que se aplicaron SPHY se enumeran en esta sección con sus respectivos enlaces a las fichas de los proyectos en los que se pusieron en marcha.

Descripción del Modelo

Esta sección proporciona información sobre los procesos que se pueden simular en el modelo SPHY. Para obtener información más detallada, por favor consulte el Manual de Usuario SPHY 2.0.

El modelo SPHY combina algunos de los componentes de simulación hidrológica que dan soporte a otros códigos: Hydros, SWAT, PCR-GLOBWB, SWAP y HimSim. SPHY fue desarrollado con el objetivo explícito de simular la hidrología terrestre a escalas flexibles, bajo diversos usos del suelo y condiciones climáticas. SPHY es un modelo de balance de agua espacialmente distribuido del tipo “bucket” que se aplica celda a celda. SPHY no simula el balance de energía con el fin de minimizar el número de parámetros de entrada y optimizar el tiempo de cálculo. Los principales procesos hidrológicos terrestres son descritos de una manera física coherente, de modo que los cambios en los almacenes y flujos pueden evaluarse adecuadamente en el tiempo y el espacio. SPHY está escrito en el lenguaje de programación Python utilizando como base el sistema de modelización dinámica del software PCRaster.

Una visión general de los conceptos de modelo SPHY se muestra en la figura. SPHY calcula las principales componentes del balance de agua local a nivel de celda o porción de territorio con unas características particulares. El valor de cada celda representa el promedio de la variable hidrológica simulada. SPHY permite definir una variabilidad sub-celda en base a tipo de cubertura predominante: cada celda puede estar descubierta, o parcial o completamente cubierta por masa glaciar. A su vez, la fracción no cubierta puede estar constituida por nieve, vegetación, suelo desnudo o agua. Finalmente la información es almacenada para cada celda de territorio como valor promedio de cada uno de los flujos simulados. La variabilidad intra-celda quedaría determinada principalmente por la fracción de la cubierta vegetal que es la que controla los procesos de intercepción de la lluvia, precipitación efectiva, y la evapotranspiración potencial.

Los flujos de agua en el suelo se simulan considerando dos compartimentos superiores, más un tercero que simula la conexión de los flujos superficiales y subsuperficiales con el acuífero y las aguas subterráneas. La consideración de tres compartimentos de suelo permite hacer explícito los procesos de generación de escorrentía superficial, flujo lateral y caudal base. En SPHY las entradas de precipitación pueden ser en forma de lluvia o nieve dependiendo de la temperatura del aire. La precipitación liquida puede ser interceptada por la vegetación y evaporarse parcialmente o totalmente. La contribución de la nieve a la hidrología local se simula mediante el balance de entradas de nieve y las salidas por fusión. La fracción de la precipitación líquida que alcanza la superficie (precipitación efectiva) puede transformarse en escorrentía superficial o infiltrarse en el suelo contribuyendo a incrementar la humedad del suelo. Las pérdidas por evapotranspiración vienen condicionadas por la humedad del suelo (variable de estado) y las propiedades del suelo y la fracción vegetada. La fracción no evapotranspirada o fracción de drenaje finalmente se transforma en descarga fluvial a través del subsuelo o el acuífero.

La fusión del hielo en zonas de glaciar contribuye a la descarga de los ríos por medio de una componente rápida (escorrentía directa) y otra lenta (flujo de base desde acuífero). A nivel de celda, la escorrentía total disponible para ser transferida aguas abajo (routing) sería la suma de la escorrentía superficial, flujo lateral, el flujo de base, la fusión de la nieve y el deshielo de los glaciares.

SPHY requiere como datos de entrada información distribuida sobre variables meteorológicas (precipitación, temperatura y evapotranspiración de referencia) y las propiedades biofísicas de la superficie. En relación con los parámetros de superficie, SPHY requiere un modelo digital de elevaciones (DEM), e datos espaciales sobre el tipo de uso de la tierra, la cubierta de masa de hielo, embalses y las características hidráulicas del suelo. SPHY está adaptado para que se incluyan datos de satélite y otros datos derivados de fuentes de información global. Por ejemplo, el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) proporcionado por los Satélites de Observación Terrestre se puede incorporar en SPHY para estimar el Índice de Área Foliar (LAI) de la superficie vegetada. Finalmente SPHY posibilita la generación de datos de caudal mediante su propagación a través de la red de drenaje superficial como paso previo a los procesos de calibración y validación requeridos tras la modelización hidrológica de cuencas.

El modelo SPHY es una plataforma ideal para la generación espacialmente distribuida y temporal de las principales componentes del balance hidrológico (evapotranspiración, humedad del suelo, escorrentía superficial, recarga de acuífero, caudal base). Los resultados de SPHY se muestran en formato de mapas a la resolución temporal elegida por el usuario (diaria, mensual, anual). Finalmente las series temporales pueden extraerse para ubicaciones concretas o como valores promedio de porciones de territorio más amplias (distritos de riego, subcuencas hidrológicas, etc.).

Publicaciones

Más información

Para más información, visite la página web de SPHY: www.sphy.nl.