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Balance Hídrico de Largo Plazo Miguel Barrios Curso de Hidrología Universidad del Tolima 𝑃𝑡 − 𝐸𝑠𝑐𝑡 − 𝐸𝑇𝑅𝑡 − 𝐸𝑥𝑡𝑡 + 𝑅𝑒𝑡𝑡 ± 𝑇𝑟𝑎𝑠𝑡 = ∆𝑆𝑡 Ecuación de Balance Hídrico de Largo Plazo 𝑃𝑡 − 𝐸𝑠𝑐𝑡 − 𝐸𝑇𝑅𝑡 − 𝐸𝑥𝑡𝑡 + 𝑅𝑒𝑡𝑡 ± 𝑇𝑟𝑎𝑠𝑡 = ∆𝑆𝑡 𝑃𝑡 − 𝐸𝑇𝑅𝑡 = 𝐸𝑠𝑐𝑡 Evapotranspiración Real Método Bodyko ETP (Método de Penman-Monteith…) Ejercicio Cuaderno de Python Sectorización Hidrográfica de Colombia 5 áreas hidrográficas 40 zonas hidrográficas (ZH) 311 subzonas hidrográficas (SZH) 1. Amazonas 2. Caribe 3. Magdalena-Cauca 4. Orinoco 5. Pacífico Sectorización Hidrográfica de Colombia Sectorización Hidrográfica de Colombia Sectorización Hidrográfica de Colombia Amazonas Caribe Magdalena Cauca Orinoco Pacífico 2 Área Hidrográfica 1 Zona Hidrográfica 2 1 Subzona Hidrográfica Codificación (10 dígitos): 0 0 Nivel I Unidades Hidrográficas 0 0 0 0 Nivel II Unidades Hidrográficas Nivel III Unidades Hidrográficas Código nacional (4 primeros dígitos) Código regional asignado por la AA (6 últimos dígitos) Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH consumiendo datos vía WMS o WFS Conectarse al servicio Web Feature Service (WFS) de IDEAM: 1. Abrir QGIS e ir a añadir capa > Añadir capa WFS… Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH consumiendo datos vía WMS o WFS Conectarse al servicio Web Feature Service (WFS) de IDEAM: Aparecerá la siguiente ventana emergente: 1.2: oprimir el botón Nuevo, ello para crear una nueva conexión WFS (aparecerá una ventana emergente) Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH consumiendo datos vía WMS o WFS Conectarse al servicio Web Feature Service (WFS) de IDEAM: Aparecerá la siguiente ventana emergente: 1.2: oprimir el botón Nuevo, ello para crear una nueva conexión WFS (aparecerá una ventana emergente) 1.3: Se asigna un Nombre a la conexión y se escribe la URL de IDEAM que conecta al servidor de la capa, luego se oprime aceptar. En este caso URL es: https://visualizador.ideam.gov.co/gi sserver/services/Unidades_Analisis/ MapServer/WFSServer 1.2 1.3 https://visualizador.ideam.gov.co/gisserver/services/Unidades_Analisis/MapServer/WFSServer https://visualizador.ideam.gov.co/gisserver/services/Unidades_Analisis/MapServer/WFSServer https://visualizador.ideam.gov.co/gisserver/services/Unidades_Analisis/MapServer/WFSServer Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH consumiendo datos vía WMS o WFS Conectarse al servicio Web Feature Service (WFS) de IDEAM: Nos redirige a la ventana anterior: 1.4: oprimir el botón Conectar, luego aparece una advertencia de seguridad en la cual se oprime “Ignorar” Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH consumiendo datos vía WMS o WFS Conectarse al servicio Web Feature Service (WFS) de IDEAM: Ya estaremos conectados al servicio y se listarán las capas disponibles: 1.5: seleccionar la capa “Zonificación_Hidrografica_2022”, se deja en blanco la pestaña “solicitar solo objetos que solapen con la extensión de la vista” y se oprime el botón Añadir: Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH consumiendo datos vía WMS o WFS Conectarse al servicio Web Feature Service (WFS) de IDEAM: Aparecerá la capa de subzonas hidrográficas de Colombia cargada y el mapa visualizado en la vista de QGIS: Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH con archivo shp nativo Disponiendo de una capa shape file: Se selecciona Añadir capa > Añadir capa vectorial… Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH con archivo shp nativo Disponiendo de una capa shape file: Se selecciona Fuente de datos navegando hasta la localización del archivo de extensión .shp en el disco duro del computador, luego se oprime Añadir: Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH con archivo shp nativo Disponiendo de una capa shape file: Aparecerá la capa de subzonas hidrográficas de Colombia cargada y el mapa visualizado en la vista de QGIS: Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH con archivo shp nativo Disponiendo de una capa shape file: Ahora ya podrán consultar la subzona hidrográfica asignada para el Taller 1, verificando la tabla de atributos y seleccionando la SZH asignada: Por ejemplo, para la subzona hidrográfica Coello, cuyo código es 2121 se obtiene: Sectorización Hidrográfica de Colombia Visualizar las SZH con archivo shp nativo Disponiendo de una capa shape file: Ahora ya podrán consultar la subzona hidrográfica asignada para el Taller 1, verificando la tabla de atributos y seleccionando la SZH asignada: Por ejemplo, para la subzona hidrográfica Coello, cuyo código es 2121 se obtiene: Taller 1 Taller 1: Análisis de