Generación de caudales sintéticos en la zona de recarga del río Pativilca aplicando el modelo hidrológico GR4J y el producto grillado PISCO v2.1.

Evalúa la eficiencia de la aplicación del modelo hidrológico GR4J en generar caudales sintéticos en las subcuencas ubicadas en la zona de recarga del río Pativilca, aguas arriba de la estación Puente Cahua, bajo dos enfoques semidistribuidos y haciendo uso del producto de precipitación grillada Pisco v2.1. El Perú es uno de los países que cuentan con las mayores reservas de agua dulce en el mundo, por lo que la cuantificación y correcta gestión del recurso hídrico debe ser una política de vital importancia para el desarrollo de la nación. Para el estudio, se hace uso de la herramienta RS Minerve para la construcción del modelo hidrológico semidistribuido a escala temporal diaria, se identificaron, con la ayuda del software QGIS, 33 subcuencas aguas arriba de la estación hidrométrica de referencia y así mismo se subdividieron las 33 subcuencas en 176 bandas altitudinales cada 500 m, de esta manera se buscó lograr una aproximación adecuada de la variabilidad espacial de la precipitación en la zona de estudio. Se realiza, previamente, la validación de los datos del producto grillado de precipitación Pisco v.2.1 en función de 13 estaciones instaladas que se ubicaron en la cuenca y en zonas próximas, con registros históricos de eventos de lluvia, los cuales son analizados estadísticamente para evaluar su confiabilidad

Assessment of the impacts of climate change, land cover transition, and internal climate variability on the hydrology of a forested watershed

In this study, the impacts of climate and land cover (LC) changes on the hydrologic processes of the Batchawana watershed in Central Ontario are assessed. Batchawana is a snow-dominated forested watershed with coniferous, deciduous and mixed trees and numerous small lakes. A semi-distributed hydrological model, based on the Raven hydrological framework, is calibrated and validated using ground-based observations for 1981-2001 and 2002-2011, respectively. Eight downscaled General Circulation Models (GCMs) that participated in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) and three large ensembles (50 members) of Regional Climate Model (RCM) simulations, under the Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5, are used to characterize the role of anthropogenic forcing and internal climate variability in projected changes of watershed runoff. Analyses are performed in the historical and future time frames corresponding to global mean temperature increases of 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5 and 4 °C compared to the preindustrial (1851-1900) level. The historical trends of land cover changes are extended to develop future LC scenarios including changes from coniferous to deciduous and mixed forests. Besides, to assess the influence of lakes four scenarios are investigated considering 25% lake shrinkage increments. Deciduous and mixed tree cover result in higher flow rates during fall compared to the base model with partial coniferous tree cover. A decrease in the area of lakes can decrease the streamflow in all seasons. Responding to climate change, the snowpack is projected to decline in the future indicating a shift from nival to a rainfall-dominated hydrological regime in a warmer climate. Further, the mean annual streamflow is projected to increase while the annual maximum flow is expected to decline. Analysis of Internal Variability indicates that human-induced climate change, compared with natural variability, will dominate the hydrological changes in the region during the last decade of the 21st century. Overall, the results show significant changes in the hydrological processes of this forested watershed associated with both climate and land cover changes. This will affect the flood and drought hazards and consequently endanger the agriculture, wood industry and lives of indigenous residents of Batchawana

Développement d'approches de calage efficaces pour les modèles hydrologiques coûteux en temps de calcul, au moyen du modèle HYDROTEL

