Paso 1: Disponibilidad de información y programa de seguimiento cuantitativo

El primer paso para desarrollar la simulación hidrológica consiste en realizar un inventario exhaustivo de las fuentes de información disponibles, evaluando su calidad, representatividad, cobertura temporal y espacial, así como su utilidad para estimar las variables del ciclo hidrológico. Esta revisión inicial es clave para seleccionar la metodología adecuada y garantizar la fiabilidad de los resultados. A continuación, se enumeran las acciones recomendadas:

• Identificar fuentes de datos existentes: estaciones meteorológicas, hidrométricas, modelos y bases de datos climáticas.
• Recopilar series históricas de variables hidrológicas: precipitación, temperatura, ETP, ETR, escorrentía, recarga, etc.
• Evaluar la calidad, continuidad, resolución temporal y espacial de las series.
• Clasificar datos por fase (atmosférica y terrestre) e identificar vacíos o limitaciones.

Aparte de las estaciones pluviométricas y termométricas identificadas y localizadas espacialmente, en su caso también se deberán incorporar los nivómetros y pértigas de acumulación de nieve que existan en la región. Y habrá que considerar todas las estaciones existentes que dispongan de registro, aunque lleven tiempo fuera de servicio.

Los modelos matemáticos requieren series de datos meteorológicos completas, por lo tanto, es necesario llevar a cabo un proceso de relleno de lagunas. En el caso de la información primaria como precipitación y temperatura, los métodos de relleno pueden ser sencillos, aunque también los hay muy sofisticados.

1. En una primera etapa se puede trabajar rellenado precipitaciones y temperaturas diarias mediante la consideración de valores en estaciones cercanas, ponderadas por ejemplo mediante la técnica del inverso de la distancia, considerando además una posible corrección por altitud. Según la calidad del resultado obtenido, posiblemente mucho más incierto en precipitaciones que en temperaturas, se pueden obtener unas series mensuales relativamente robustas.
2. En un segundo paso, bien sea mediante procedimientos como los mapas de isoyetas e isotermas, los polígonos de Thiessen, o cualquiera otros, entre los que puede ser de gran interés el ajuste a una superficie mallada (raster), se puede extender la información de precipitaciones y temperaturas mensuales a todo el territorio.

A continuación, se enumeran las características ideales que debería tener el programa de seguimiento cuantitativo para asegurar la cantidad y calidad de información necesaria para la elaboración de un inventario de recursos.

1. Representatividad espacial

• La red de estaciones debe cubrir adecuadamente la diversidad fisiográfica, climática y de uso del suelo del territorio.
• Debe incluir puntos en cabeceras, zonas medias y bajas de cuenca, así como áreas clave de recarga y descarga de acuíferos.
• Es recomendable incluir tanto cuerpos de agua superficiales (ríos, embalses) como subterráneos (pozos piezométricos).

2. Variables clave a monitorear

• Caudales fluviales
  • Medición en ríos, arroyos y canales principales.
  • Registro continuo (diario o subdiario) para caracterizar escorrentía base, crecidas y aportaciones.
  • Necesarios para balances hídricos, validación de modelos y análisis de régimen natural o alterado.
• Niveles piezométricos
  • Observación del nivel freático en acuíferos mediante pozos de monitoreo.
  • Indicador directo del estado del recurso subterráneo y sus variaciones estacionales o por bombeo.
  • Requiere red piezométrica representativa y mantenimiento regular.
• Volúmenes almacenados
  • En embalses, lagos naturales y otros cuerpos de agua superficiales.
  • Requiere sensores de nivel, curvas de capacidad y datos operativos de presas.
  • Importante para evaluar regulación, almacenamiento útil y disponibilidad estacional.
• Aportaciones naturales estimadas
  • Escorrentía directa, subsuperficial y recarga de acuíferos.
  • Puede derivarse mediante modelos hidrológicos calibrados o balance de masa.
  • Fundamental en zonas sin aforos o con alteración del régimen natural.

3. Fuentes de datos

• Estaciones de aforo (automáticas o manuales), operadas por organismos hidrológicos.
• Pozos piezométricos con registros manuales (cinta) o continuos (sensores).
• Redes meteorológicas para precipitación, temperatura y evapotranspiración.
• Infraestructura hidráulica: registros operativos de presas, canales y obras de toma.
• Modelos hidrológicos: usados en zonas sin monitoreo, para estimar escorrentía y recarga.
• Imágenes satelitales: estimaciones de nivel y superficie de embalses (altimetría radar), y humedad del suelo.

