Tipos de modelos hidrológicos

Clásicamente se han utilizado los denominados modelos globales o agregados, que tratan la cuenca como si fuese una sola entidad, con una única entrada de lluvia (lluvia promedio), donde el caudal de salida se reproduce a partir de una dinámica global del sistema. Existen multitud de modelos globales, generalmente basados en el concepto del hidrograma unitario HU, que se puede integrar dentro de la teoría de sistemas que asume que la cuenca es un sistema lineal, casuístico y invariante en el tiempo (Figura 1), dónde sólo una parte de lluvia efectiva produce escorrentía, afectada por los procesos de evaporación, retención y infiltración que se recogen dentro de la función de pérdidas o función de producción.

 

esquema_classic_peq

Figura 1: Esquema general de las partes de un modelo hidrológico clásico de tipo agregado con hidrograma unitario.


Esta modelización tiene poca base física, puesto que obvia el hecho de que parte de la escorrentía superficial puede infiltrarse al pasar por un cauce permeable, y subestima la componente subsuperficial del caudal. Además, la identificación del HU no es sencilla. A partir de información hidrológica disponible de la cuenca (muchos datos de lluvia y caudal), el HU se puede derivar de la solución del problema inverso, estos datos no siempre están disponibles con la suficiente cantidad y calidad, y además arrastran la descripción espacial limitada de la lluvia. En el intento de evitar este problema, ha tenido lugar la conceptualización de la cuenca en sistemas más sencillos de manera que se pueda derivar del hidrograma unitario que depende de pocos parámetros, los cuales pueden ser estimados por técnicas estadísticas; estos son los denominados modelos agregados conceptuales. Un paso adelante en este sentido han sido los esfuerzos al ligar los parámetros del HU conceptual con relaciones geomorfológicas y que han dado lugar a la aparición del Hidrograma Unitario Geomorfológico a partir de las características físicas de la cuenca, sin necesidad de tener datos hidrológicos.

En un intento de representar los procesos con una base física más grande, en los años 60 aparecieron unos modelos que podríamos denominar modelos agregados con base física. Estos consisten en una sucesión de elementos conceptuales interconectados que representan la respuesta de diferentes subsistemas del ciclo hidrológico (evaporación, escorrentía en medio saturado, escorrentía superficial en canal), por qué, aun cuando el número de parámetros involucrados es mucho grande, la descripción es todavía demasiado simplificada haciendo que no exista demasiada diferencia entre este tipo de modelos y los modelos conceptuales agregados.

A partir de los años 70 hicieron aparición un tipo de modelos con un planteamiento totalmente diferente a los de base física. Estos modelos extraen la información que hay entre las entradas y las salidas del sistema, y la estructura del modelo se adapta a estos datos. De ahí que este tipo se denominen modelos de caja negra. Los primeros fueron los modelos autoregresivos basados en el análisis de series temporales. Actualmente existe una línea de trabajo basada en los modelos de redes neuronales artificiales, con la posibilidad de aprendizaje conforme hay mayor número de datos permitiendo la introducción de múltiples entradas (lluvia, temperatura, humedad, datos históricos de caudal). Aun cuando han existido casos con buenos resultados, parece que todavía queda un largo camino por ver la capacidad de este tipo de modelos.

Todavía, no están claros los criterios en qué se puede basar la construcción de la estructura del modelo, lo cual dificulta la utilización del modelo en otras cuencas sin datos y la regionalización de los parámetros. Ahora bien, la tecnología actual permite conocer exhaustivamente ciertas variables con una buena resolución espacial, teniendo la posibilidad de tratar mucha información en un tiempo reducido y de manera operativa.

Eso hace pensar que un modelo que mire de incorporar la distribución espacial de las variables, podrá ofrecer mejores resultados que uno de global. Los denominados modelos distribuidos incorporan más aproximadamente la variabilidad espacial de las diferentes variables y reproducen más fielmente los procesos que tienen lugar dentro la cuenca. Los modelos distribuidos con base física describen con gran detalle los procesos hidrológicos de la cuenca, proponiendo la descripción de los fenómenos a escalera fina (100-500m), dónde se plantean las ecuaciones características de los diferentes procesos e integrando las salidas de los diferentes procesos de cada celda con las vecinas. Así derivan en modelos muy complejos que requieren una gran cantidad de información, y por lo menos hasta el momento, la calibración de un número enorme de parámetros en caso de no poder estimar todas las variables a partir de medidas de campo.

Las posibilidades actuales ofrecen una línea a medio camino entre los dos extremos. Los nominados modelos de parámetros distribuidos, que se caracterizan por la división de la cuenca en subunidades menores más homogéneas, dónde se aplica un modelo global. La respuesta global de la cuenca se compone a partir de las contribuciones de las diferentes subunidades. Una primera clasificación, en este tipo de modelos se podría hacer por la manera de hacer la división en subunidades (Figura 2), que puede ser en subcuencas o en subunidades artificiales siguiendo algún criterio establecido. El hecho que a cada subunidad se aplique un modelo global hace que este tipo de modelos se denominen modelos distribuidos (pero) conceptualmente globales. Sin embargo, la modelización hidrológica distribuida es un campo de estudio en pleno desarrollo en todo el mundo, y existen muchas variantes, filosofías y escuelas. Por ejemplo, una variante de los modelos distribuidos, es la que intenta formular una integración entre las subunidades de manera que quede representada la espaciabilidad de las variables de manera sencilla, entre las cuales destaca la concepción de TopModel.

model_peq

Figura 2: Esquema de división de una cuenca y de conceptualización de la red de drenaje: en subcuencas (izquierda); y en subunidades artificiales (derecha). El ejemplo está basado en la cuenca del Besós.


El texto anterior fue extraído del proyecto de Tesis del Ingeniero Carles Corral, titulado: Desarrollo de un modelo hidrológico para incorporar la información del radar meteorológico. Aplicación operacional en cuencas mediterráneas: la cuenca del río Besós. Dentro del programa de doctorado de Ingeniería Civil, de la Universitat Politècnica de Catalunya.