Uso del Índice Normalizado de Agua MODIS para monitoreo, modelación y pronóstico hidrológico en un gran sistema de llanura con morfología fluvial típica.

• Autores: Giordano, Leandro
• Año de publicación: 2019
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Goniadzki, Dora Goniadzki; Bonvecchi, Virginia
• Materia: Hidrología; Hidrología operativa; Modelación Hidrológica; Dinámica del área anegada; Teledetección; Hidrología de Grandes Llanuras; Hydrological models; Flooded area dynamics; Remote Sensing
• Institución: Universidad Nacional de Luján

The estimation of hydrological cycle variables using remote sensing data has undergone remarkable advances in recent years. Today it is possible to freely access estimates of rainfall, evapotranspiration, soil moisture, land cover and elevation, among other variables of hydrological interest. This has impacted the field of hydrological modeling, either for simulation or prognosis. For example, estimates of cumulative rainfall (or evapotranspiration) are used as forcing variables in different modeling schemes. Furthermore, both the land cover and topographic information are often used to estimate parameters associated with the hydrological response (curve number) or morphological parameters (Horton's relations), involved in the development of many models. The present research focuses and exploits the links between the dynamics of the saturated surface (i.e. flooded area) and runoff in a large flatland's hydrological system under a remote sensing and hydrological modelling coupling approach. In a large flatland's hydrological system, the variability of the extend of flooded area in the valleys may be significant, and observable even at large spatial scales. Thus, it is possible to identify some kind of signal of the process by using optical remote sensing data. Then, if any data of runoff are avaiable, it is possible to analyze the structure and intensity of such links. Also, the patterns found (e.g. flooded area – runoff rating curves) may be included in a precipitationrunoff scheme, in such a way that the model parameters may be calibrated by remote sensing estimates. In a few words, the tactic adopted was the developing of an hydrological model that takes precipitation as a major input and reproduces both the dynamics of saturated area and runoff produced by the system. Then, it is possible to calibrate model's parameters with the aid of remote sensing data (i.e. saturated area estimates), under the assumption of a strong link between flooded area and runoff, and evaluate the hypothesis by comparison of simulated and observed runoff. To do this, the Alto y Medio Gualeguay river basin has been selected as study object. Also, MODIS MOD09A1 data were selected for the extraction of flooded area estimates, using a NDWI thresholding approach. First, the links between NDWI and flooded area have been studied. After that, the links between runoff and flooded area were determined by using runoff data of Gualeguay river at Rosario del Tala (outlet of Alto y Medio Gualeguay) and flooded area estimates by MODIS MOD09A1 NDWI threshold analysis. Finally, the model was developed (under a soil moisture accounting and hydrological routing lumped scheme, including flooded area – runoff patterns found) and remote sensing estimates were used for calibration. Evaluation results showed that the approach is succesfull.
Fil: Giordano, Leandro. Universidad Nacional de Luján; Argentina.
La estimación de variables del ciclo hidrológico mediante el uso de datos de sensores remotos ha experimentado notorios avances en los últimos años. Hoy en día es posible acceder libremente a estimaciones de lluvia, evapotranspiración, humedad del suelo, tipo de cobertura superficial y altimetría, entre otras variables de interés hidrológico. Esto ha impactado en el ámbito de la modelación hidrológica, ya sea con fines de simulación o pronóstico. Así, por ejemplo, las tasas o montos acumulados estimados de lluvia o evapotranspiración se utilizan como forzantes en distintos esquemas de modelación. Además, tanto la información sobre cobertura del suelo como altimétrica suele usarse para estimar distintos parámetros asociados a la respuesta hidrológica (e.g. número de curva) o morfológicos (e.g. relaciones hortonianas), involucrados en la formulación de muchos modelos. El presente trabajo de investigación indaga y explota la asociación entre la dinámica hidrológica de la superficie anegada o saturada y el caudal, en grandes sistemas hídricos de llanura (áreas de aporte >= 2000 km²), de clima predominantemente húmedo (pudiendo presentar marcada variabilidad interanual) y con morfología fluvial típica (red integrada y jerarquizada), postulando una alternativa metodológica para la estimación numérica de la descarga líquida haciendo uso de información obtenida mediante Teledetección, aplicando algoritmos y principios relativamente simples. En primer lugar, para este tipo de sistemas hídricos están caracterizados por suaves pendientes topográficas y procesos de generación de escorrentía vinculados a la saturación del perfil de suelo (excedente hídrico por saturación del perfil de suelo). En consecuencia, se supuso a priori un vínculo significativo entre el valor del área anegada o saturada del sistema de valles y el caudal líquido en la sección de salida, constituyendo una de las hipótesis centrales del trabajo. La hipótesis subyacente es la existencia de un vínculo directo entre el volumen de agua almacenado en el sistema fluvial y dicho valor de área (curva almacenamiento – área anegada). Luego, si existe relación entre este volumen almacenado y el caudal (curva de almacenamiento – caudal) se deduce que esta descarga debe estar asociada al valor del área anegada (curva área anegada – caudal). Asimismo, mediante Teledetección pueden obtenerse estimaciones del valor de área anegada a nivel de sistema hídrico (cuenca vertiente). Ciertamente, debido a la gran variabilidad espacial