DECÁLOGO PARA EL MODELAJE HIDROLÓGICO DE CRECIDAS CON HEC-HMS Y Geo-HMS
El paquete de libre distribución HEC-HMS y la extensión Geo-HMS (ArcMap) desarrollados por el conocido centro HEC son herramientas complementarias muy útiles para el pronóstico de crecidas mediante modelaje hidrometeorológico de transformación precipitación-caudal. Ambas aplicaciones están muy documentadas y son fáciles de encontrar en el sitio web del HEC.
El uso responsable de este software requiere el conocimiento suficiente de las bases teóricas correspondientes a los distintos modelos hidrológicos involucrados (precipitación, infiltración, hidrogramas, propagación en cauces, propagación en embalses, calibración, y otros). El aprendizaje mediante análisis de casos prácticos y resolución de ejercicios durante un tiempo suficiente para asimilar el conocimiento adquierido es a, nuestro juicio, la mejor metodología. Desde hace más de 10 años el Grupo de Ecohidrología Fluvial GEF imparte cursos presenciales y online sobre HEC-HMS en distintos programas oficiales de la Universidad de Valladolid (grado, maestría, doctorado), y en cursos de extensión para la Administración y consultoras en el ámbito Iberoaméricano.
En este post compartimos 10 claves principales para el mejor aprovechamiento juicioso de HMS, a partir de nuestra experiencia en aplicaciones y en cursos.
1. La extensión SIG Geo-HMS no es imprescindible, es un complemento
Geo-HMS es una extensión para GIS (ArcMap) que facilita la extración a partir de un Modelo Digital de Elevación (MDE) del modelo de cuenca sobre el que trabaja HMS. Pero HMS puede utilizarse satisfactoriamente introduciendo manualmente toda la información necesaria de los distintos componentes. No obstante, si usted necesita gestionar un modelo complejo y/o modelar una extensión grande y heterogénea, con Geo-HMS mejorará su rendimiento.
El paquete de libre distribución HEC-HMS y la extensión Geo-HMS (ArcMap) desarrollados por el conocido centro HEC son herramientas complementarias muy útiles para el pronóstico de crecidas mediante modelaje hidrometeorológico de transformación precipitación-caudal. Ambas aplicaciones están muy documentadas y son fáciles de encontrar en el sitio web del HEC.
El uso responsable de este software requiere el conocimiento suficiente de las bases teóricas correspondientes a los distintos modelos hidrológicos involucrados (precipitación, infiltración, hidrogramas, propagación en cauces, propagación en embalses, calibración, y otros). El aprendizaje mediante análisis de casos prácticos y resolución de ejercicios durante un tiempo suficiente para asimilar el conocimiento adquierido es a, nuestro juicio, la mejor metodología. Desde hace más de 10 años el Grupo de Ecohidrología Fluvial GEF imparte cursos presenciales y online sobre HEC-HMS en distintos programas oficiales de la Universidad de Valladolid (grado, maestría, doctorado), y en cursos de extensión para la Administración y consultoras en el ámbito Iberoaméricano.
En este post compartimos 10 claves principales para el mejor aprovechamiento juicioso de HMS, a partir de nuestra experiencia en aplicaciones y en cursos.
1. La extensión SIG Geo-HMS no es imprescindible, es un complemento
Geo-HMS es una extensión para GIS (ArcMap) que facilita la extración a partir de un Modelo Digital de Elevación (MDE) del modelo de cuenca sobre el que trabaja HMS. Pero HMS puede utilizarse satisfactoriamente introduciendo manualmente toda la información necesaria de los distintos componentes. No obstante, si usted necesita gestionar un modelo complejo y/o modelar una extensión grande y heterogénea, con Geo-HMS mejorará su rendimiento.
2. Modelo de Cuenca Simple o Compuesta: cuestión de conveniencia
HMS aplica modelos discretos sobre subcuencas a modo de unidad de cálculo, cuya extensión puede ser muy variada. Lo cierto es que la simplificación de una realidad espacialmente distribuída en 3-Dimensiones como es una cuenca vertiente a un evento puntual (1D) es necesaria cuando se trabaja con modelos discretos. Es claro que aumentar el grado de desagregación de un modelo de cuenca (más subcuencas) incrementa la resolución espacial de los resultados, pero también la cantidad de datos y de parámetros que precisan los modelos. La cantidad de subcuencas idónea para un modelaje no es algo automático, y debe ser fijado con criterio profesional, teniendo muy claro los objetivos concretos y la precisión y confiabiliad de los datos disponibles.
