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Tema A: Dinámica fluvial
Estudio de la hidrodinámica de la Marisma de Doñana
Ernest Bladé i Castellet. Profesor colaborador
Josep Dolz Ripollés. Catedrático de Universidad
Katrien De Pourq. Ingeniera Geóloga
Grupo de Investigación FLUMEN. Departamento de Ingeniería Hidráulica, Marítima y
Ambiental. Universitat Politècnica de Catalunya, Jordi Girona 1-3 D-1, 08034, Barcelona
1 Introducción En el marco del Proyecto Doñana 2005, el Grupo FLUMEN de la Universitat Politècnica de Catalunya, está llevando a cabo el estudio de la hidrodinámica de la Marisma de Doñana. Para ello se parte del modelo digital del terreno del Espacio Natural Doñana para la construcción de un modelo numérico para la simulación de la hidrodinámica de la Marisma. Para la calibración y verificación del modelo se usan los datos de diversas estaciones de medida situadas en el campo, así como de la teledetección a partir de imágenes radar. En esta comunicación se presentan los trabajos de desarrollo del modelo digital del terreno (MDT) y del modelo numérico para el estudio de la hidrodinámica de la Marisma
El conocimiento detallado de la hidrodinámica de las marismas del Parque Nacional de Doñana es fundamental para su gestión, en el sentido de prever la evolución natural de las marismas en la situación actual, analizar el impacto de posibles actuaciones dentro del ámbito del Parque y estudiar las consecuencias de episodios extraordinarios como pueden ser crecidas en los cauces que fluyen hacia Doñana.
2 Modelo digital del terreno
Dentro del proyecto Doñana 2005, dirigido a la regeneración hídrica del Parque, la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir contrató la asistencia técnica para la realización de un modelo digital del terreno de alta precisión de la Marisma del Parque Nacional de Doñana y su entorno. El MDT fue realizado por las empresas Estudio Cartográfico GEA Sociedad Anónima y Fotonor As, en unión temporal de empresas. A su vez se subcontrató un vuelo para la obtención de datos brutos LIDAR. Éste se realizó a finales de septiembre de 2002, y los trabajos de campo se alargaron hasta finales de dicho año.
El levantamiento con Láser Escáner de la marisma de Doñana ha constituido uno de los trabajos pioneros en España en la aplicación de esta tecnología. La información base bruta (vuelo georeferenciado) alcanza unos 230 millones de puntos (Xutm, Yutm, H), desigualmente distribuidos, de los cuales aproximadamente 138 millones corresponden al suelo o lecho de la marisma, cubriendo una extensión de unas 42.000 ha. La densidad media es de un punto cada 3 m2. El resto de datos corresponden a vegetación y zonas situadas fuera de la marisma. La precisión es de unos 15 cm de error en altura, valor que se ha podido comprobar en diversos puntos de cota conocida y en zonas donde de manera independiente se habían llevado a cabo trabajos topográficos. La cota H de los puntos es su altura ortométrica, acorde con la red de puntos de nivelación del P.N. Doñana que emana del punto JPS-106 (Junta Puerto Sevilla) y de los hitos establecidos en los trabajos de la ETSIM de Madrid. Es, por tanto, acorde con el NMM Alicante, habitual en los trabajos cartográficos, a través del citado clavo de nivelación JPS-106, y sujeta a la bondad del itinerario realizado por la J.P.S. en su día.
La Universitat Politècnica de Catalunya participó puntualmente en estos trabajos a través de unos convenios de colaboración técnica, como el denominado “Convenio de colaboración entre la Universitat Politècnica de Catalunya y la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir para la asesoría en la realización de un levantamiento con láser escáner aerotransportado”. Este convenio consistió en la comprobación el error de los datos, así como la realización de un control sobre los mismos.
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Posteriormente GEA filtró y depuró los datos obtenidos mediante el vuelo. Para poder trabajar mejor con tan elevado volumen de información, se construyó un MDT con una malla regular de 2 x 2 m, y una elevación en cada nodo (aproximadamente 115 millones de puntos regularmente espaciados). Esta información de la topografía y morfología del lecho de la marisma constituyó un salto cualitativo en cuanto a calidad y precisión, y ha de ser una herramienta muy útil para el estudio hidrológico y la gestión de la misma. No obstante, al objeto de facilitar al máximo la utilización de esta herramienta en el estudio hidrodinámico de la marisma, se decidió realizar un segundo filtrado y dotar al MDT de un conjunto de nuevas prestaciones (Figura 1 ). Para ello se ha utilizado software SCOP.
Figura 1 Ortofoto de la Marisma de Doñana con las diferentes zonas del modelo marcadas. En verde se muestran los
datos LIDAR brutos
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Algunos de los resultados obtenidos a partir modelo digital del terreno son la curva hipsométrica de la marisma (área por debajo de una cota determinada) y la curva columen-cota de agua (Figura 2 ).
