MH_01

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Introducción a la Modelación 
Hidrológica
Miguel Barrios
miguelbarrios001@gmail.com
Facultad de Ingeniería Forestal
Universidad del Tolima
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Contenido
❖ El ciclo hidrológico y sus procesos
❖ La cuenca hidrográfica
❖ El balance hídrico
❖ Los modelos hidrológicos
❖ Tipos de modelos
Ciclo Hidrológico
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
El ciclo hidrológico
❖ Movimiento del agua en la Tierra
▪ La Hidrología se centra en la parte terrestre => excluye la atmósfera y 
los mares y océanos
❖ Fuente de energía = el sol 
❖ El ciclo se compone de:
▪ Almacenamientos
▪ Flujos (procesos)
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Almacenamientos
❖ En superficie
▪ Abstracciones iniciales
▪ Manto de nieve
▪ Dinámico sobre ladera (efímero)
❖ Suelo superior: hasta 
profundidad efectiva de raíces
• Para la mayor parte de las 
plantas entre 1,5 y 2 m
• En suelos estrechos la 
profundidad efectiva puede ser 
inferior
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Almacenamientos
❖ Zona de transición: suelo 
inferior y/o sustrato (rocoso o 
no consolidado)
❖ Acuífero: formación geológica 
saturada inferior (suelo y/o 
sustrato). Límite superior su 
nivel freático
❖ Cauces
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Precipitación (P)
• Lluvia
• Nieve
• Rocío
❖ Fusión de nieve
❖ Escorrentía cortical
❖ Infiltración (F) y exfiltración
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Evapotranspiración (ET)
• Evaporación de la intercepción
y charcos
• Transpiración desde parte
superior del suelo
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Escorrentía directa (ED)
▪ En la superficie:
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Interflujo o flujo subsuperficial
o flujo hipodérmico (FS)
▪ Flujo saturado
▪ Paralelo a la ladera
▪ Macroporos
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Microsurcos superficiales y 
tubificación del interflujo
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Percolación (R)
• Movimiento en zona no saturada
• Recarga de acuíferos
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Flujo subterráneo
• Flujo interior del acuífero
• Flujo base (FB)
• Pérdidas subterráneas (S). Flujo 
que no aparece en el desagüe:
– Aguas abajo mismo acuífero
– Aguas abajo al mar
– Otro acuífero o formación 
geológica contiguos o inferiores
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Procesos hidrológicos
❖ Propagación en cauces
▪ Flujo en lámina libre
▪ Velocidades mayores
▪ Posibilidad reinfiltración
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Características de los estudios de Crecidas
❖ Período de simulación: duración de las tormentas (6 horas a 2 
días)
❖ Discretización temporal: 10 min a 1 hora
❖ Procesos importantes:
▪ Precipitación y/o fusión de nieve: magnitud y estructura temporal
▪ Infiltración
▪ Propagación
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Características de los estudios de Recursos
❖ Período de simulación: años
❖ Discretización temporal: 1 día a 1 año
▪ Resultados normalmente mensuales
❖ Procesos importantes:
▪ Precipitación y/o fusión de nieve: magnitud
▪ Evapotranspiración: principal salida del sistema a largo plazo
▪ Flujo subterráneo: flujo base
La Cuenca Hidrográfica
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
La cuenca hidrográfica
❖ Definida para cada punto de la 
superficie terrestre (desagüe)
❖ Importancia por:
▪ Los procesos hidrológicos son 
independientes del exterior
▪ Proporciona el orden de magnitud
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Identificación divisoria de aguas
❖ Densificación red fluvial
▪ Buscar: ríos, barrancos, acequias, 
fuentes, puentes (cruces obras 
lineales)
▪ Seguir vaguadas a.arriba
• Crenulaciones:
– máx. concavidad de curvas de nivel
– Máx. pendiente hacia aguas abajo
• Criterio de Morisawa: prolongar hasta 
última crenulación
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Mas de Pau 314,0
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Identificación divisoria de aguas
❖ Densificación red fluvial
❖ Localización aproximada:
▪ Nunca cortar red fluvial
▪ Nunca coincidir con curva de nivel
▪ A veces, coincidencia con límites 
administrativos
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Identificación divisoria de aguas
❖ Densificación red fluvial
❖ Localización aproximada
❖ La divisoria pasa por crestas 
(espolones). Casos particulares: 
cimas y collados
▪ Máx. curvatura cóncava (hacia abajo) 