HMS aplica modelos discretos sobre subcuencas a modo de unidad de cálculo, cuya extensión puede ser muy variada. Lo cierto es que la simplificación de una realidad espacialmente distribuída en 3-Dimensiones como es una cuenca vertiente a un evento puntual (1D) es necesaria cuando se trabaja con modelos discretos. Es claro que aumentar el grado de desagregación de un modelo de cuenca (más subcuencas) incrementa la resolución espacial de los resultados, pero también la cantidad de datos y de parámetros que precisan los modelos. La cantidad de subcuencas idónea para un modelaje no es algo automático, y debe ser fijado con criterio profesional, teniendo muy claro los objetivos concretos y la precisión y confiabiliad de los datos disponibles.
3. Agrega un mapa de fondo como ayuda visual
Siempre resulta práctico construir y gestionar el modelo de cuenca ("Basin model") sobre un mapa de fondo, que facilite la localización de los distintos procesos representados por los elementos hidrológicos que están disponibles en HMS: subcuenca, tramo, unión, embalse, derivación, fuente, y sumidero. Pero ¡ojo¡: es sólo una ayuda visual, que no interviene en los cálculos.
Siempre resulta práctico construir y gestionar el modelo de cuenca ("Basin model") sobre un mapa de fondo, que facilite la localización de los distintos procesos representados por los elementos hidrológicos que están disponibles en HMS: subcuenca, tramo, unión, embalse, derivación, fuente, y sumidero. Pero ¡ojo¡: es sólo una ayuda visual, que no interviene en los cálculos.
4. Precación con detalles del formato: evite quebraderos de cabeza..
De los cursos que hemos impartido conocemos bien las molestias y pérdidas de tiempo que supone omitir las siguientes indicaciones.
- Utilice somo separador decimal el punto (y no la coma): 3.25 km en lugar de 3,25 km. En algunos países como España esto es procedente.
- Evite utilizar rutas largas para guardar el proyecto, puesto que el programa puede "perderse".
- No use signos diacríticos (tilde, diéresis, ñ, coma, punto, etc).
- Lo anterior no queta para que, por supuesto, pueda emplearse el Sistema Métrico, seleccionándolo en la opción correspondiente.
De los cursos que hemos impartido conocemos bien las molestias y pérdidas de tiempo que supone omitir las siguientes indicaciones.
- Utilice somo separador decimal el punto (y no la coma): 3.25 km en lugar de 3,25 km. En algunos países como España esto es procedente.
- Evite utilizar rutas largas para guardar el proyecto, puesto que el programa puede "perderse".
- No use signos diacríticos (tilde, diéresis, ñ, coma, punto, etc).
- Lo anterior no queta para que, por supuesto, pueda emplearse el Sistema Métrico, seleccionándolo en la opción correspondiente.
5. Configure las Especificaciones de Control adecuadas para cada evento
Cada proyecto (modelo hidrológico) que ejecuta HMS tiene 3 componentes imprescindibles: [1] Modelo de Cuenca ("Basin Model"); [2] Modelo Meteorológico ("Meteorologic Model"); y [3] Especificaciones de Control ("Control Specifications"). Las Especificaciones de Control son la forma que tiene el usuario de indicar al programa el inicio y el final del intervalo temporal de simulación (fecha y hora de inicio/final), así como el Intervalo de Cómputo ("Time Interval").
El tiempo de cómputo influye en el resultado final, y su valor no debería fijarse nunca de manera arbitraría, ni por defecto ("lo que viene en el programa"). En nuestros cursos siempre inculcamos a los alumnos que el conocimiento de las hipótesis de los modelos involucrados es la clave para la configuración apropiada. Observe en la figura cómo una misma precipitación (azul-superpuesto) genera una infiltración (rojo) y la consiguiente escorrentía (azul-no superpuesto) cuyo volumen agregado conforma hidrogramas diferentes, dependiendo del intervalo de cálculo fijado (izqda=6min y dcha=2min).
