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

Los modelos hidrologicos son herramientas de gran utilidad, capaces de aportar infonnacion para un mejor entendimiento del ciclo hidrologico en sus diferentes escalas, tanto temporales como espaciales. Estos modelos son ampliamente utilizados en la prediccion de inundaciones, en la evaluacion de impactos medioambientales o para la adecuada gestion de los recursos hidricos. Generalmente incorporan el calculo 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 escorrentia o quede retenida en las capas del suelo. Los diferentes satelites que actualmente se encargan de observar la superficie terrestre se han mostrado como fuentes de informacion muy valiosa para mejorar la simulacion de la humedad del suelo ofrecida por los diferentes modelos. En efecto, la observacion que hacen de la humedad de la capa superficial del suelo llevan a cabo algunos de estos satelites puede ser de gran ayuda para la mejora de la prediccion de la caudales de los rios ofrecida por los modelos. La informacion obtenida por los satelites puede ser integrada en los modelos a traves de tecnicas de asimilacion de datos, entre las que se incluyen diferentes variantes del Filtro de Kalman, siendo en hidrologia la mas usada la version ensemble (conjunto) de dicho filtro. El objetivo principal de esta tesis es evaluar si la asimilacion de datos de humedad superficial del suelo obtenidos mediante tecnicas de teledeteccion, en modelos hidrologicos es capaz de mejorar la prediccion de caudales en los rios a la salida de las cuencas. Este objetivo general se concreta en los siguientes objetivos especificos: 1) evaluar la respuesta de modelos de diferente configuracion espacial (agregados, semi-distribuidos, distribuidos), a la asimilacion de datos, con el fin de conseguir una mejora en la simulacion de caudales; 2) evaluar la influencia de las caracteristicas de cada cuenca (como tamano, topografia, clima o usos del suelo) en los resultados de la asimilacion de datos; 3) evaluar la posible mejora obtenida en la simulacion de escorrentia mediante la asimilacion de datos de sensores como ASCAT o SMOS, que observan diferentes frecuencias (banda C y banda L); 4) evaluar la mejora en la prediccion de escorrentia al asimilar en un modelo distribuido el producto de alta resolucion (1-km) desarrollado en el Barcelona Expert Center y obtenido a partir de los datos de los satelites SMOS y MODIS; 5) evaluar la influencia que las diferentes tecnicas de re-escalado de la informacion observada tienen sobre los resultados de la asimilacion, y por ultimo; 6) evaluar la influencia que tiene sobre los resultados de la asimilacion el valor de error de observacion atribuido a cada satelite. Un segundo objetivo de esta tesis es la evaluacion del modelo TOPLATS como herramienta de simulacion de caudales en cuencas Mediterraneas, y se concreto en los siguientes objetivos especificos: 1) llevar a cabo una revision bibliografica en profundidad de los diferentes trabajos desarrollados con TOPLATS anteriormente, con especial atencion a aquellos en los que se trabajo en la calibracion del modelo y en el analisis de sus diferentes parametros ; 2) desarrollar un analisis de sensibilidad muy completo del modelo, en el que se analice la sensibilidad de la escorrentia superficial, el flujo base, la evapotranspiracion, la humedad del suelo y de la eficiencia enfocada a los diferentes rangos de caudal, a diferentes parametros; 3) comparar dos metodos de analisis de sensibilidad de diferente complejidad y costo computacional; 4) evaluar la efectividad de un algoritmo de optimizacion como herramienta de calibracion del modelo aplicado a diferentes escalas temporales; 5) comparar la influencia que tiene sobre la calibracion de un modelo la seleccion de periodos de calibracion continuos o discontinuos seleccionados en funcion de la variabilidad climatica que contienen; y 6) evaluar la eficiencia del modelo para predecir correctamente los caudales simulados en cuencas mediterraneas de diferente tamano y diferentes condiciones