El programa de Simulación Hidrológica –FORTRAN (HSPF) es un conjunto de códigos que permite simular la hidrología y la calidad de agua en los recursos hídricos, en base a los procesos permeables y no permeables que ocurren en la superficie terrestre.
El HSPF cuenta con un conjunto de módulos que siguen una estructura jerárquica, los cuales permiten la simulación continua de una amplia gama de procesos de calidad hidrológica. El programa beneficia al usuario de la siguiente manera:
Crea series de tiempo orientados al acceso directo de los datos del sistema brindando una mejor manera de poder organizar, introducir y actualizar los archivos de gran tamaño.
Presenta una estructura unificada en el modelo, lo cual lo hace relativamente sencillo de operar. El usuario puede seleccionar los módulos y las opciones que necesite durante su modelamiento, y el sistema se asegurará que los conjuntos correctos de códigos sean llamados y que las transferencias interna y externa de datos se manejen.
FIGURA N°1 Diagrama esquemático de las variables del Modelamiento HSPF
El tipo de almacenamiento de la series de tiempo es el Watershed Data Management (WDM) (Manejo de Cuencas Hidrográficas). El archivo de WDM es la biblioteca principal para el almacenamiento de series de tiempo que presenta un sistema operativo único y grande. Este espacio está subdividido en muchos conjuntos de datos que contienen series de tiempo individual. Cada uno es lógicamente independiente, pero puede ser físicamente dispersos en el archivo. Un directorio realiza un seguimiento de los conjuntos de datos y sus atributos. El archivo y el directorio deben ser creados usando un archivo de programa de utilidad WDM como el WDMUtil, este presenta series limitaciones ya que solamente es utilizado para los modelamientos realizados en los Estados Unidos.
El HSPF se puede aplicar a la mayoría de las cuencas hidrográficas mediante datos meteorológicos disponibles, datos de uso de tierra, hidrografía, datos hidrológicos y de la calidad de agua. El modelamiento usa esta información para simular el flujo de los procesos de las cuencas hidrográficas y el transporte de materiales sobre la tierra, a través de las distintas zonas de suelo dentro de las cuencas hidrográficas.
El modelo puede ser configurado para representar todos los tipos de usos de la tierra, ofrece la posibilidad de incluir actividades de uso del terreno y posibles controles de gestión, además permite la simulación dinámica, y puede brindar una detallada representación de las condiciones críticas asociadas con los flujos altos y las condiciones de climas húmedos. Las archivos de salida que brinda el modelo incluyen las tasa de flujo de cargas de escorrentía y la masa o concentraciones de sedimentos, nutrientes, pesticidas y productos químicos tóxicos en puntos seleccionados dentro de una cuenca.
Modulos de aplicación del HSPF
Existen tres módulos de aplicación los cuales se utilizan para simular el comportamiento del agua en el ámbito hidrológico-hidráulico y componentes de calidad dentro de las cuencas.
FIGURA N°2 . Cuadro resumen de los módulos de aplicación del HSPF
1. Módulo PERLND
PERLND es usado para simular la calidad del agua y los procesos cuantitativos que ocurren en áreas permeables de la tierra. Se representan tres vías de flujos: flujo superficial, subsuperficial y subterráneo. Es importante mencionar que el módulo PERLND incluye la simulación del balance de agua y los componentes de escorrentía, producción y remoción de sedimentos, acumulación y lavado de contaminantes no puntuales definidos por el usuario, el destino de los pesticidas y la escorrentía.
FIGURA N°3. Estructura del PERLND
2. Módulo IMPLND
IMPLND se utiliza para las superficies terrestres impermeables, categorías de tierras urbanas, sobre todo cuando la infiltración producida es mínima o nula. También ofrece la capacidad de simular la acumulación y eliminación de los sólidos en área permeables por procesos que son independientes (la decadencia, la deposición eólica).
FIGURA N°4. Estructura del IMPLND
3. Módulo RCHRES
RCHRES, el módulo dentro de la estructura del HSPF, simula el flujo de agua y los componentes de la calidad agua asociados a las redes hidrográficas y reservorios mixtos. Tiene la capacidad de incluir el flujo de enrutamiento mediante la onda cinemática, la migración de cohesivos y no cohesivos entre los sedimentos en suspensión del agua y complejas transformaciones bioquímicas.
FIGURA N°5. Estructura de RCHRES
Proceso de modelamiento
El proceso de modelamiento HSPF se ha dividido en tres fases para su mayor entendimiento:
Primera fase
Colección de datos
Preparación de los inputs del modelo
Parámetros de evaluación
Segunda fase (pruebas del modelo)
Calibración
Validación
Tercera fase
Análisis de alternativas
Datos necesarios para el modelamiento HSPF
Los datos pueden ser extensos, ya que es una simulación continua y el programa requiere datos continuos.
Datos de simulación no puntuales
Cantidad de escorrentía-superficial y subsuperficial
Sedimentos de erosión/carga de sólidos
Calidad de la escorrentía
Deposición atmosférica
Simulación hidráulica de los cauces aportantes
Transporte de sedimentos
Contaminantes de los sedimentos y sus interacciones
Componentes y procesos de la calidad de agua
Punto de origen de la contaminación
Los registros de precipitación continua, son necesarios para impulsar el modelo de escorrentía y registros adicionales de evapotranspiración, temperatura, e intensidad solar son deseables.
Un gran número de parámetros del modelo puede ser especificado aunque se proporcionan valores predeterminados donde los valores razonables están disponibles. El HSPF es un programa de propósito general y se ha prestado especial atención a los casos con carencia de parámetros de entrada. Además, existen opciones que permiten eludir secciones enteras del programa en el que los datos no están disponibles.
Datos de salida
HSPF produce una evolución temporal de la tasa de flujo del agua, la carga de los sedimentos, y concentraciones de nutrientes y plaguicidas, junto con un historial de tiempo de la calidad y cantidad de agua en cualquier punto de la cuenca.
Resultados de la simulación pueden ser procesados a través de una rutina de análisis de frecuencia y duración.
Supuestos y limitaciones
HSPF supone que el “Watershed Stanford Model” es un modelo hidrológico apropiado para el área que se quiere modelar. Además asume que el caudal que se deriva hacia los arroyos se encuentra en función de su anchura y su profundidad.
Sin embargo también presenta las siguientes debilidades y limitaciones:
Necesita datos extensos como por ejemplo, intensidad de lluvia horaria.
Limitaciones hidráulicas.
Definición espacial limitada.
No hay guía completa disponible de los parámetros de estimación.
Existen límites inherentes a la simulación de las condiciones de cambio climático cuando se utiliza un modelo de cuenca calibrado con datos históricos.
Simular el comportamiento de cuencas bajo condiciones climáticas cambiantes supone que el modelo calibración es robusto a estos cambios. Esta es una preocupación particular en la evaluación de cambios de clima fuera del rango de variabilidad experimentada durante el periodo de calibración. Es por ello que los resultados del modelo dependerán de la interpretación y criterio del modelador.