Le calage des modèles hydrologiques peut se formuler comme un problème d’optimisation sans dérivée, également appelé problème d’optimisation de « boîte noire » ; c’est-à-dire qu’il est impossible pour l’optimiseur d’exploiter la structure de la fonction objectif dans le but d’améliorer le processus de calage. Ce genre de problème d’optimisation peut devenir coûteux en temps de calcul lorsque des modèles hydrologiques distribués spatialement sont utilisés. L’exécution d’une seule simulation à l’aide de ce type de modèles peut prendre plusieurs minutes et l’optimisation peut requérir plusieurs milliers de simulations. Le calage peut donc impliquer des temps de calcul importants et une approche d’optimisation efficace se doit d’être établie de manière à rendre ces outils applicables aux contextes opérationnels. La première phase de cette recherche découle de travaux précédents qui ont permis d’identifier le développement prometteur d’une nouvelle stratégie de calage automatique pour les modèles hydrologiques coûteux en temps de calcul. Cette nouvelle approche d’optimisation adaptée au calage du modèle hydrologique HYDROTEL, distribué, à base physique et coûteux en temps de calcul, est développée en combinant les strategies d’optimisation efficaces de deux algorithmes existants, soient « Dynamically Dimensioned Search » (DDS) et « Mesh Adaptive Direct Search » (MADS). D’abord, la capacité d’exploration globale de l’espace de solutions (espace paramétrique) de l’algorithme DDS permet l’obtention rapide d’un jeu de paramètres produisant une bonne valeur de la function objectif (mesurant l’écart entre les débits observés et simulés à l’exutoire d’un basin versant). Ensuite, les stratégies de recherche de l’algorithme MADS permettent de fournir un raffinement local où les conditions d’optimalité du jeu de paramètre final sont satisfaites. Les résultats obtenus à l’aide de cette nouvelle méthode démontrent que, pour le calage d’HYDROTEL à 10 paramètres de calage, des économies moyennes de 70 % en temps de calcul sont possibles par rapport aux algorithmes de calage traditionnellement employés. Alors que 40 % d’économies en temps de calcul est plutôt obtenu lors du calage d’HYDROTEL à 19 paramètres, sans oublier que les valeurs finales de la fonction objectif sont comparables à celles obtenues avec des algorithmes d’optimisation existants. La deuxième phase vise à évaluer le potentiel d’utilisation de différentes avenues de construction de modèles substituts. D’une part, les modèles à fidélité réduite selon trois axes de simplification du modèle original sont examinés : (1) la diminution du nombre de stations météorologiques virtuelles sur le territoire, (2) la diminution de la durée de la période de simulation et (3) la diminution de la discrétisation spatiale du territoire en ajustant le nombre d’Unités Hydrologiques Relativement Homogène (UHRH) qui modélisent le bassin versant. La combinaison de ces trois axes de simplification sera également évaluée. Les critères d’évaluation sont la représentativité du modèle substitut envers le modèle original et la diminution du temps de calcul pour la simulation. Les résultats démontrent que la combinaison des trois axes de simplification permet d’offrir des modèles substituts ayant des niveaux de représentativité et des temps de calcul intéressants pour l’utilisation dans un contexte de calibration. D’autre part, la représentativité des fonctions de surface telles que les fonctions polynomiales et les modèles de Krigeage sera évaluée. Une analyse selon diverses tailles de l’historique des solutions qui permet de construire la fonction de surface et diverses tailles de l’espace paramétrique permettra de tirer les capacités de représentativité des fonctions de surface. Les résultats démontrent que les deux types de fonctions de surface peuvent très bien représenter des sous-espaces paramétriques de petite taille avec un nombre minimal de 100 solutions. Puis, une troisième phase vise à intégrer les modèles substituts avantageux en terme de temps de calcul au sein de la nouvelle approche hybride d’optimisation DDS-MADS. Plusieurs expérimentations proposeront différents cadres d’optimisation pour la calibration du modèle hydrologique HYDROTEL. Au final, en fonction des objectifs de calibration et des contraintes dont l’utilisateur fait face, quelques cadres d’optimisation sont retenus. Certains offrent une meilleure réduction du temps de calcul et d’autres performent davantage en terme de valeur finale de la fonction objectif. Le meilleur compromis entre la diminution du temps de calcul et la qualité des valeurs finales de la fonction objectif est obtenu lors de l’utilisation de l’approche hybride DDS-MADS performant uniquement sur les modèles à fidélité réduite, suivi de l’algorithme MADS performant sur les modèles hydrologiques originaux

Propuesta y análisis de metodologías para la evaluación de recursos hídricos mediante modelos precipitación-escorrentía

