Evaluation of the improvement of streamflow prediction through the assimilation of remotely sensed soil moisture observations

Resumen

Los modelos hidrológicos son herramientas de gran utilidad, capaces de aportar infonnación para un mejor entendimiento del ciclo hidrológico en sus diferentes escalas, tanto temporales como espaciales. Estos modelos son ampliamente utilizados en la predicción de inundaciones, en la evaluación de impactos medioambientales o para la adecuada gestión de los recursos hídricos. Generalmente incorporan el cálculo de la humedad del suelo en las diferentes capas en las que se estructuran, ya que dicha variable es un factor determinante y que condiciona, entre otros aspectos, el que el agua procedente de la lluvia se trasforme en escorrentía o quede retenida en las capas del suelo. Los diferentes satélites que actualmente se encargan de observar la superficie terrestre se han mostrado como fuentes de información muy valiosa para mejorar la simulación de la humedad del suelo ofrecida por los diferentes modelos. En efecto, la observación que hacen de la humedad de la capa superficial del suelo llevan a cabo algunos de estos satélites puede ser de gran ayuda para la mejora de la predicción de la caudales de los ríos ofrecida por los modelos. La información obtenida por los satélites puede ser integrada en los modelos a través de técnicas de asimilación de datos, entre las que se incluyen diferentes variantes del Filtro de Kalman, siendo en hidrología la más usada la versión ensemble (conjunto) de dicho filtro. El objetivo principal de esta tesis es evaluar si la asimilación de datos de humedad superficial del suelo obtenidos mediante técnicas de teledetección, en modelos hidrológicos es capaz de mejorar la predicción de caudales en los ríos a la salida de las cuencas. Este objetivo general se concreta en los siguientes objetivos específicos: 1) evaluar la respuesta de modelos de diferente configuración espacial (agregados, semi-distribuidos, distribuidos), a la asimilación de datos, con el fin de conseguir una mejora en la simulación de caudales; 2) evaluar la influencia de las características de cada cuenca (como tamaño, topografia, clima o usos del suelo) en los resultados de la asimilación de datos; 3) evaluar la posible mejora obtenida en la simulación de escorrentía mediante la asimilación de datos de sensores como ASCAT o SMOS, que observan diferentes frecuencias (banda C y banda L); 4) evaluar la mejora en la predicción de escorrentía al asimilar en un modelo distribuido el producto de alta resolución (1-km) desarrollado en el Barcelona Expert Center y obtenido a partir de los datos de los satélites SMOS y MODIS; 5) evaluar la influencia que las diferentes técnicas de re-escalado de la información observada tienen sobre los resultados de la asimilación, y por último; 6) evaluar la influencia que tiene sobre los resultados de la asimilación el valor de error de observación atribuido a cada satélite. Un segundo objetivo de esta tesis es la evaluación del modelo TOPLATS como herramienta de simulación de caudales en cuencas Mediterráneas, y se concretó en los siguientes objetivos específicos: 1) llevar a cabo una revisión bibliográfica en profundidad de los diferentes trabajos desarrollados con TOPLATS anteriormente, con especial atención a aquellos en los que se trabajó en la calibración del modelo y en el análisis de sus diferentes parámetros ; 2) desarrollar un análisis de sensibilidad muy completo del modelo, en el que se analice la sensibilidad de la escorrentía superficial, el flujo base, la evapotranspiración, la humedad del suelo y de la eficiencia enfocada a los diferentes rangos de caudal, a diferentes parámetros; 3) comparar dos métodos de análisis de sensibilidad de diferente complejidad y costo computacional; 4) evaluar la efectividad de un algoritmo de optimización como herramienta de calibración del modelo aplicado a diferentes escalas temporales; 5) comparar la influencia que tiene sobre la calibración de un modelo la selección de periodos de calibración continuos o discontinuos seleccionados en función de la variabilidad climática que contienen; y 6) evaluar la eficiencia del modelo para predecir correctamente los caudales simulados