Volumen-Cota de la lámina de agua
Área-Cota de la lámina de agua
0
50
100
150
200
250
300
350
0 0.5 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
Cota de la lámina de agua
Vo
lum
en (
Hm
3 )
0
50
100
150
200
250
300
350
Volumen Área
Figura 2 Curva hipsométrica y curva volumen-cota de agua de la marisma de Doñana
3 Modelo numérico
El objetivo final de los trabajos de desarrollo del modelo numérico que está realizando el grupo Flumen es obtener una herramienta fiable para el estudio del funcionamiento hidrodinámico de la marisma, en la situación actual y ante posibles actuaciones, y que sirva asimismo de soporte para profundizar en el conocimiento de su limnología. Para ello, y considerando las características singulares de la marisma (zona extremadamente llana, flujo sinunas direcciones principales definidas, profundidades pequeñas), se ha decidido trabajar con un modelo numérico bidimensional.
Debido a las particularidades de la topografía de Doñana, con un terreno extremadamente llano, es de claro interés poder trabajar con una malla irregular. De esta manera se optimiza el número de elementos de cálculo y se disminuye el coste computacional manteniendo la precisión. Ello requiere un motor de cálculo compatible con esta discretización. Se ha utilizado la herramienta CARPA para la modelación hidrodinámica y la interface GiD para el preproceso de los datos y postproceso de resultados
CARPA (Cálculo en Alta Resolución de Propagación de Avenidas) es una herramienta de cálculo numérico del flujo de agua en lámina libre y régimen variable desarrollado en el grupo de investigación Flumen de la E.T.S. de Ing. de Caminos, Canales y Puertos de Barcelona (Universitat Politècnica de Catalunya). CARPA resuelve las ecuaciones de Saint Venant con esquemas numéricos explícitos basados en la técnica de los volúmenes finitos, dadas unas condiciones iniciales, unas condiciones de contorno, una rugosidad y unos parámetros de cálculo (incremento de tiempo de cálculo, umbral de secado-mojado) (Bladé y Gómez-Valentín 2006). Por otro lado, en el modelo numérico se ha incorporado la rugosidad del terreno obtenida a partir de mapas de vegetación.
En un modelo numérico bidimensional, la precisión de los resultados viene directamente condicionada por la calidad de la malla de cálculo utilizada. Para optimizar el número de elementos de la malla pero manteniendo
Áre
a (k
m2 )
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siempre una buena representación geométrica, es decir, que la diferencia de cota entre la malla de cálculo y el modelo digital del terreno sea en todo momento inferior a la precisión de este último, se ha optado por utilizar como malla de cálculo una red de triángulos irregulares (TIN) obtenida directamente con un software SIG (en este caso ArcMap). Aun así, para poder incluir correctamente aquellas zonas con elementos singulares, principalmente compuertas de salid de agua de la marisma, en estas zonas se ha realizado una edición manual de la malla (Figura 3 ).
Figura 3 Malla utilizada en el cálculo y detalle de la misma en una compuerta
4 Calibración del modelo numérico
La calibración y verificación del modelo se plantea en base datos de campo e imágenes satélite. Lo primero exige la instrumentación de las marismas mediante sensores de nivel y viento, y posteriormente la comparación, para una serie de episodios escogidos, de los datos de campo con la modelación numérica. Con ello se podrán llevara a cabo la determinación de coeficientes de rugosidad, así como su variación espacial, estacional y en función del flujo, y también la influencia del viento en la hidrodinámica de las marismas. Por este motivo se dispusieron cinco estaciones automáticas de medida de distintas variables (cota de agua, temperatura del agua, temperatura del suelo, radiación solar, velocidad del viento) (Figura 4 ). En cuanto a las imágenes satélite, se optó por trabajar con imágenes radar del sensor ASAR del satélite Envisat ya que permiten obtener imágenes incluso con tiempo nublado, y se puede programar con anterioridad que imágenes se precisan.
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Figura 4 Estaciones de medida
4.1 Calibración del efecto del viento
Para considerar el efecto del viento el programa CARPA utiliza la ecuación de Van Dorn (1953) para traducir la velocidad del viento a tensión tangencial sobre la superficie libre. Dicha fórmula utiliza la velocidad del viento a 10m de la superficie, mientras que los sensores que se disponen la miden a 2m sobre la misma, por ello la necesidad de calibración del modelo. La calibración se realizó utilizando la lámina de agua en el lucio de los Ansares por disponer de un sensor de nivel y de viento y imagen satélite. Se presenta el proceso de calibración para el 24 de febrero de 2006. En la Figura 5 se presenta la extensión de la inundación observada. La simulación numérica es incapaz de reproducir dicha extensión sin considerar el efecto del viento (Figura 6 , izquierda), se observa un exceso de agua en la parte oeste del lucio mientras que en su parte este el modelo numérico predice niveles inferiores. Con la consideración del viento en el modelo numérico se consigue un buen ajuste entre la lámina de agua observada y la calculada (Figura 6 , derecha).