consistencia y selección de estaciones meteorológicas para estudios hidroclimáticos Objetivos Específicos: 1. Realizar la selección de estaciones de precipitación consistentes para definir el régimen pluviométrico de la subzona hidrográfica objeto de estudio 2. Realizar la selección de estaciones de temperatura media, mínima y máxima consistentes para definir el régimen térmico de la subzona hidrográfica objeto de estudio 3. Determinar el régimen pluviométrico y térmico promedio mensual y anual de la subzona hidrográfica objeto de estudio Objetivo general: Aplicar métodos para la depuración, análisis de consistencia y selección de estaciones meteorológicas para estudios hidroclimáticos Taller 1: Análisis de consistencia y selección de estaciones meteorológicas para estudios hidroclimáticos Procedimiento: 1. Identificar en el drive compartido (ver la hoja de cálculo con grupos de trabajo) cuál es la subzona hidrográfica objeto de estudio asignada (código de 4 dígitos) para el grupo de 2 estudiantes 2. Obtener del portal web de IDEAM el mapa shp de estaciones (catálogo nacional de estaciones) y el mapa shp de subzonas hidrográficas de Colombia. (esta información también es suministrada en el drive compartido) 3. Identificar las estaciones meteorológicas con información pluviométrica dentro de la SZH y en un buffer de 10 km alrededor de ella. (código, nombre de la estación, entidad, coordenadas, elevación, tipo de estación, fecha de inicio, fecha de suspensión) 4. Realizar el paso 3 para estaciones con información de temperatura 5. Ingresar al portal web de IDEAM para descargar la información de precipitación, temperatura media, mínima y máxima diaria para el periodo 1990 a 2023 en relación con las estaciones identificadas en los puntos 3 y 4 Taller 1: Análisis de consistencia y selección de estaciones meteorológicas para estudios hidroclimáticos Procedimiento: 6. Elaborar un cuaderno ejecutable en Google Colaboratory para leer la información de las estaciones preseleccionadas de precipitación e importarlas como un dataframe de la librería Pandas 7. Aplicar los siguientes métodos de análisis de consistencia y depuración en la escala diaria: a) calcular el porcentaje de datos faltantes por estación, b) grafica de cada estación para inspección visual, c) calcular y analizar la matriz de correlación entre estaciones, d) realizar imputación de datos faltantes, e) calcular y analizar las curvas de doble masa, f) calcular estadísticos básicos para comparar el efecto de la imputación de datos faltantes en las series 8. Realizar el análisis de consistencia y depuración de estaciones en la escala mensual y anual, aplicando los siguientes métodos: a) aplicar un test de tendencia a los residuos de los datos de cada estación imputada con respecto a la serie de referencia en la escala mensual y anual Taller 1: Análisis de consistencia y selección de estaciones meteorológicas para estudios hidroclimáticos Procedimiento: 9. Generar y graficar los estadísticos mensuales de precipitación (precipitación media mensual para el periodo 1990 a 2023) 10. Elaborar un mapa de precipitaciónmensual y anual para la SZH, realizando una interpolación por el inverso de la distancia ponderado (IDW) 11. Aplicar los pasos 6 a 9 con la información de temperatura media diaria 12. Elaborar un mapa de temperatura media mensual y anual para la SZH, realizando una interpolación lineal con la elevación 13. Realizar un informe de máximo 6 páginas y entregar como anexos los cuadernos ejecutables en Google Colaboratory y la base de datos necesaria para ejecutarlos Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo Método propuesto por Hernández-López, J. A., Andrade, H. J., & Barrios, M. (2024) 𝑷 − 𝑬𝑻𝒓 − 𝑹 = ∆𝑺 ∆𝒕 Conceptualmente R puede incluir: escorrentía, percolación, agua gravitacional, flujo subsuperficial Precipitación Evapotranspiración Escorrentía Agua Subterránea 𝑺 Percolación Agua Gravitacional Agua Libre Interflujo Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo Nivel óptimo de humedad del suelo para el crecimiento de las plantas, en el cual el exceso de agua ha tenido la oportunidad de drenar debido a la gravedad Estado de humedad en el que todos los poros del suelo están llenos de agua y no hay espacio de aire entre las partículas del suelo. En este estado, el suelo está completamente saturado y no puede retener más agua Nivel de humedad del suelo en el cual las plantas no pueden extraer agua del suelo de manera efectiva. El agua que queda en los poros del suelo está tan adherida a las partículas del suelo que las raíces de las plantas no pueden ejercer suficiente fuerza para