de las curvas nivel
▪ Mín. pendiente hacia aguas abajo
▪ Perpendicularmente cambio de 
pendiente con derivada nula
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ESCALA 1:10.000
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❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Endorreismos
❖ Zona llana sin desagüe o con 
dificultades de desagüe 
(semiendorreismo)
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Obtención automática
❖ A partir de un MED en formato ráster mediante un SIG:
Barranco de la Encantada (28km2) en el río Serpis
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Modificación del límite de cuenca
❖ Cuenca: definición superficial
▪ Pero incluye acuíferos: sus flujos no dependen del gradiente 
topográfico
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Elementos de la cuenca
❖ Ladera: Columna de terreno 
formada por:
• Vegetación
• Superficie
• Suelo y/o substrato
❖ Acuífero: formación geológica 
saturada inferior (suelo y/o 
sustrato)
▪ Límite superior: nivel freático
❖ Cauce: Recoge la escorrentía de 
ladera y acuífero y la traslada 
hasta el desagüe
❑ S
Elementos = almacenamientos
Balance Hídrico
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
La ecuación de balance
❖ Plantear el principio de Conservación de Masa de agua en una parte del Ciclo 
Hidrológico, para conocer:
▪ Flujos en el sistema
• Entradas
• Salidas
▪ Almacenamientos
❖ A largo plazo, las variaciones de S son despreciables frente a la acumulación de 
flujo =>
t
S
OI


=−
0OI →−
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Balance en el mundo
FLUJOS MUNDIALES km3/año
Precipitación sobre tierra 108,000
Precipitación sobre el mar 405,000
Desagües a los océanos 47,000
Evapotranspiración en tierra 61,000
Evaporación en océanos 452,000
ALMACENAMIENTOS 
MUNDIALES
km3 %
Agua superficial
Lagos agua dulce 125,100 0.009
Lagos salinos 104,300 0.008
Ríos y canales 1,300 0.000
Agua subterránea
Acuíferos 8,342,800 0.614
Humedad del suelo 66,700 0.005
Capa de hielo 29,199,700 2.147
Atmósfera 12,900 0.000
Océanos 1,322,330,600 97.217
TOTAL 1,360,183,400 100
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
P
F
R
S
FB
P ET
ED
FS
S
FB
Balance en una cuenca
❖ Flujos de entrada:
▪ Precipitación P
❖ Flujos de salida:
▪ Evapotranspiración ET
▪ Flujo en el punto de desagüe:
• Escorrentía superficial ED+FS
• Flujo base FB
▪ Pérdidas subterráneas S
❖ P – ET – (ED + FS + FB) – S = ΔV/Δt
❖ Máximo recurso aprovechable = P - ET
Los modelos hidrológicos
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Definición de modelo matemático
❖ Simplificación de la realidad (cuenca)
❖ Ecuaciones: describen los procesos
❖ Parámetros
▪ Caracterizan la cuenca
▪ Deben ser estacionarios
❖ Variables de estado:
▪ Definen el estado del sistema
en cada momento: almacenamientos y flujos
▪ Input: necesario medir
Conjunto de:
- Ecuaciones
- Parámetros
- Variables de estado
Input
Output
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Variables input de la cuenca
❖Precipitación
• Lluvia
• Nieve
• Rocío (climas tropicales y/o muy húmedos)
❖En fusión de nieve:
• Temperaturas de atmósfera, precipitación y suelo
• Radiación solar neta (orientación, albedo)
❖En evapotranspiración:
• ETP
– Temperatura y humedad atmósfera, velocidad del viento
– Radiación solar neta
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Variables output de la cuenca
❖ Descarga por el punto de desagüe
▪ Normalmente la única v.e. que se mide => para calibración
❖ Evapotranspiración real
❖ Pérdidas subterráneas: flujo que no aparece en el desagüe
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Simulación hidrológica
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
0
:1
0
1
:1
0
2
:1
0
3
:1
0
4
:1
0
5
:1
0
6
:1
0
7
:1
0
8
:1
0
9
:1
0
1
0
:1
0
1
1
:1
0
1
2
:1
0
1
3
:1
0
1
4
:1
0
1
5
:1
0
1
6
:1
0
1
7
:1
0
1
8
:1
0
1
9
:1
0
2
0
:1
0
2
1
:1
0
2
2
:1
0
2
3
:1
0
Tiempo (horas UTC)
In
te
n
s
id
a
d
 (
m
m
/h
)
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
Els Hostalets
El Bruc
0.00
1 00.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
t iempo (horas UTC)
HIDROGRAMA EN MAGAROLA-N-II
HIDROGRAMA EN TORRENT MAL-N-II
HIDROGRAMA EN CAN DALMASES-N-II
Reconstrucción del evento de junio de 2000 en Riera Magarola
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Tipos según las ecuaciones utilizadas
❖ Determinísticos. Tratan de reproducir el sistema lo mejor 
posible
• Incorporan información de todo tipo
• Incorporan conocimiento del experto
• Extrapolables
❖ Probabilísticos. Explicitan la ignorancia del sistema. 