4. Requisitos operativos

• Resolución temporal:
  • Continua (horaria o diaria) en estaciones clave.
  • Mensual o estacional para puntos complementarios o manuales.
• Cobertura espacial:
  • Puntos representativos en cada unidad de planificación (cuenca, subcuenca, acuífero).
  • En zonas sensibles (captaciones, áreas de recarga, embalses estratégicos).
• Calidad de datos:
  • Control de exactitud, precisión y frecuencia de mantenimiento.
  • Validación mediante métodos cruzados y verificación con observaciones independientes.

5. Productos esperados

• Series temporales homogéneas de caudales, niveles y volúmenes, listas para uso en balances y modelización.
• Información espacialmente distribuida para diagnóstico territorial de la disponibilidad hídrica.
• Base para estimar indicadores clave del estado cuantitativo:
  • Índice de explotación de acuíferos
  • Déficit o superávit hídrico
  • Capacidad de regulación existente
  • Tendencias de disminución o aumento del recurso

Paso 2: Selección del método de estimación

En esta fase se debe llevar a cabo un análisis de la información disponible para seleccionar y ejecutar el método que mejor permita simular las aportaciones totales en régimen natural de la cuenca y la zonificación propuesta. A continuación, se enumera una sucesión lógica de acciones para ejecutar el trabajo que constituye el presente apartado.

• Analizar y seleccionar el método más adecuado a la disponibilidad de datos y condiciones de la cuenca.
• Ejecutar el/los métodos seleccionados (simulación, análisis estadístico o balance).
• Documentar los parámetros empleados, supuestos y calibraciones.
• Validar resultados preliminares con información de campo y/o registros históricos.

Consideraciones para la selección del método:

En un contexto de gran disponibilidad de datos, el mejor escenario posible seria disponer de una red de control de caudales con una distribución especial suficientemente representativa de la cuenca hidrográfica y una serie histórica de aforos de al menos 30 años. Bajo este escenario, lo ideal, de cara al cálculo de las aportaciones totales seria hacer un análisis directo a partir de series históricas de en estaciones de aforo. Este análisis estaría compuesto de dos pasos fundamentales:

1. Análisis estadístico de las series históricas de hidrometría: caudales medios, máximos, mínimos y percentiles a distintas escalas temporales (mensual y anual).
2. Restitución de datos al régimen natural: dado que muchas mediciones están influenciadas por intervenciones humanas (presas, derivaciones), es necesario "restituir" los datos al régimen natural para estimar cuál habría sido la aportación hídrica sin estas alteraciones. Los principales métodos de corrección son:

• Corrección por balance hidráulico: consiste en sumar o restar los caudales modificados por la acción humana (derivaciones, retornos, embalses) al caudal observado. Requiere conocer los volúmenes regulados o desviados.
• Estaciones de referencia: se utiliza una estación cercana no alterada como referencia. A través de ratios o funciones de transferencia se estima el caudal natural en la estación alterada.
• Modelos hidrológicos: se aplican modelos (Ver en herramientas):que simulan el régimen natural a partir de variables climáticas, fisiográficas y de uso del suelo. Requieren calibración y validación.

No obstante, la disponibilidad de datos directos de aportaciones, salvo casos muy excepcionales, siempre serán insuficientes para garantizar un inventario de recursos hídricos con una resolución espacial y temporal suficiente para que sea de utilidad. Por ello, para la elaboración de este, se requiere del uso de diferentes metodologías para estimar la disponibilidad del agua en una cuenca.

En este sentido, los modelos de Precipitación – Escorrentía son los más utilizados para establecer la relación entre la precipitación y la escorrentía en una cuenca. Su aplicación es especialmente útil en zonas sin abundancia de datos de aforo o para restituir caudales al régimen natural, simular escenarios futuros o evaluar respuestas del sistema hidrológico ante diferentes condiciones climáticas y de uso del suelo, sin perder de vista su finalidad como procedimiento para obtener series suficientemente largas y homogéneas de datos de aportaciones, teniendo en cuenta que lo más habitual es disponer de series meteorológicas (precipitación aportación) que una vez validadas y completadas podrán utilizarse en el modelo numérico seleccionado para obtener las aportaciones en régimen natural. Se basan en ecuaciones de transferencia y de balance hídrico de agua en el suelo que representan los principales procesos hidrológicos, como:

• Precipitación efectiva (agua disponible para generar escorrentía tras la infiltración y evapotranspiración).
• Intercepción por la vegetación.
• Infiltración y almacenamiento en el suelo.
• Escorrentía superficial, subsuperficial y flujo base.
• Percolación

Aunque todos se basan en el principio de conservación del cuerpo de agua y el balance hídrico, se clasifican según el nivel de detalle, complejidad y tratamiento espacial en dos grandes categorías: discretos (empíricos y conceptuales) y distribuidos.

