Modelación hidrológica distribuida basada en esquemas de volúmenes finitos

Abstract

Distributed hydrological modeling occurs as a historical consequence of the different developments and advances in conceptual hydrology, first, through deepening and adaptation of hydrology through aggregated methods, and then discretizing these concepts to reach spatially distributed models. This thesis covers the implementation of a continuous hydrologic model (CHM), starting from the basis of the hydrodynamic model Iber, which uses finite volume schemes. The model developed in this research work is based on theoretical implementations founded on the principle of continuity to achieve a representation, although simplified in some respects, of the wholel hydrological cycle. In the process of modelling this cycle, the basin is represented by different cells or elements, among which the horizontal flow transfers occur, while within each one of them there is also a vertical transfer between the different layers. Other aspects in which special emphasis has been made is in the representation of the drying process, essential for accurate surface processes simulation, and in consideration of the mobility of the result of the research lluvia. As a result of the research, various proposals in terms of the characterization of the different types of flow and its cast are presented, always seeking a balance between maximum realism and simplicity in order to have an efficient tool. It is possible to predict the base flow in rural basins, always preserving the needs of calibration of the model, and based on conversion methods and adequation of input data. The hydraulic theoretical principle of the model are the two-dimensional Saint Venant equations, or shallow water equations, solved through finite volume numerical schemes, while the tool that was used as a starting point is the hydrodynamic model Iber. However, the model allows a simplification of kinematic wave conditions or diffusion wave, according to the scenario you are working. The hydrological theoretical principle is framed in the abcd model of Thomas implemented and adapted in this work at a distributed level. The resulting tool is then able to model in an efficient and accurate way, the processes of rainfall-runoff, the loss processes of evapotranspiration and infiltration with the most commonly used models, water transfer to aquifers and their storage, and their subsequent contribution to the surface flow. The method has been validated in various cases, theoretical ones and, after a process of calibration, real rural basins, where its flexibility, efficiency and utility has become clear. Finally, the use of an eminently hydraulic approximation for the simulation of hydrological processes opens the door to hydrologic-hydraulic integrated modeling. By using a single tool, it is possible to simulate the rainfall-runoff transformation, the losses processes and aquifer recharge, the generation of base flow, and the detailed description of hydrodynamics on the river channel or in flooded areas

La modelització hidrològica distribuïda es dóna com una conseqüència històrica dels diferents desenvolupaments i avanços de la hidrologia conceptual, primer, a través de l'aprofundiment i adaptació de la hidrologia a través de mètodes agregats, i posteriorment discretitzant aquests conceptes espaialment per donar així lloc als models distribuïts. La present tesi doctoral abasta la implantació d'un model hidrològic continu (CHM), a partir de la base del model hidrodinàmic Iber, que utilitza esquemes en volums finits. El model desenvolupat en els treballs de recerca duts a terme es funda en implementacions teòriques basades en el principi de continuïtat per aconseguir una representació, encara que simplificada en alguns aspectes, d'un cicle hidrològic complet. En el procés de modelat del cicle, la conca es representa mitjançant diferents cel·les o elements, entre els quals es produeixen les transferències horitzontals de flux, mentre que cadascuna d'elles existeix al seu torn una transferència vertical entre les diferents capes. Altres aspectes en els quals s'ha fet especial èmfasi és en la representació del procés d'assecat, fonamental per a la simulació precisa dels processos superficials, i en la consideració de la mobilitat de la pluja. Com a resultat de la recerca es realitzen també propostes quant a la caracterització dels diferents tipus de flux i el seu repartiment, buscant un equilibri entre el màxim realisme i la simplicitat perquè l'eina sigui eficient. Amb això s'aconsegueix abordar la predicció de flux base a nivell de conques rurals, sempre respectant les necessitats de calibratge del model, i sobre la base de diferents mètodes de conversió i adequació de les dades d'entrada. El principi teòric hidràulic del model són les equacions de Saint Venant bidimensionals resoltes a través d'esquemes numèrics en volums finits, mentre que l'eina que s'ha utilitzat com a punt de partida és el model hidrodinàmic Iber, que resol les esmentades equacions amb aquest tipus d'esquemes. No obstant això, el model incorpora una simplificació a condicions d'ona cinemàtica o ona difusiva, més o menys adequades segons l'escenari què s'estigui treballant. El model hidrològic continu s'emmarca al seu torn en el model abcd de Thomas, inicialment plantejat per a models agregats, que s'ha adaptat i implementat en aquesta ocasió a nivell distribuït. L'eina resultant permet doncs modelar de forma eficient i amb precisió els processos de pluja i transformació en escorrentiu, pèrdues per evapotranspiración i infiltració amb els models més comunament utilitzats, la recarrega i emmagatzematge en aqüífers, i la seva posterior aportació al flux superficial. El correcte funcionament s'ha validat en diferents casos, teòrics i, després d'un procés de calibrat, en conques rurals reals, on s'ha posat de manifest la seva flexibilitat, eficiència i utilitat. Finalment, l'ús d'una aproximació eminentment hidràulica per a la simulació de processos hidrològics obre la porta a la modelització integrada hidràulica-hidrològica, per poder simular amb una única eina des de la transformació de la pluja a flux superficial, els processos de pèrdues i recarrega de l'aqüífer, la generació de cabal base, i la descripció detallada de la hidrodinàmica en la llera d'un riu o en les zones inundades.