6. Defina la lluvia de cálculo representativa del evento
Es normal en el pronóstico de crecidas que la precipitación de cálculo no haya sido registrada (pluviómetro - pluviógrafo), sino que debe estimarse mediante técnicas de estadística hidrológica el pluviograma incidente: duración total y lluvia incremental en cada uno de los intervalos en los que se divide. En estos casos, un ajuste estadístico de lluvias máximas mediante funciones de distribución (Gumbel, LPIII, Gamma, etc) seguido de la aplicación de la función Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF) es un procedimiento habitual. Pero en cualquier caso, estos dos interrogantes deben ser respondidos con juicio profesional.
a) ¿Cuánto dura la lluvia de cálculo?. Por ejemplo, para determinar el hidrograma de una crecida de período de retorno T=25 años para el diseño de una estructura hidráulica, un estudio de inundabilidad, etc.
b) ¿Cómo generar un pluviograma si sólo existe el dato de lluvia total?. Distribución de la lluvia en el tiempo.
En la siguiente figura tomada de una práctica de nuestro curso HMS básico se obtienen los hidrogramas de respuesta a un aguacero de la misma duración y precipitación, pero con pluviogramas diferentes (izqda-bloque central y dcha-rectangular). Note las diferencias perceptibles en el caudal y en el tiempo pico.
Es normal en el pronóstico de crecidas que la precipitación de cálculo no haya sido registrada (pluviómetro - pluviógrafo), sino que debe estimarse mediante técnicas de estadística hidrológica el pluviograma incidente: duración total y lluvia incremental en cada uno de los intervalos en los que se divide. En estos casos, un ajuste estadístico de lluvias máximas mediante funciones de distribución (Gumbel, LPIII, Gamma, etc) seguido de la aplicación de la función Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF) es un procedimiento habitual. Pero en cualquier caso, estos dos interrogantes deben ser respondidos con juicio profesional.
a) ¿Cuánto dura la lluvia de cálculo?. Por ejemplo, para determinar el hidrograma de una crecida de período de retorno T=25 años para el diseño de una estructura hidráulica, un estudio de inundabilidad, etc.
b) ¿Cómo generar un pluviograma si sólo existe el dato de lluvia total?. Distribución de la lluvia en el tiempo.
En la siguiente figura tomada de una práctica de nuestro curso HMS básico se obtienen los hidrogramas de respuesta a un aguacero de la misma duración y precipitación, pero con pluviogramas diferentes (izqda-bloque central y dcha-rectangular). Note las diferencias perceptibles en el caudal y en el tiempo pico.
7. Aproveche la capacidad para comparar simulaciones
Resulta muy práctico poder comparar el efecto en el hidrograma resultante de una o más variantes de la configuración de un modelo inicial. Eso puede hacerse para evaluar el efecto de: un eventual cambio en el patrón de lluvia; cambio en las condiciones hidrológicas del complejo suelo-vegetación (repoblación, deforestación, urbanización, etc); aplicación de un modelo alternativo de infiltración (Curva Número, Green Ampt, Inicial y Constante, etc) y/o de hidrograma (SCS, Clark, Onda Cinemática, etc). Para ello HMS puede ejecutar simulaciones diferentes a partir de datos parcialmente comunes en los modelos de cuenca, meteorológico, especificaciones de contro, y otros datos base.
A modo de ejemplo, la figura muestra los resultados de una práctica de nuestro curso HMS online en la que el participante ensaya sobre un mismo modelo de cuenca y con unas mismas especificaciones de control, varios modelos de lluvia alternativos. Se trata de un mismo volumen de lluvia, pero con pluviogramas de bloques alternados en los que el bloque mayor ocupa posiciones distintas en el tiempo. El usuario de HMS se percata con este tipo de análisis de las consecuencias potenciales de una selección arbitraria y/o desacertada.
Resulta muy práctico poder comparar el efecto en el hidrograma resultante de una o más variantes de la configuración de un modelo inicial. Eso puede hacerse para evaluar el efecto de: un eventual cambio en el patrón de lluvia; cambio en las condiciones hidrológicas del complejo suelo-vegetación (repoblación, deforestación, urbanización, etc); aplicación de un modelo alternativo de infiltración (Curva Número, Green Ampt, Inicial y Constante, etc) y/o de hidrograma (SCS, Clark, Onda Cinemática, etc). Para ello HMS puede ejecutar simulaciones diferentes a partir de datos parcialmente comunes en los modelos de cuenca, meteorológico, especificaciones de contro, y otros datos base.
A modo de ejemplo, la figura muestra los resultados de una práctica de nuestro curso HMS online en la que el participante ensaya sobre un mismo modelo de cuenca y con unas mismas especificaciones de control, varios modelos de lluvia alternativos. Se trata de un mismo volumen de lluvia, pero con pluviogramas de bloques alternados en los que el bloque mayor ocupa posiciones distintas en el tiempo. El usuario de HMS se percata con este tipo de análisis de las consecuencias potenciales de una selección arbitraria y/o desacertada.