presente en la dinámica de expansión y contracción de la superficie anegada, propia de los grandes sistemas fluviales de llanura húmeda, tanto como a las dimensiones de estos, es posible utilizar datos de mediana resolución espacial, con resolución temporal adecuada (i.e. diaria o semanal) para generar series temporales con densidad suficiente, a fin de obtener una señal representativa. Así pues, la metodología desarrollada consistió en valerse de datos de reflectancia de superficie, brindados por el sensor MODIS, tomando por caso de estudio a la cuenca vertiente del río Gualeguay en Rosario del Tala (Alto y Medio Gualeguay). Este es un gran sistema de llanura húmeda, con morfología fluvial típica y una dinámica de área anegada acorde a la resolución del sensor MODIS. Para el mismo se dispone de una extensa serie de nivel hidrométrico y se cuenta con datos de aforos líquidos, los cuales son necesarios para establecer una curva de descarga en la sección de control seleccionada (Rosario del Tala). Luego, mediante la aplicación de una técnica de clasificación basada en un valor umbral inferior del 'Índice Normalizado de Agua' (NDWI), elaborado sobre datos MODIS MOD09A1, se obtuvo una serie temporal del valor estimado de área anegada para la cuenca del Alto y Medio Gualeguay. Previamente, se evaluó la eficacia del NDWI como variable asociada a la presencia de agua en superficie, se seleccionó una combinación de bandas apropiada y se estableció un valor umbral inferior. Para esto, se realizó un experimento numérico estudiando la estructura de asociación entre la fracción cubierta por agua en un píxel y el valor de NDWI adquirido, permutando aleatoriamente las combinaciones de coberturas de suelo consideradas (agua, vegetación, suelos y construcciones humanas). Se utilizaron datos de la Biblioteca Espectral ASTER y se asumió un modelo aditivo para la generación de valores sintéticos de la reflectancia del píxel en cada banda MODIS MOD09A1. Particularmente, pudo mostrarse que adoptando la combinación de bandas 3 y 7 del producto MOD09A1, un umbral NDWI inferior fijado en 0 permite discriminar aquellos píxeles completamente anegados o próximos a esta situación. En otras palabras, la discriminación de la superficie de agua mediante esta técnica constituye un método conservador, que bien puede disminuir el error de comisión a expensas de subestimación. Aún así, se postuló que el valor agregado estimado a nivel cuenca vertiente puede estar fuertemente asociado al 'valor real' constituyendo un dato proxy y, de ahí, es posible su utilización para el contraste de la hipótesis de asociación con el caudal. Nuevamente, a fin de sostener esta hipótesis de dato proxy, se evaluó la representatividad de la organización espaciotemporal del índice, en relación al comportamiento esperable de la superficie anegada para un sistema fluvial típico con las características del Alto y Medio Gualeguay. En el mismo sentido, se exploró la relación entre la organización espacial del MODIS NDWI y la dinámica real de la superficie anegada mediante la formulación de un conjunto de consecuencias observacionales propias de la asunción de asociación entre la dinámica de la organización espaciotemporal del campo MODIS NDWI37 y dinámica real (esperable) de la superficie anegada. Dado que la evidencia empírica señaló que esta aproximación era sostenible, se procedió a utilizar la serie temporal obtenida por aplicación de umbral NDWI al conjunto de datos MOD09A1. Así, fue posible analizar la estructura de asociación entre el valor de área anegada y el caudal del Alto y Medio Gualeguay, constatándose un vínculo lineal. Por último, esto fue incorporado en la formulación de un modelo matemático de transformación de lluvia en escorrentía (paso de cálculo diario, agregado espacialmente). La estructura conceptual/procedimental adoptada en el modelo matemático fue diseñada de forma tal que pudiese simular en forma explícita la dinámica del área anegada (reproducir una serie temporal del valor agregado a nivel cuenca vertiente, a paso diario), respetando la forma del vínculo observado con el caudal. A saber, el esquema considera como forzante a la precipitación y los procesos simulados generan información numérica tanto de caudal como de área anegada. Los parámetros del modelo matemático fueron calibrados sobre la base de la información extraída mediante Teledetección, esto es: minimizando el error entre la señal del área anegada simulada al respecto de una muestra de los valores obtenidos mediante clasificación por técnica de umbral MODIS NDWI (considerando a estos valores como observados). Por otro lado, la evaluación (verificación) se realizó contrastando el caudal simulado contra los valores observados disponibles, apreciándose índices de eficiencia satisfactorios (Rnashsutcliffe próximo a 0.7) y con conducta estable (sin tendencia temporal alguna en estos indicadores) para todo el período considerado. También, se evaluó la estabilidad temporal de los valores de los parámetros del ajuste entre las series temporales de área anegada simulada y observada sin observar variaciones significativas. Por tanto, la evidencia empírica muestra que la estructura de la asociación ha permanecido estacionaria y, de ahí, que el vínculo área anegada – caudal puede explotarse. Así, se muestra que en un contexto de escasez de información de campo,es posible obtener caudales confiables mediante la calibración de un modelo de transformación de lluvia en escorrentía sobre la base de datos provistos por Teledetección, de forma simple y rápida, bajo la asunción de un conjunto pequeño de hipótesis. Pudo desarrollarse, evaluarse e implementarse una metodología de modelación hidrológica, apoyada sobre la base de Teledetección, con gran valor para el caso de sistemas hídricos pobremente medidos, tanto en contexto de evaluación del recurso hídrico como en el la gestión de emergencias, particularmente para las tareas de monitoreo y pronóstico hidrológico.