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La comprensión de los procesos hidrológicos requiere del apoyo de técnicas que permitan representar los procesos naturales con la mayor precisión posible a partir de la información existente, en ocasiones escasa (Amaya et al., 2009). Los modelos son capaces de proporcionar resultados de forma más rápida con un costo menor en la dotación de personal y funcionamiento (Li et al., 2007).

Los modelos se pueden diferenciar en agregados y distribuidos; los primeros analizan como un promedio tanto a las lluvias como a los parámetros físicos de la cuenca; mientras que, en los modelos distribuidos se toma en cuenta la heterogeneidad de las precipitaciones y las distintas características de las cuencas mediante la discretización espacial en subcuencas o unidades hidrológicas de respuesta (Mendoza et al., 2002).

Debido al rápido avance de los Sistemas de Información Geográfica (SIG), se ha madurado en la investigación de modelado para comprender los efectos hidrológicos de la urbanización y la evaluación de los cambios hidrológicos ante escenarios de cambio climático (Kim et al., 2005), además son la opción más utilizada cuando no se disponen de mediciones de flujo (Singh y Woolhiser, 2002). Existen diferentes modelos distribuidos de simulación de cuencas hoy en día, es difícil elegir el modelo más adecuado para una cuenca en particular para hacer frente a un problema en específico y encontrar soluciones.

Los modelos hidrológicos distribuidos más utilizados son:

• HSPF
• MIKESHE
• TOPMODEL
• DHSVM
• SWAT

De los anteriores, el modelo SWAT tiene aceptación internacional como una poderosa herramienta interdisciplinaria para el modelado hidrológico de cuencas (Arnold y Fohrer, 2005).

El modelo SWAT se encuentra acoplado dentro de un Sistema de Información Geográfica, ya sea de licencia o software libre, en los cuales se denominado ArcSwat acoplado en ArcGis y QSwat para QSIG. Para descárgalos se puede hacer de las siguientes ligas:

ArcGis: ArcSWAT | SWAT | Soil & Water Assessment Tool (tamu.edu)

Qgis: QSWAT | SWAT | Soil & Water Assessment Tool (tamu.edu)

Los datos mínimos de entrada necesarios para que el modelo SWAT pueda simular la dinámica hidrológica, son el relieve, grupos de suelo, información de coberturas y usos del suelo, así como datos de precipitación y temperaturas máximas y mínimas diarias. La calidad de los datos de entrada contribuye e introduce incertidumbres en el modelo.

Los principales componentes del modelo incluyen información sobre el clima, el agua, propiedades de los suelos y su manejo, el crecimiento de las plantas, nutrientes y pesticidas. SWAT se encuentra acoplado a un SIG, por lo que puede integrar datos ambientales espacialmente explícitos de la cuenca.

Este modelo divide una cuenca hidrográfica en múltiples subcuencas, que luego se subdividen en Unidades de Respuesta Hidrológica (HRU por sus siglas en inglés), que consisten en el uso homogéneo del suelo, el manejo y tipo de suelo; a través de las cuales se espera que el agua fluya de una manera más o menos homogénea. Los resultados finales del modelo se resumen para toda la cuenca en la salida final. Cada componente hidrológico se analiza por separado para mejorar la precisión del modelo, pero los resultados se agrupan por subcuenca y se promedian para toda la cuenca en el informe final (Gassman et al., 2007; Mishra et al., 2017; Yan et al., 2013).

Los pasos a seguir dentro de SWAT son:

• Delimitación de cuencas y subcuencas
• Definición de Unidades de Respuesta Hidrológica
• Edición de parámetros de entrada, climáticos, de suelo, crecimiento de las plantas, manejo del suelo, etc.
• Parametrización de los elementos de entrada, y por ultimo
• Simulación

Para la correcta simulación hidrológica, los modelos deben de estar calibrados; esto se refiere al proceso de ajuste del modelo simulado con el objetivo de minimizar las diferencias con respecto de los datos medidos. Con la calibración se busca que el resultado de las simulaciones se asemeje lo mayor posible a los procesos naturales. El programa SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Programs) es un programa independiente desarrollado para la calibración de SWAT. Esta programa utiliza el algoritmo SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting) para los procedimientos de calibración y validación del modelo hidrológico de la cuenca de interés.

En SWAT-CUP los factores P y R son usados para evaluar el rendimiento del modelo. El Factor-P es el porcentaje de datos observados envueltos por el resultado del modelado, el 95PPU; mientras que el Factor-R es el grosor de la envolvente del 95PPU. En SUFI-2, se trata de obtener valores razonables de estos dos factores. Si bien resultaría satisfactorio capturar la mayoría de las observaciones en el 95PPU, al mismo tiempo sería idóneo tener un pequeño envolvente (Abbaspour, 2015).

A partir de la calibración de los parámetros que incidirán en dinámica hidrológica de una cuenca en particular, se puede obtener una simulación de la interacción de los distintos componentes del balance hídrico a nivel de cuenca, así como el comportamiento del flujo de salida del río principal.

Simulación

Los modelos hidrológicos distribuidos ayudan a mejorar la representación de las interacciones entre los distintos factores existentes en las cuencas, a diferencia de los modelos agregados donde se pierde el espectro de las distintas relaciones entre los componentes del sistema hídrico (Nené, 2020).

Nota: Este blog se desprende del trabajo de tesis doctoral “Efectos de los cambios de cobertura y uso de suelo en la dinámica hidrológica de cuencas asociadas a humedales de importancia internacional” (Nené, 2020), autor que colabora en esta empresa. Enlace de acceso a la tesis: https://www.riudg.udg.mx/handle/20.500.12104/81134