[ES] La evaluación de los recursos hídricos es una pieza clave para la solución sostenible de problemas que la sociedad enfrenta día con día relacionados con la disponibilidad del agua. Para distribuir los recursos disponibles en una región y gestionarlos correctamente, dada su distribución tanto espacial como temporalmente errática, es necesario primero cuantificarlos y posteriormente definir planes de actuación. Es así, que la evaluación de recursos hídricos es considerada como el punto de partida para la planificación y la gestión del agua, y la base para el análisis del impacto de fenómenos como las sequías y el cambio climático. Por todo lo anterior, la evaluación de recursos hídricos debe ser un instrumento confiable que dé fortaleza en la toma de decisiones; ya que, si la base no es lo suficientemente robusta, las decisiones tomadas a partir de ella tampoco serán fiables. El principal instrumento utilizado para la evaluación de recursos hídricos son los modelos hidrológicos, ya que permiten el análisis del ciclo del agua a escala de cuenca a través de expresiones matemáticas. La modelación hidrológica ha sido utilizada con otros propósitos además de la evaluación de recursos hídricos, el más recurrido: la predicción y control de crecidas, cuya metodología y estudios de casos son muy extensos en la literatura. No obstante, ante el problema de la evaluación de recursos hídricos, las referencias en la literatura suelen ser escasas y más aún, cuando los sistemas son complejos y han sufrido alteraciones de origen antrópico que modifican su estado natural invalidando la aplicación directa de los modelos hidrológicos para este fin. En esta investigación se analizan y proponen metodologías específicas para las diferentes casuísticas presentes en la evaluación de recursos hídricos: en sistemas naturales, sistemas regulados con altos índices de explotación y sistemas que presenten una fuerte influencia de la componente subterránea. La propuesta demanda el uso acoplado de modelos precipitación-escorrentía (MPE); por un lado, con un modelo de simulación de la gestión (MSG), y por el otro, con un modelo distribuido para la simulación de acuíferos. Este planteamiento permite cuantificar los recursos disponibles en la cuenca tomando en cuenta las interacciones que suceden entre los elementos del sistema, permitiendo que procesos como el de la restitución de caudales a régimen natural no sean estrictamente necesarios. Para su análisis fueron seleccionados tres casos de estudio representativos, uno por cada tipo de problema. Los sistemas no regulados están representados por nueve cuencas de cabecera distribuidas en el sistema de explotación del Duero y el Júcar, seleccionadas cuidadosamente en función sus características hidrológicas y la calidad de la información disponible. La propuesta desarrollada para los sistemas regulados se aplicó al sistema de explotación del Júcar caracterizado por presentar una gran capacidad de regulación y altos índices de explotación. Finalmente, uno de los casos más complejos donde la componente subterránea juega un papel fundamental en la evaluación de los recursos hídricos es la cabecera del Guadiana, donde hasta la actualidad se siguen sufriendo las consecuencias de una mala gestión y un total desconocimiento de las interacciones que suceden en el sistema. Como una de las aportaciones destacadas de esta investigación, se presenta el desarrollo de una aplicación informática para la calibración de MPE, compatible con las herramientas utilizadas en la evaluación de recursos hídricos en cualquiera de los casos presentados. En síntesis, esta tesis doctoral recoge una propuesta científico-técnica completa para enfrentar el problema de la evaluación de recursos hídricos a través de la modelación hidrológica, abordando todo el abanico de posibles problemáticas presentes en los sistemas de recursos hídricos. Además, propone un uso concatenado de técnicas informáticas que permiten aplicar las metodologías propuestas y los modelos de simulación implementados, todo esto incluido dentro de un Sistema Soporte a la Decisión (AQUATOOL).[EN] Water resources assessment is a key to the sustainable solution of problems that society faces everyday related to water availability. In order to distribute the available resources in a region and manage them properly, given their erratic spatial and temporal distribution, it is necessary first to quantify them and then to define action plans. Hence, water resources assessment is considered as the starting point for water planning and management, and the basis for the analysis of the impact of phenomena such as droughts and climate change. For all these reasons, water resources assessment must be a reliable instrument that provides strength in decision-making. If the basis is not sufficiently robust, the decisions taken based on it will not be reliable either. The main approach to water resources assessment is through hydrological models, since they allow the analysis of the water cycle on a basin scale with mathematical expressions. Hydrological modeling has been used for other purposes besides water resources assessment, being the most commonly used forecasting and flood control, whose methodology and case studies are very extensive in the literature. Nevertheless, faced with the problem of water resources assessment, the literature references are often scarce and even more so when the systems are complex and have suffered alterations of anthropic origin that modify their natural state, invalidating the direct application of hydrological models for this purpose. This research analyses and proposes specific methodologies for the different case studies in water resources assessment: natural systems, regulated systems with high exploitation rates and systems with strong groundwater component influence. The proposal requests the coupled use of rainfall-runoff models (RRM). On one side, with a management simulation model, and on the other side with a distributed model for the simulation of aquifers. This approach allows quantifying