en cuencas mediterráneas de diferente tamaño y diferentes condiciones climáticas, tanto cuando el modelo es aplicado en paso horario como diario. Esta tesis se estructura en tres estudios separados mediante los que se pretendía alcanzar los objetivos señalados. En el primer estudio se aplicó el modo estadístico, que es una configuración semi-distribuida, del modelo TOPLATS. Este modelo está basado en el modelo TOPMODEL, al que se le añadió un balance de agua y energía entre el suelo, la vegetación y la atmósfera. TOPLATS se aplicó en tres cuencas navarras de diferente tamaño, topografía y climatología, llevando a cabo previamente un análisis de sensibilidad del mismo mediante dos técnicas ampliamente utilizadas en hidrología. Una vez seleccionados los parámetros del modelo con mayor impacto sobre los resultados, el modelo fue calibrado mediante un algoritmo de optimización, iniciando la búsqueda del algoritmo desde diferentes valores iniciales de los parámetros a calibrar. Se obtuvieron resultados óptimos tanto al calibrar el modelo en paso horario, como diario, y se utilizaron periodos de calibración continuos y discontinuos para ello. El segundo estudio consistió en la asimilación de datos del satélite ASCAT en el modelo agregado y conceptual MISDc, y en el modo semi-distribuido de TOPLATS. El objetivo de este estudio era explorar el efecto de esta asimilación en la predicción de la escorrentía. Los modelos se aplicaron en dos cuencas de similar tamaño, una en Italia y la otra en Navarra (España). En este estudio se analizó también el impacto sobre los resultados de la asimilación del uso de diferentes técnicas de re-escalado de los datos observados por el satélite. Finalmente se analizó la influencia sobre los resultaos del error en la observación atribuido al satélite. En este estudio se utilizó como técnica de asimilación el Filtro de Kalman, en su modo ensemble. Por último, en el tercer trabajo, se estudiaron los efectos sobre la simulación de escorrentía de la asimilación de un producto de humedad superficial del suelo de alta resolución (1-km), obtenido a partir de los satélites SMOS y MODIS. La asimilación se efectuó sobre la simulación del modelo TOPLATS, configurado en modos distribuido con celdas de 1 km. En este estudio también se exploró el efecto de considerar la asimilación de datos únicamente en aquellas celdas ocupadas por suelos agrícolas (es decir, excluyendo zonas boscosas), o situadas sobre áreas de baja pendiente. De esta forma quedaban excluidas de la asimilación zonas de altas pendientes o cubiertas por grandes masas de vegetación, donde la observación del satélite es de peor calidad. Este estudio se desarrolló en la cuenca del río Cidacos, en la zona media de Navarra (zona norte de España). En general, los resultados obtenidos nos permiten concluir que hay un importante potencial para la mejora de la simulación de caudales mediante modelos agregados, semi-distribuidos o distribuidos, a través de la asimilación de diferentes productos de humedad del suelo obtenidos mediante teledetección. En cualquier caso, no se trata de un proceso que pueda ser aplicado de forma sencílla y directa en cualquier cuenca, modelo o con cualquier producto de humedad. Este trabajo ha comprobado que la utilización de una u otra técnica para re-escalar los datos observados, o la consideración de diferentes errores atribuidos al satélite, tienen una gran importancia sobre los resultados obtenidos. Del mismo modo, las características de cada cuenca tienen una gran influencia sobre la magnitud de la posible mejora en le predicción de escorrentía. Por otro lado, esta tesis ha conseguido aplicar con éxito el modelo TOPLATS en cuencas mediterráneas de diferente tamaño, topografia y pluviometría. Se han obtenido resultados notables en la mayoría de las cuencas evaluadas, tanto en modelado de paso horario como diario. También ha sido capaz de identificar los parámetros con mayor influencia en los diferentes procesos hidrológicos modelados por TOPLATS. Por último, se ha constatado la necesidad de desarrollar la calibración de modelos hidrológicos en periodos que incluyan una suficiente variabilidad climatológica, en especial referido a la necesidad de contener periodos húmedos.