• Ecuaciones más simples
• Basados sólo en aforos y a veces también en inputs
▪ Estadísticos. Descripción muestra observada
▪ Estocásticos. Series temporales
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Modelos determinísticos
❖ Físicamente basados. Integración ecuaciones que rigen el 
fenómeno
• Parámetros medibles directamente
Pero:
▪ ¿A qué escala funcionan las ecuaciones?
▪ ¿Conceptualización del medio es real?
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Modelos determinísticos
❖ Físicamentebasados. Integración ecuaciones que rigen el 
fenómeno
• Parámetros medibles directamente
❖ Conceptuales. Cierto grado de simplificación
• Parámetros estimados indirectamente
❖ Empíricos. A partir de experimentación
• Estimación por tablas
• Problemas de extrapolación
❖ “Caja negra”
• No es posible la estimación de parámetros => calibración 
imprescindible
• Problemas de extrapolación
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Objetivos de la modelación hidrológica
❖ Aprender (mejor conocimiento de procesos)
• Simulación histórica
COMPONENTES DEL HIDROGRAMA (CALIBRACIÓN EN ALTZOLA, DEBA)
0
5
10
15
20
25
30
1
/9
/9
6
1
/1
0
/9
6
1
/1
1
/9
6
1
/1
2
/9
6
1
/1
/9
7
1
/2
/9
7
m
m
/d
ía
0
40
80
120
160
200
240
Ppt media
Escorrentía directa
Flujo subsuperficial
Flujo base
Componentes del flujo obtenidas con el modelo TETIS en el río 
Deba (DIHMA, 2003)
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Objetivos de la modelación hidrológica
❖ Aprender (mejor conocimiento de procesos): completar 
elementos del balance no medidos (ET, S, …)
• Simulación histórica
❖ Incrementar la información de la cuenca
▪ En el espacio (puntos no aforados)
▪ En el tiempo (completado de datos)
• Simulación histórica
❖ Predicción
• Simulación predicción de la precipitación (o inputs)
• Simulación de escenarios futuros de inputs
❖ Diseño de infraestructuras: diseño hidrológico
Tipos de modelos (según grado de 
agregación)
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Tipos de modelos según grado agregación
❖Agregados: La cuenca es 
una unidad
• Parámetros y precipitación 
ctes. en el espacio
• Modelación en cascada de los 
procesos
▪ Fuertemente sujetos a 
problemas de escala 
espacial
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Tipos de modelos según grado agregación
❖Distribuidos. División en 
mallas (rectangulares, 
triangulares, etc.)
• Variabilidad espacial de 
parámetros y precipitación
• Interacción en los 
procesos
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Tipos de modelos según grado agregación
❖ Pseudodistribuidos. División en nodos, subcuencas y cauces
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
1
2
3
Modelos de evento y modelos 
continuos
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Problemas a resolver en Hidrología
❖Tipos de problemas:
▪ Recursos hídricos: modelos continuos
▪ Avenidas: modelos de evento
• Crecidas cuando hay formación de escorrentía superficial
❖Diferencias en los estudios/modelos en función de:
▪ Qué procesos son más importantes
▪ Discretización temporal
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Modelos de evento clásicos
❖Procesos importantes:
▪ Precipitación y/o fusión de nieve
▪ Producción de escorrentía
• Escorrentía directa: infiltración y saturación del suelo
• Interflujo
▪ Propagación de la escorrentía (red fluvial)
❖Período de simulación = duración de la tormenta
▪ Discretización temporal = 10 minutos a 1 hora
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
HEC-HMS
❖Programa de evento cuencas naturales, estándar 
mundial 
• Antiguo HEC-1 desarrollado por el USACE y de libre distribución 
(http://www.hec.usace.army.mil/)
• “Menú a la carta” para cada proceso
– Precipitación: diferentes métodos de interpolación
– Producción: sólo modelos de infiltración (no balance)
– Propagación en la subcuenca
– Propagación en cauces entre subcuencas
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
HEC-HMS
❖Modelo originalmente pseudo-distribuido:
❖ Posibilidades de distribuido:
• Producción en celda con SCS
• HU distribuido
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Otros modelos/programas de evento
❖ TR20. Versión simplificada para el SCS
❖ TOPMODEL (Beven en UK): a nivel de investigación
• Conceptos hidrológicos innovadores en los 80
• Origen agregado, pero hay versiones distribuidas
• Múltiples versiones de programa en la web
❖ CASC2D (CSU): todo OC y distribuido
❖ WMS (http://chl.wes.army.mil/software/wms/) interface con 
HEC1, TR20 y CASC2D.
