Modelamiento de ecosistema con PHABSIM

El presente texto tiene como objetivo explicar para qué nos sirve el software de PHABSIM y posteriormente dar una breve explicación de las funcionalidades de sus programas de modelamiento hidráulico y modelamiento de hábitat.

El PHABSIM es un software desarrollado por el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) creado para describir los cambios de flujo dependientes en componentes físicos del sistema y los traduce en un estimado de la calidad y la cantidad de microhábitat para los organismos acuáticos.

El PHABSIM está hecho para usarse en aquellas situaciones donde el flujo del arroyo es un factor limitante de los recursos acuáticos y las condiciones de campo son compatibles con las teorías y conclusiones de los varios modelos de hábitats y modelos hidráulicos de este programa.

Modelamiento Hidráulico

Modelamiento aplicado de las elevaciones de la superficie de agua en el PHABSIM

1. Análisis de la relación Nivel-Descarga usando regresión en PHABSIM – el modelo STGQ

El modelo STGQ usa una relación nivel-descarga para calcular las elevaciones de superficie de agua para cada sección de cruce. En la relación nivel-descarga y su simulación, cada sección de cruce es independiente de los demás en el set de datos. El proceso informático es conducido por una regresión logarítmica entre el nivel observado y las descargas por cada sección de cruce. La ecuación de regresión resultante es luego usada para estimar las elevaciones de superficie de agua de los flujos de interés. Esta aproximación tiene la ventaja de que las áreas de hábitat de diferentes sitios en el arroyo pueden ser analizadas simultáneamente. La principal desventaja es que no todas las secciones de cruce son idóneas para la regresión de nivel-descarga y, por esto, el fenómeno de gradientes adversas de superficie de agua simuladas puede ocurrir.

2. Modelando la relación Nivel-Descarga usando la ecuación de Manning – el modelo MANSQ

Así como el modelo anterior, el modelo MANSQ es usado para determinar la relación nivel-descarga para secciones de cruce individuales, además de asumir que cada sección cruce es independiente de las demás durante la simulación y la calibración. En este caso, el flujo uniforme permite utilizar la pendiente hidráulica en vez de la pendiente de energía, porque estas son iguales cuando el flujo es uniforme. En adición, esta aproximación asume que las variaciones de flujo causadas por los cambios en el canal son despreciables. Es por esto que cuando el canal es más uniforme los resultados, usando esta aproximación, son más confiables. La calibración del modelo es lograda por un procedimiento de ensayo y error para seleccionar un coeficiente que minimice el error entre elevaciones de superficie de agua observadas y simuladas en todos los sitios de descarga medidos. 

3. Modelando la relación nivel-descarga usando una aproximación Step-Backwater – WSP

El programa de Water Surface Profile (WSP) usa un estándar de método step-backwater para determinar las elevaciones de las superficies de agua sobre una base de sección de cruce por sección de cruce. El WSP requiere que todas las secciones de cruce sean analizadas en conjunto. El modelo inicialmente es calibrado para una medición de un perfil longitudinal de elevaciones de superficies de agua por el ajuste de la dureza de Manning, primero para todo el sitio de estudio y luego para cada sección de cruce.

4. Modelamiento de velocidades usando PHABSIM

PHABSIM modela las velocidades para cada sección de cruce individual y, por esto trata, a cada sección de cruce independientemente sin considerar el modelo empleado para generar las WSLs (nivel de superficie de agua). Dentro de PHABSIM, el modelo VELSIM es usado para todas las predicciones de velocidad. Luego estos valores de velocidad son usados en el modelamiento de hábitat de PHABSIM. A continuación se ilustra la relación entre una velocidad medida en una sección de cruce vertical y una célula computacional, así como se ve en el modelo VELSIM.

 

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Modelamiento de Hábitat

 

El modelo AVDEPTH/AVPERM

El modelo del parámetro promedio AVDEPTH/AVPERM calcula el ancho húmedo y la superficie húmeda para flujos y elevaciones de superficie de agua dadas por el usuario. Esto determina el ancho de un arroyo con agua sobre una profundidad especificada por el usuario. También se calcula la velocidad promedio.

El uso del programa AVDEPTH/AVPERM puede usualmente proveer entradas valiosas dentro del funcionamiento de las simulaciones hidráulicas en las secciones de cruce específicas así como para el alcance de resultados agregados y de las implicaciones asociadas para las especies objetivo y sus estados de vida.

La salida resultante proveniente de AVDEPTH/AVPERM da información de cada sección de corte y un resumen de los parámetros promedio para todo el trayecto del arroyo, incluyendo descarga, profundidad, velocidad, etc.

 

El Programa HABTAE

El programa HABTAE es el principal programa de hábitat en PHABSIM para Windows. Este calcula el WUA (Weighted Usable Area) que es una combinación de calidad y cantidad del microhábitat físico, o el WUV (Weighted Usable Volume) para un trayecto o para cada sección de cruce.

El programa HABTAE puede calcular las velocidades adyacentes que permiten simular situaciones donde el hábitat del pez es determinado por parámetros hidráulicos donde se encuentra este y por velocidades cercanas a él. En el siguiente gráfico podemos observar cómo se ven los límites de las células usando los programas para modelación hidráulica y modelación de hábitat (HABTAE) en el PHABSIM. 

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Análisis de Migración Lateral usando el programa HABTAM

El programa HABTAM simula condiciones en las que el pez puede migrar lateralmente dentro de una sección de cruce en orden de hacer uso del WUA disponible cuando hay un cambio de descarga. Este calcula el WUA en cada flujo designado usando las funciones de curvas de idoneidad para velocidad, profundidad, índice de canal y/o otras propiedades hidráulicas dentro de cada célula computacional derivada del VELSIM. HABTAM asume que el WUA disponible en el flujo de inicio que es designado por el usuario está totalmente usado y luego, basado en lo que el usuario designa como máxima distancia permitida de migración para cada nivel de vida de cada especie, el programa calcula cuánto del WUA disponible en el flujo que designa el usuario como final puede ser usado. Cada sección de cruce se asume como una entidad separada y los peces no pueden migrar de una sección de cruce a otra.

 

Análisis de Hábitat efectivo usando el programa HABEF

El programa HABEF calcula el hábitat físico considerando condiciones a dos flujos de arroyo y/o para dos niveles de vida o especies. El programa usa resultados de hábitat de HABTAE o HABTAM como una fuente de especies o niveles de vida de información de cada célula donde se encuentra el hábitat.

 

 

Bibliografía

Waddle, T.J. (ed.). 2012. PHABSIM for Windows user's manual and exercises: U.S. Geological Survey Open-File Report 2001-340. 288 p.

 

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