extraerla. Esto se debe a la tensión superficial del agua y a la atracción entre el agua y las partículas del suelo Punto de Marchitez Permanente Capacidad de Campo Saturación Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo Punto de Marchitez Permanente Capacidad de Campo ≈ 𝜃1500 ≈ 𝜃33 Humedad disponible para las plantas 𝑨𝒈𝒖𝒂 𝒍𝒊𝒃𝒓𝒆 = 𝜽𝟑𝟑 − 𝜽𝟏𝟓𝟎𝟎 Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo Datos Necesarios para el cálculo del BH: ➢Precipitación media mensual ➢Temperatura media, mínima y máxima mensual ➢Evapotranspiración de referencia ➢Agua libre (también llamada Agua útil o Agua disponible para las plantas) ➢Valor inicial de almacenamiento de agua libre Precipitación Evapotranspiración Escorrentía Agua Subterránea 𝑺 Percolación Agua Gravitacional Agua Libre Interflujo Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo 1. Se calcula la capacidad de almacenamiento de agua libre: 2. Se calcula R: 3. Se calcula el almacenamiento provisional de agua libre: 4. Se calcula la Evapotranspiración real (ETr o ETc): 5. Se calcula el almacenamiento de agua libre final del intervalo: Z Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic kc 0.9 0.85 0.89 0.95 0.89 0.91 0.88 0.91 0.96 0.91 0.88 0.94 f() 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Anual Smax 120mm P 152.90 168.13 229.00 256.55 226.68 141.58 110.12 104.20 161.26 269.86 295.49 205.70 2321.45581 C1 1 ETP 127.56 120.98 134.86 125.62 123.76 119.33 128.31 135.04 129.79 125.43 114.75 119.64 1505.05932 S_inicial 8.00 5.20 17.16 0.00 0.66 9.85 11.41 7.09 0.00 0.00 5.86 19.02 R 40.90 53.33 126.16 136.55 107.34 31.43 1.53 0.00 41.26 149.86 181.35 104.72 974.427425 S* 120.00 120.00 120.00 120.00 120.00 120.00 120.00 111.29 120.00 120.00 120.00 120.00 ET_real 114.80 102.84 120.00 119.34 110.15 108.59 112.91 111.29 120.00 114.14 100.98 112.46 1347.49 S_final 5.20 17.16 0.00 0.66 9.85 11.41 7.09 0.00 0.00 5.86 19.02 7.54 delta S (balance) -2.80 11.96 -17.16 0.66 9.19 1.56 -4.32 -7.09 0.00 5.86 13.16 -11.48 -0.46 delta S = P - R - ET_real -2.80 11.96 -17.16 0.66 9.19 1.56 -4.32 -7.09 0.00 5.86 13.16 -11.48 -0.46 Deficit Hidrico 5.2 17.2 0.0 0.7 9.9 11.4 7.1 -11.6 -4.6 5.9 19.0 7.5 Comprobación P 152.90 168.13 229.00 256.55 226.68 141.58 110.12 104.20 161.26 269.86 295.49 205.70 Fuente del Método: Hernández-López, J. A., Andrade, H. J., & Barrios, M. (2024). Agricultural drought assessment in dry zones of Tolima, Colombia, using an approach based on water balance and vegetation water stress. Science of The Total Environment, 921, 171144. doi: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171144 Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171144 Fuente del Método: Hernández-López, J. A., Andrade, H. J., & Barrios, M. (2024). Agricultural drought assessment in dry zones of Tolima, Colombia, using an approach based on water balance and vegetation water stress. Science of The Total Environment, 921, 171144. doi: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171144 -50.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Balance Hídrico de Largo Plazo (1990-2022) R ET_real delta S (balance) 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Precipitación P 𝑹 + 𝑬𝑻𝒓 ± ∆𝑺 ∆𝒕 = 𝑷 Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171144 Taller 2 Taller 2: Realizar el balance hídrico de largo plazo considerando el almacenamiento de agua libre Objetivos Específicos: 1. Establecer las variables de entrada necesarias para el cálculo del balance hídrico de largo plazo a nivel mensual 2. Determinar la evapotranspiración real y el almacenamiento de agua libre a nivel mensual 3. Calcular el déficit de humedad a nivel mensual Objetivo general: Elaborar el balance hídrico de largo plazo de una subzona hidrográfica Procedimiento: 1. Seguir el procedimiento “Balance Hídrico de Largo Plazo: Considerando el almacenamiento de agua libre en el suelo” 2. Realizar un informe de máximo 6 páginas y entregar como anexo un archivo Excel con el balance hídrico determinado Taller 2: Realizar el balance hídrico de largo plazo considerando el almacenamiento de agua libre Diapositiva 1: Balance Hídrico de Largo Plazo Diapositiva 2 Diapositiva 3 Diapositiva 4 Diapositiva 5 Diapositiva 6 Diapositiva 7 Diapositiva 8 Diapositiva 9 Diapositiva 10 Diapositiva 11 Diapositiva 12 Diapositiva 13 Diapositiva 14 Diapositiva 15 Diapositiva 16 Diapositiva 17 Diapositiva 18 Diapositiva 19 Diapositiva 20 Diapositiva 21 Diapositiva 22 Diapositiva 23 Diapositiva 24 Diapositiva 25 Diapositiva 26 Diapositiva 27 Diapositiva 28 Diapositiva 29 Diapositiva 30 Diapositiva 31 Diapositiva 32 Diapositiva 33 Diapositiva 34