http://chl.wes.army.mil/software/wms/
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Programas de drenaje urbano
❖Estándares:
• SWMM de la EPA
• Infoworks de Wallingford Software
• Mouse del DHI
❖Separación entre superficie y red de drenaje
▪ Superficie
• Producción: simple (e.g.: Horton)
• Propagación: embalse no lineal o planos inclinados con OC
▪ Propagación en la red con Saint-Venant 1D
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Modelos continuos clásicos
❖ Procesos importantes:
▪ Precipitación y/o fusión de nieve
▪ Evapotranspiración
▪ Flujo subterráneo
• Flujo base
❖ Período de simulación = años
▪ Discretización temporal = 1 día a 1 mes
❖ Basados en balance de agua en distintos almacenamientos
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Principales modelos y programas continuos
❖ Modelos de balance simples con 2 tanques (suelo y acuífero)
• Thornwaite y Mather
• Témez (utilizado para el PHN como modelo distribuido)
❖ Modelos más complejos conceptuales:
▪ Modelo de Stanford. Primer modelo matemático (1959)
• Actualmente en el HSPF
▪ Sacramento Soil Moisture Accounting Model (SAC-SMA)
• En muchos programas. E.g., el del US NWS
▪ Modelo de 4 tanques japonés, HBV sueco, NAM del DHI, XINANJANG 
chino, GR-3J francés, SFB australiano, etc.
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
SAC-SMA
Evapotranspiración
La cuenca está
compuesta por
tres unidades
morfológicas: al
norte, la llanura
del Toro, en la
mitad oriental la
subcuenca baja
que se extiende
alrededor del
embalse, y por
lo tanto,
presenta una
rápida
respuesta; y al
oeste, la
subcuenca alta
donde se
encuentran las
mayores
altitudes (Sierra
de Javalambre).
La cuenca
dispone, en la
actualidad, de 2
pluviográfos del
SAIH
localizados en
su interior, y de
otros 6, que no
Precipitación (Input)
La cuenca está
compuesta por
tres unidades
morfológicas: al
norte, la llanura
del Toro, en la
mitad oriental la
subcuenca baja
que se extiende
alrededor del
embalse, y por lo
tanto, presenta
una rápida
respuesta; y al
oeste, la
subcuenca alta
donde se
encuentran las
mayores altitudes
(Sierra de
Javalambre).
La cuenca
dispone, en la
actualidad, de 2
pluviográfos del
SAIH localizados
en su interior, y
de otros 6, que no
están localizados
al interior de la
Evapotranspiración
La cuenca está
compuesta por
tres unidades
morfológicas: al
norte, la llanura
del Toro, en la
mitad oriental la
subcuenca baja
que se extiende
alrededor del
embalse, y por
lo tanto,
presenta una
rápida
respuesta; y al
oeste, la
subcuenca alta
donde se
encuentran las
mayores
altitudes (Sierra
de Javalambre).
La cuenca
dispone, en la
actualidad, de 2
pluviográfos del
SAIH
localizados en
su interior, y de
otros 6, que no
Area permeable Area impermeable Escorrentía
directa
Flujo en el
canal
Función de
distribución
Caudal
InterflujoAgua
libre
Agua
capilar
Flujo base
primario
Flujo base
suplementario Flujo base total Descarga
subsuperficial
Agua
capilar
Agua libre
(Almacenamiento
principal)
ReservaAgua libre
(Almacenamiento
secundario)
Escorrentía
superficial
Percolación
La cuenca está
compuesta por
tres unidades
morfológicas: al
norte, la llanura
del Toro, en la
mitad oriental la
subcuenca baja
que se extiende
alrededor del
embalse, y por lo
tanto, presenta
una rápida
Superficie
Zona
Superior
Zona
Inferior
Modelos distribuidos
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Ventajas modelos distribuidos:
❖ Variabilidad espacial implícita y natural
❖ Posibilidad de interacción horizontal. Ejemplos:
▪ Reinfiltración en ladera o cauce
▪ Saturación por interflujo
▪ Controles de flujo en cauces
▪ Gradiente nivel freático
❖ Posibilidad de explotar información espacial existente
❖ Resultados en cualquier punto de la cuenca❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Desventajas potenciales mod. distribuidos:
❖ Estimación de parámetros
▪ Elevado número de parámetros
▪ Calibración de lo que ocurre en una celda a partir del hidrograma en desagüe
Solución: estimación indirecta previa
❖ Gestión de ingente información espacial
Solución: SIG
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Modelos globales
❖ Problemas modelos de evento:
▪ Condición inicial de humedad en la cuenca
» Solución: modelación continua con balance
❖ Problemas modelos continuos:
▪ Efectos de escala temporal
▪ Volúmenes durante crecidas no simulados
» Solución: discretización temporal pequeña
=> Tendencia a modelos globales distribuidos
❑Universidad del Tolima❑Facultad de Ingeniería Forestal
Miguel Barrios
miguelbarrios001@gmail.com
Facultad de Ingeniería Forestal
Universidad del Tolima
¡Gracias por su atención!
mailto:miguelbarrios001@gmail.com