climaticas, tanto cuando el modelo es aplicado en paso horario como diario. Esta tesis se estructura en tres estudios separados mediante los que se pretendia alcanzar los objetivos senalados. En el primer estudio se aplico el modo estadistico, que es una configuracion semi-distribuida, del modelo TOPLATS. Este modelo esta basado en el modelo TOPMODEL, al que se le anadio un balance de agua y energia entre el suelo, la vegetacion y la atmosfera. TOPLATS se aplico en tres cuencas navarras de diferente tamano, topografia y climatologia, llevando a cabo previamente un analisis de sensibilidad del mismo mediante dos tecnicas ampliamente utilizadas en hidrologia. Una vez seleccionados los parametros del modelo con mayor impacto sobre los resultados, el modelo fue calibrado mediante un algoritmo de optimizacion, iniciando la busqueda del algoritmo desde diferentes valores iniciales de los parametros a calibrar. Se obtuvieron resultados optimos tanto al calibrar el modelo en paso horario, como diario, y se utilizaron periodos de calibracion continuos y discontinuos para ello. El segundo estudio consistio en la asimilacion de datos del satelite 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 asimilacion en la prediccion de la escorrentia. Los modelos se aplicaron en dos cuencas de similar tamano, una en Italia y la otra en Navarra (Espana). En este estudio se analizo tambien el impacto sobre los resultados de la asimilacion del uso de diferentes tecnicas de re-escalado de los datos observados por el satelite. Finalmente se analizo la influencia sobre los resultaos del error en la observacion atribuido al satelite. En este estudio se utilizo como tecnica de asimilacion el Filtro de Kalman, en su modo ensemble. Por ultimo, en el tercer trabajo, se estudiaron los efectos sobre la simulacion de escorrentia de la asimilacion de un producto de humedad superficial del suelo de alta resolucion (1-km), obtenido a partir de los satelites SMOS y MODIS. La asimilacion se efectuo sobre la simulacion del modelo TOPLATS, configurado en modos distribuido con celdas de 1 km. En este estudio tambien se exploro el efecto de considerar la asimilacion de datos unicamente en aquellas celdas ocupadas por suelos agricolas (es decir, excluyendo zonas boscosas), o situadas sobre areas de baja pendiente. De esta forma quedaban excluidas de la asimilacion zonas de altas pendientes o cubiertas por grandes masas de vegetacion, donde la observacion del satelite es de peor calidad. Este estudio se desarrollo en la cuenca del rio Cidacos, en la zona media de Navarra (zona norte de Espana). En general, los resultados obtenidos nos permiten concluir que hay un importante potencial para la mejora de la simulacion de caudales mediante modelos agregados, semi-distribuidos o distribuidos, a traves de la asimilacion de diferentes productos de humedad del suelo obtenidos mediante teledeteccion. En cualquier caso, no se trata de un proceso que pueda ser aplicado de forma sencilla y directa en cualquier cuenca, modelo o con cualquier producto de humedad. Este trabajo ha comprobado que la utilizacion de una u otra tecnica para re-escalar los datos observados, o la consideracion de diferentes errores atribuidos al satelite, tienen una gran importancia sobre los resultados obtenidos. Del mismo modo, las caracteristicas de cada cuenca tienen una gran influencia sobre la magnitud de la posible mejora en le prediccion de escorrentia. Por otro lado, esta tesis ha conseguido aplicar con exito el modelo TOPLATS en cuencas mediterraneas de diferente tamano, topografia y pluviometria. Se han obtenido resultados notables en la mayoria de las cuencas evaluadas, tanto en modelado de paso horario como diario. Tambien ha sido capaz de identificar los parametros con mayor influencia en los diferentes procesos hidrologicos modelados por TOPLATS. Por ultimo, se ha constatado la necesidad de desarrollar la calibracion de modelos hidrologicos en periodos que incluyan una suficiente variabilidad climatologica, en especial referido a la necesidad de contener periodos humedos.