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8. Mejore la confiabilidad de su modelo con una calibración
Todo modelaje incorpora incertidumbre que puede proceder de uno o varios de los siguientes elementos: datos de la cuenca, datos de precipitación y/o su ponderación, y parámetros de los distintos modelos. Para minimizar esta incertidumbre, la calibración del modelo con datos "reales" del evento es la mejor opción cuando resulta posible.
La siguiente figura pertenece a una práctica de calibración, donde el alumno ensaya diferentes métodos de optimización del Curva Número en una calibración automática con HEC-HMS. Se trata de un resultado parcial en esa aproximación, el cual indica que la calibración es todavía mejorable, puesto que los hidrogramas simulado (azul) y observado (rojo) son disimilares.
Todo modelaje incorpora incertidumbre que puede proceder de uno o varios de los siguientes elementos: datos de la cuenca, datos de precipitación y/o su ponderación, y parámetros de los distintos modelos. Para minimizar esta incertidumbre, la calibración del modelo con datos "reales" del evento es la mejor opción cuando resulta posible.
La siguiente figura pertenece a una práctica de calibración, donde el alumno ensaya diferentes métodos de optimización del Curva Número en una calibración automática con HEC-HMS. Se trata de un resultado parcial en esa aproximación, el cual indica que la calibración es todavía mejorable, puesto que los hidrogramas simulado (azul) y observado (rojo) son disimilares.
9. Automatice la construcción del modelo de cuenca con Geo-HMS
Si la zona a simular incluye una cantidad grande de subcuencas, la construcción manual del modelo de cuenca puede ser un proceso laborioso, aunque factible. La extensión Geo-HMS que se instala exclusivamente en ArcGis automatiza dicho proceso a partir de un Modelo Digital de Elevaciones (MDE) Ráster, ejecutando encadenadamente las tareas de pre/procesado del terreno, delineado de la red de drenaje y de las subcuencas, y finalmente la generación de un modelo de cuenca importable directamente desde HMS.
Si la zona a simular incluye una cantidad grande de subcuencas, la construcción manual del modelo de cuenca puede ser un proceso laborioso, aunque factible. La extensión Geo-HMS que se instala exclusivamente en ArcGis automatiza dicho proceso a partir de un Modelo Digital de Elevaciones (MDE) Ráster, ejecutando encadenadamente las tareas de pre/procesado del terreno, delineado de la red de drenaje y de las subcuencas, y finalmente la generación de un modelo de cuenca importable directamente desde HMS.
10. Y por último... pero fundamental ... evite ser un usuario "voilà"
Cual mago que hace aparecer de una chistera un conejo encandilando a los espectadores, el programa HEC-HMS puede arrojar gráficos muy vistosos que únicamente serán confiables si los datos y la profesionalidad del usuario también lo son. Un uso responsable necesita tiempo suficiente de práctica y de asimilación de conocimientos. HMS y Geo-HMS están muy bien documentados con manuales en inglés muy prácticos de las bases teóricas, uso del programa, y aplicaciones prácticas.
En el Grupo de Ecohidrología Fluvial GEF ofrecemos cursos presenciales (abiertos e "inhouse" a medida) y on-line certificados con diploma oficial de la Universidad de Valladolid - España. Puede consultar nuestra oferta en www.gef-ecohidrologia.org y suscribirse a nuestro boletín si desea estar informado para las próximas convocatorias.
Cual mago que hace aparecer de una chistera un conejo encandilando a los espectadores, el programa HEC-HMS puede arrojar gráficos muy vistosos que únicamente serán confiables si los datos y la profesionalidad del usuario también lo son. Un uso responsable necesita tiempo suficiente de práctica y de asimilación de conocimientos. HMS y Geo-HMS están muy bien documentados con manuales en inglés muy prácticos de las bases teóricas, uso del programa, y aplicaciones prácticas.
En el Grupo de Ecohidrología Fluvial GEF ofrecemos cursos presenciales (abiertos e "inhouse" a medida) y on-line certificados con diploma oficial de la Universidad de Valladolid - España. Puede consultar nuestra oferta en www.gef-ecohidrologia.org y suscribirse a nuestro boletín si desea estar informado para las próximas convocatorias.