 

Paso 3: Ejecución del modelo para la obtención del inventario

 

Consideraciones para la ejecución del método:

La ejecución del modelo hidrológico para la obtención del inventario requiere una adecuada correspondencia entre el esquema conceptual del modelo, la información disponible y la caracterización física e hidrológica de la cuenca. Esta etapa implica trasladar las condiciones del territorio a parámetros modelizables que permitan simular de forma representativa el comportamiento del sistema hídrico. La calidad de esta correlación determinará la solidez del análisis, especialmente en contextos con datos limitados o elevada complejidad territorial.

Ejemplo relación conceptual de parámetros de un modelo hidrológico (CEDEX, 2020)

Tanto si se recurre a modelos distribuidos, semidistribuidos o discretos, el cálculo se deberá empezar a tantear sobre puntos de contraste previamente seleccionados (series hidrológicas). El estudio de los problemas de ajuste entre los datos registrados y los calculados se podrá tratar mediante el análisis de sensibilidad de los factores de ajuste o parámetros de que disponga el modelo, objetivando la comparación con base en determinados estadísticos que expliquen la bondad de los ajustes. El objetivo es establecer una correspondencia coherente entre la caracterización del área de estudio y los parámetros del modelo, de manera que las condiciones físicas, climáticas y geográficas del territorio se vean reflejadas adecuadamente en la configuración del modelo hidrológico.

La selección de estos primeros puntos de contraste es un paso clave en el trabajo. Deben ser puntos en los que se disponga de series suficientemente largas y explicativas del régimen natural, bien por la falta de modificación de los regímenes o bien por haber sido restituidas. Interesa, además, que recojan las aportaciones de una superficie suficientemente grande, que englobe la variabilidad territorial, pero no en exceso impidiendo comprender con seguridad los fenómenos que acontecen.

Las series hidrológicas de referencia no pueden considerarse libres de error, por lo que resultará necesario verificar su calidad. Para ello, pueden calcularse estadísticos de estaciones encadenadas, coeficientes de escorrentía, tendencias, dobles masas… en fin, cualquier aspecto que pueda resultar relevante para el fin perseguido.

Como ejemplo, entre los criterios de contraste, se pueden usar: el error medio absoluto, el error medio relativo y el error cuadrático medio (recomendados por la Instrucción de Planificación Hidrológica en España). Complementariamente, se puede utilizar el índice de eficiencia o de Nash-Sutcliffe (recomendado por CEDEX, 2020). Los métodos sencillos de error explican las diferencias entre los volúmenes totales, registrado y simulado, mientras que el método de Nash-Sutcliffe analiza si el modelo reproduce bien la variabilidad observada. En este sentido, valores de error medio relativo de -10% a +10% indican que el ajuste es muy bueno, puede ser aceptable hasta el 25%, y si pasa de ese umbral, hay que asumir que el ajuste no es satisfactorio. Complementariamente, el índice de Nash se considera que refleja un ajuste muy bueno cuando sus valores están entre 0,75 y 1; bueno entre 0,65 y 0,75; satisfactorio cuando es mayor de 0,5 y, si no satisfactorio cuando ofrece valores por debajo de 0,5.

El mapeo de estos resultados de contraste permite identificar las series y, en particular, las zonas con ajustes satisfactorios y deficientes. La correcta interpretación de estos problemas de ajuste ayudará a afrontar las posibles soluciones. Si la herramienta de simulación cuenta con factores o parámetros de ajuste habrá que empezar a tantear el comportamiento de los resultados manejando esos factores o parámetros. En este trabajo, la información paramétrica suele proceder de cartografías donde se habrá asociado un determinado valor a una categoría de la leyenda del mapa. Esto puede suponer que una corrección que aplica a toda la categoría puede hacer que se produzcan desajustes en zonas donde el modelo se comportaba adecuadamente. Es decir, este proceso debe asumirse como iterativo, donde el ajuste del modelo se realiza mediante ciclos sucesivos de prueba y error. Cada iteración permite refinar los parámetros del modelo en función de los resultados obtenidos, corrigiendo desviaciones, ajustando supuestos y mejorando la representación del comportamiento hidrológico real. Esta dinámica iterativa es esencial para alcanzar una configuración robusta del modelo, especialmente en contextos con alta variabilidad espacial o datos incompletos. No obstante, la experiencia de la persona modelista para realizar esta labor puede resultar esencial para alcanzar un resultado suficientemente bueno con un esfuerzo razonable.