the available resources in the basin by taking into account the interactions that occur between the elements of the system, allowing processes as that of the restitution of flows to natural regime are not strictly necessary. Three representative case studies were selected for analysis, one for each type of problem. The non-regulated systems are represented by nine headwater basins distributed in the Duero and Jucar exploitation system, carefully selected according to their hydrological characteristics and the quality of the available information. The proposal developed for the regulated systems was applied to the Júcar exploitation water system, which is characterized by a great capacity for regulation and high exploitation rates. Finally, one of the most complex cases where the groundwater component plays a key role in the evaluation of water resources is the headwaters of the Guadiana basin, where to this day the consequences of poor management and a total lack of knowledge of the interactions that occur in the system persist. a computer application for the calibration of RRM, compatible with the tools used in the water resources assessment in any of the cases presented. In summary, this PhD thesis includes a complete scientific-technical proposal to face the problem of water resources assessment through hydrological modelling, addressing the whole range of possible problems present in water resources systems. Furthermore, it proposes a combined use of computer techniques that allow the application of the proposed methodologies and the implemented simulation models, all this included within a Decision Support System (AQUATOOL).[CA] L'avaluació dels recursos hídrics és una peça clau per a la solució sostenible de problemes que la societat afronta dia amb dia relacionats amb la disponibilitat de l'aigua. Per a distribuir els recursos disponibles en una regió i gestionar-los correctament, donada la seua distribució tant espacial com temporalment erràtica, és necessari primer quantificar-los i posteriorment definir plans d'actuació. És així, que l'avaluació de recursos hídrics és considerada com el punt de partida per a la planificació i la gestió de l'aigua, i la base per a l'anàlisi de l'impacte de fenòmens com les sequeres i el canvi climàtic. Per tot l'anterior, l'avaluació de recursos hídrics ha de ser un instrument confiable que done fortalesa en la presa de decisions; ja que, si la base no és prou robusta, les decisions preses a partir d'ella tampoc seran fiables. El principal instrument utilitzat per a l'avaluació de recursos hídrics són els models hidrològics, ja que permeten l'anàlisi del cicle de l'aigua a escala de conca a través d'expressions matemàtiques. La modelació hidrològica ha sigut utilitzada amb altres propòsits a més de l'avaluació de recursos hídrics, el més recorregut: la predicció i control de crescudes, la metodologia i estudis de casos de la qual són molt extensos en la literatura. No obstant això, davant del problema de l'avaluació de recursos hídrics, les referències en la literatura solen ser escasses i més encara, quan els sistemes són complexos i han patit alteracions d'origen antròpic que modifiquen el seu estat natural invalidant l'aplicació directa dels models hidrològics per a este fi. En esta investigació s'analitzen i proposen metodologies específiques per a les diferents casuístiques presents en l'avaluació de recursos hídrics: en sistemes naturals, en sistemes regulats amb alts índexs d'explotació i sistemes que presenten una forta influència de la component subterrània. La proposta demanda l'ús acoblat de models precipitació-escolament (MPE) ; d'una banda, amb un model de simulació de la gestió, i per l'altre, amb un model distribuït per a la simulació d'aqüífers. Este plantejament permet quantificar els recursos disponibles en la conca tenint en compte les interaccions que hi ha entre els elements del sistema, permetent que processos com el de la restitució de cabals a règim natural no siguen estrictament necessaris. Per a la seua anàlisi van ser seleccionats tres casos d'estudi representatius, u per cada tipus de problema. Els sistemes no regulats estan representats per nou conques de capçalera distribuïdes en el sistema d'explotació del Duero i el Xúquer, seleccionades cuidadosament en funció les seues característiques hidrològiques i la qualitat de la informació disponible. La proposta desenvolupada per als sistemes regulats es va aplicar al sistema d'explotació del Xúquer caracteritzat per presentar una gran capacitat de regulació i alts índexs d'explotació. Finalment, un dels casos més complexos on la component subterrània juga un paper fonamental en l'avaluació dels recursos hídrics és la capçalera del Guadiana, on fins a l'actualitat es continuen patint conseqüències degut a una mala gestió i un total desconeixement de les interaccions que es donen en el sistema. Com una de les aportacions destacades d'esta investigació, es presenta el desenvolupament d'una aplicació informàtica per a la calibració de MPE, compatible amb les ferramentes emprades en l'avaluació de recursos hídrics en qualsevol dels casos presentats. En síntesi, esta tesi doctoral arreplega una proposta cientificotècnica completa per a afrontar el problema de l'avaluació de recursos hídrics a través de la modelació hidrològica, abordant totes les possibles problemàtiques presents en els sistemes de recursos hídrics. A més, proposa un ús concatenat de tècniques informàtiques que permeten aplicar les metodologies proposades i els models de simulació implementats, tot açò inclòs dins d'un Sistema de Suport a la Decisió (AQUATOOL).Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACyT) y a la Secretaría de Innovación, Ciencia y Desarrollo Tecnológico del Estado de Michoacán (SICDET) por el financiamiento otorgado para la realización de mis estudios de doctorado.García Romero, L. (2020). Propuesta y análisis de metodologías para la evaluación de recursos hídricos mediante modelos precipitación-escorrentía [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/153150TESI