Modelo de escorrentía

Un modelo de escorrentía es una representación que forma parte del ciclo hidrológico en cuanto al fenómeno de la escorrentía superficial de una cuenca hidrográfica. El modelo se usa mayormente para entender el proceso de escurrimiento y para pronosticarlo con el propósito de regularizar el uso del agua o diseñar obras hidráulicas para el control de inundaciónes.
Aunque se podrían hacer modelos a escala, la gran mayoría de los modelos de la escorrentía son modelos matemáticos.
Los modelos matemáticos de la escorrentía se pueden clasificar como:​
Los modelos estadísticos están basados en el análisis de frecuencia acumulada de las escorrentías. Los pronósticos a base del período de retorno sirven para evaluar la frecuencia de escasez o de exceso de agua con el propósito de regularizar el uso del agua o diseñar obras hidráulicas para el control de inundaciónes.
Además, el análisis estadístico de la lluvia o de la precipitación permite de estimar las recargas hidrológicas respresentativas de la cuenca que después pueden servir como datos de entrada en los modelos matemáticos que convierten las recargas en escorrentías, de modo que se puede evaluar el régimen de la escorrentía.
Los modelos empíricos son modelos, o más bien métodos, que se desarrollaron por experiencia, relacionando parámetros físicos hidrológicos con el fin de derivar la escorrentía a base de ellos. Modelos empíricos bien conocidos son:
Los modelos conceptuales son modelos basados en algún idea o concepto del proceso de la conversión de la lluvia en escorrentía.​
Un ejemplo del modelo conceptual es el modelo del reservorio como detallado más abajo.​
Los modelos de transporte hidráulico son modelos matemáticos a base de ecuaciones hidráulicas usadas en la mecánica de fluidos, como la de Saint Venant, para el flujo del agua en el lecho o cauce del río.
El transporte del agua se hace normalmente por ciertos tramos del río definidos por una división de la cuenca entera en subcuencas.
La complejidad de las características de la superficie de cuencas hace que los modelos de transporte todavía no son aplicables al proceso de escorrentía hasta el momento que el agua llega a un lecho o cauce bien definido.​ Por ello estos modelos se usan para el caso que el agua ya entró en un arroyo o río.
Software
Ejemplos de software: DSSAM,​ DUFLOW,​ HSPF,​ MIKE,​ MOHID Land,​ TopModel,​ WAFLEX​ y el modelo Xinanjiang.​
Los modelos compuestos son modelos que tienen componentes de los modelos conceptuales y de transporte.
Software
Ejemplos de software: GSSHA,​ HBV,​ SHETRAN​ y Vflo.​
La distinción entre modelos compuestos y modelos de transporte no es siempre muy clara porque muchos modelos de transporte también incluyen elementos de modelos conceptuales para determinar la cantidad de agua que entra en el cauce del río, en tanto que el método de la determinación puede variar de bien simple a muy avanzado.
Un modelo bien conocido es el modelo del reservorio lineal, pero en la práctica este modelo tiene utilidad limitada.
El modelo de escorrentía a base del reservorio no lineal tiene más aplicabilidad universal, pero solamente vale para cuencas en las cuales se puede considerar que la lluvia tiene una distribución más o menos igual sobre el área. El tamaño máximo de la cuenca depende entonces de las características de la precipitación en la región. Cuando el área de estudio es demasiado grande, se puede dividirlo en subcuencas y las hidrogramas respectivas pueden ser combinadas empleando modelos de simulación o modelos hidráulicos de transporte.
La hidrología de un reservorio lineal (figura 1) está basada en dos ecuaciones:​
siendo:
Ecuación de la escorrentía
La combinación de las dos ecuaciones anteriores resulta en una ecuación diferencial la solución de la cual se presenta como:
Este es la ecuación de la escorrentía, del escurrimiento, o de la descarga superficial hidráulica, donde Q1 y Q2 significan los valores de Q al tiempo T1 y T2 respectivamente mientras que T2–T1 es el paso o intervalo en el tiempo durante el cual la recarga neta R se puede suponer constante.
Computación del hidrograma total
Provisto que el valor de A es conocido se puede obtener el hidrograma total (HT) utilizando un número sucesivo de pasos en el tiempo y calculando la escorrentía con la ecuación de la escorrentía al final de cada paso partiendo de la escorrentía al final del intervalo previo. La escorrentía inicial debe estar conocido también.
Hidrograma unitario
Cuando R = 0, la descarga se puede escribir como:
Sustituyendo la expresión de Q en la ecuación (1) se obtiene la ecuación diferencial
y su solución es:
Reemplazando S por Q/A de acuerdo a la ecuación (1) y tomando una unidad de tiempo (T=1), se ve que:
Esta se llama hidrograma unitaria instantánea (HUI).​ La disponibilidad del HUI elimina la necesidad de calcular el HT sumando los hidrogamas parciales con el método más complicado de la convolución.​
Factor de reacción
Cuando el factor de reacción (A) se deja determinar a partir de las características de la cuenca hidrológica, el modelo del reservorio se puede emplear como modelo determinístico o modelo analítico.
De otro modo, el factor A se puede determinar de un archivo de datos de lluvia y escorrentía usando el método de calibración explicado más abajo para el reservorio no lineal. Con este método el reservorio se utiliza como caja negra.
Conversiones
Contrario al reservorio lineal, el reservorio no lineal tiene un factor de reacción (A) que no es constante,​ sino una función que depende de S o Q (figura 2, 3).
Normalmente el factor A aumenta con Q o S porque cuando más elevado el nivel del agua más grande la capacidad de descarga. Por ello, el factor se llama Aq en vez de A. El reservorio no lineal no tiene un HUI utilizable.
Durante períodos sin lluvia y recarga, o sea R = 0, la ecuación de escorrentía se reduce a:
o empleando un intervalo unitario del tiempo T2 – T1 = 1 y solucionando para Aq:
Entonces, el factor de reacción Aq se puede derivar de la escorrentía o descarga con intervalos unitarios durante épocas secas mediante un método numérico​
La figura 3 muestra la relación entre Aq y Q para un valle pequeño (Rogbom) en Sierra Leone. La figura 4 muestra el hidrograma observado y el simulado (calculado, reconstruido) del arroyo al lado aguas abajo del mismo valle.​
La recarga neta (lluvia efectiva, precipitación excesiva) se puede modelar con un ante-reservorio (figura 6) que da la recarga como desborde. El prereservorio contiene los siguientes elementos:
La recarga durante un intervalo unitario de tiempo (T2–T1=1) se encuentra como: R = Lluvia – Sd, a condición que R > 0, si no R = 0.
El almacenamiento actual al final del intervalo unitario se calcula como Sa2 = Sa1 + Lluvia – R – Ea, donde Sa1 es al almacenamiento actual al comienzo del intervalo de tiempo.
El método del Número de Curva (NC)​ presenta una alternativa para estimar la recarga neta. Aquí, la abstracción inicial es comparable con Sm–Si donde Si es el valor inicial de Sa en el método del reservorio.
Software Las figuras 3, 4 y 5 han sido preparadas con el programa de computadora RainOff​ diseñado para analizar la relación lluvia-escorrentía por medio de un reservorio no lineal con un pre-reservorio. El programa determina la función de Aq como lineal, logarítmico, o exponencial. El programa también contiene un ejemplo del hidrograma de un sistema de drenaje subterráneo agrario con un valor del factor de reacción Aq que se deja calcular directamente de las características del sistema mismo.​