Una vez que los resultados se den por buenos en los puntos de contraste, el modelo se aplicará a todo el territorio, y se generarán los resultados con base en criterios de hidrología comparada, asumiendo que si la simulación explica los datos observados también ofrecerá aportaciones confiables en lugares sin datos.

Ejemplo de mapeo de resultados de contraste y junto con las graficas de contraste de caudales en un punto representativo (CEDEX, 2020)

Paso 4: Contraste de aportaciones calculadas y registros históricos

El propósito de esta fase es validar los resultados de estimación de aportaciones mediante la comparación con registros reales de caudales, asegurando su fiabilidad y representatividad. Esta etapa corresponde al segundo paso de contraste, y solo debe iniciarse una vez ejecutado el modelo completo.

Descripción Metodológica:

• Comparar los resultados de modelos de aportación con caudales observados en estaciones en régimen natural.
  La validación se realiza contrastando las simulaciones de caudal con datos históricos en estaciones hidrométricas no alteradas por infraestructuras, seleccionadas específicamente para no coincidir con los puntos usados en la calibración del modelo.
• El contraste debe aplicarse al conjunto de las series obtenidas, excluyendo los puntos utilizados como contraste en la fase de ejecución del modelo. Es decir, se prioriza la validación externa del modelo con datos independientes.
• Calcular indicadores de error (EMC, EMA, EMR): Se cuantifica la precisión de los modelos mediante indicadores estadísticos como el Error Medio Cuadrático (EMC), el Error Medio Absoluto (EMA) y el Error Medio Relativo (EMR).
• Representar gráficamente las comparaciones en puntos clave de control: Se elaboran gráficos (como curvas de caudal simulado vs observado o series temporales) en ubicaciones estratégicas de la cuenca para facilitar el análisis visual del ajuste del modelo.
• Realizar contrastes adicionales en régimen real, comparando el caudal circulante obtenido en el modelo con el caudal registrado global en puntos de control o secciones principales.

Paso 5: Distribución espacial de las principales variables hidrológicas

Una vez aplicada la metodología seleccionada y obtenidos los resultados, se procede a la representación espacial de las aportaciones totales junto con otras variables hidrológicas clave. El objetivo es analizar la variabilidad espacial del recurso hídrico dentro de la cuenca, lo que permite identificar áreas con distintos niveles de disponibilidad o comportamiento hidrológico.

• Generar mapas de distribución espacial (medias interanuales): se representan los resultados de aportaciones totales y resto de variables como precipitación, evapotranspiración potencial (ETP), evapotranspiración real (ETR), recarga y escorrentía superficial, utilizando valores medios interanuales.
• Verificar la cobertura geográfica y resolución espacial adecuada: se revisa que los mapas cubran completamente la cuenca y presenten un nivel de detalle suficiente para los fines de análisis y planificación.
• Evaluar consistencia de resultados y representar zonas con mayor variabilidad: Se comparan los patrones espaciales de las distintas variables y se identifican áreas con alta variabilidad interanual o espacial.

De manera complementaria, calculado el modelo, se precisará disponer de series homogéneas en puntos concretos para su utilización en otros trabajos del plan hidrológico; en particular, para la simulación de los balances entre recursos disponibles y demandas (Balances recursos-demandas). Para obtener estas nuevas series se precisará un proceso específico que puede fundamentarse en:

• Utilizar interpolaciones, modelos climáticos/hidrológicos o mallas regulares: Dependiendo de la fuente de datos y resolución disponible, se aplican métodos como interpolación espacial (kriging, IDW), salidas de modelos numéricos o resultados de modelos hidrológicos distribuidos.
• Si el modelo es distribuido, se precisará aplicar un proceso de agregación espacial para extraer las series en ubicaciones representativas.
• Si el modelo no es distribuido, puede ser necesario realizar una extrapolación de los resultados a diferentes zonas o subcuencas, justificando el criterio empleado.