Figura 5 Extensión de la inundación obtenida en Ansares mediante imagen satélite
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Figura 6 Extensión de la inundación procedente del cálculo numérico sin viento (izquierda) y con viento (derecha)
4.2 Calibración de la evapotranspiración
Para la calibración de la evapotranspiración se han utilizado también imágenes satélite en el lucio de los Ansares, así como datos de cota de agua medidos en ola estación existente. El proceso ha sido iterativo, probando distintas tasas de pérdidas hasta conseguir un buen ajuste entre datos observados y resultados numéricos. Se presenta la calibración realizada entre el 3 de octubre y el 7 de noviembre de 2007. Ente dichas fechas se observa un claro descenso de la lámina de agua (Figura 7 ) y corresponde a un período de tiempo sin precipitación. A partir de la imagen satélite se obtuvo la delimitación de la zona inundada (Figura 8 ). En la Figura 9 se observa la buena correspondencia de los resultados del cálculo numérico con dicha las observaciones. El proceso de calibración condujo a estimar unas pérdidas de 6.5 mm/día en este periodo de tiempo.
Figura 7 Imagen satélite mostrando el secado de la marisma
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Figura 8 Delimitación de la zona inundada a partir de la imagen satélite
Figura 9 Resultados del cálculo numérico del secado de la arisma por evapotranspiración
4.3 Calibración durante un proceso de llenado de la marisma
El llenado de la marisma se produce tanto por episodios de precipitación sobre la misma, como por el aporte de las cauces existentes. Para el primer caso se realizó la simulación numérica del llenado de la marisma con la precipitación registrada en las estaciones de medida durante el mes de octubre de 2006, duen un período de tiempo en los que no se registaron entradas por los cauces. Se utilizaron los datos de precipitación registrados en las estaciones de medida, y se compararon los datos de niveles de agua calculados con los medidos en las estaciones (Figura 10 ), y las manchas de inundación obtenidas con las imágenes satélite (Figura 11 ). La diferencia apreciable en niveles medidos y simulados se debe a la no inclusión en la modelación numérica de ninguna función de pérdidas. Las pérdidas son uno de los parámetros objeto de la calibración en desarrollo.
Es de destacar la ausencia de estaciones de aforo fiables en la actualidad en los cauces de entrada a la marisma, lo que imposibilita una calibración-verificación fiable con datos reales. Sin embargo dichas estaciones están en construcción por lo que se espera poder realizar esta calibración en un futuro próximo.
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Figura 10 Comparación del modelo numérico con datos de campo, y resultados de la inundación resultante del modelo
numérico en distintos instantes.
Figura 11 Comparación de las manchas de inundación obtenidas con el modelo numérico y a partir de la teledetección
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5 Simulación de un llenado de la marisma
Se ha presenta un ejemplo de simulación del llenado de la marisma de Doñana. El ejemplo corresponde a un llenado de la marisma por una entrada de un hidrograma de caudal por el arroyo de la Rocina que representa un episodio de entrada de caudales muy importantes durante 26 días (79Hm3) (Figura 12 ). Los resultados de la modelación numérica muestran el progresivo llenado de la marisma desde La Rocina por el Caño Madre y su posterior dispersión. En la Figura 13 se puede ver la evolución de la cota de la lámina de agua durante el proceso de llenado. Se observa la importante sobreelevación que provoca el estrechamiento junto al arroyo de El Partido producido por la acumulación de sedimentos aportados por el mismo.
El uso de la interfaz de preproceso y postproceso GiD permite disponer de los mapas de resultados del cálculo hidráulico en cualquier instante y en cualquier punto de la zona de estudio modelada en 2D. Los resultados de campo de velocidad se pueden observar de forma vectorial en la Figura 14 .
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
09/12/1995 16/12/1995 23/12/1995 30/12/1995
Día
Ca
ud
al (
m3
/s)
Figura 12 Hidrograma de entrada por el arroyo de La Rocina
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Figura 13 Evolución de la cota de la lámina de agua durante el llenado de la marisma
Figura 14 Campos de velocidades en la marisma durante el llenado de la misma
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6 Conclusiones Con los trabajos de desarrollo del modelo digital del terreno y modelo de simulación de la hidrodinámica de la marisma de Doñana, se ha puesto a punta una herramienta que permite en, en primer lugar, conocer mejor la marisma, tanto desde un punto de vista puramente topográfico como su hidrodinámica. Por otro lado, el modelo numérico es una herramienta que permite estudiar el efecto sobre la marisma de las actuaciones que se realicen en ella. Por último, el objetivo final de la modelación hidrodinámica es disponer de una herramienta potente que facilite el conocimiento del flujo de agua en la marisma de Doñana para el estudio de su limnología, por lo que se está trabajando en este momento en la incorporación, en el modelo hidrodinámico calibrado, de otros procesos como transporte de contaminantes, transporte de sólidos en suspensión y régimen térmico.
7 Referencias Bladé, E., Gómez-Valentín, M.
Modelación del flujo en lámina libre sobre cauces naturales. Análisis integrado en una y dos dimensiones
Monograph CIMNE Nº97. Barcelona, 2006
Dolz, J., Bladé, E., Gili, J.
Modelo numérico de la hidrodinámica de la Marisma en “Doñana, Aqua y Biosfera”
Confederación Hidrográfica del Guadalquivir, MMA. Sevilla 2005
Van Dorn W.C. (1953)
Wind Stress on Artificial Pond
Journal of Marine Research. Vol. 12. 1953
