lunes, 20 de octubre de 2014

VISIÓN GENERAL SOBRE EL SOFTWARE SWAT

¿Que es SWAT?

Desde mi punto de vista, esta una pregunta que requiere una larga respuesta para lograr entender al software en su completa magnitud...  Este artículo es un intento inicial para tratar de explicar que es este software.


Comencemos respondiendo varias preguntas iniciales:
SWAT son las siglas de Soil and Water Assessment Tool.
En mi opinión este nombre se quedo corto para todo lo que hace el software.  Es muy limitada su descripción con estas siglas y mas limitado aun, pretender interpretar al software basado en estas siglas.

¿QUE HACE EL SOFTWARE SWAT?
SWAT se puede definir como un software para el modelaje integral de cuencas que permite conocer la dinámica hídrica de las cuencas bajo escenarios actuales y futuros permitiendo una visión holistica de la cuenca. El software permite realizar los análisis necesarios en la planificación vinculada al cambio de uso del suelo, actividades de reforestación, establecimiento de centros poblados, establecimiento de obras hidráulicas (como captación, embalses, canales, corrección de cauces, etc.),  entre otros. Debido a estas facilidades que brinda un modelo de simulación, este se ha convertido en una herramienta de mucha utilidad en el manejo de cuencas hidrográficas y es aquí donde SWAT se convierte en una extraordinaria herramienta para el manejo de escenarios en cuencas incluyendo el
monitoreo, modelaje y simulación continua de la dinámica de la cuenca e incluso hasta se podría pensar en el concepto de sala situacional de la cuenca usando este software como ya se ha realizado en algunos países.

LA CUENCA Y SWAT
Es importante saber que el manejo holistico de las Cuencas hidrográficas por SWAT es posible gracias a varios factores que son importantes tener en cuenta:
  • Es relativamente sencillo delimitar las cuencas en el espacio con los nuevos modelos digitales de elevación de alta calidad que estan disponibles a nivel mundial
  • Existe una relación natural entre los límites de las cuencas que a su vez tienden a delimitar muchos procesos ecosistémicos importantes
  • La relación que sistema entre subcuencas es sistemática y jerárquica y permite trabajar intuitivamente en diferentes escalas
  • A diferencia de otros conceptos ecológicos, las cuencas es un concepto más popular y son entendidas por la mayoría de las personas.


FUNCIONAMIENTO DEL SOFTWARE SWAT
SWAT es un software que funciona en conjunto con otro software, específicamente con un Sistema de Información Geográfica. NO funciona individual, funciona como un plug-in o una extensión o un complemento de un SIG. Actualmente existen dos versiones de SWAT, para dos diferentes SIG:
  • la versión ArcSWAT funciona en ArcGIS. ArcGIS es el SIG de la empresa ESRI cuya ultima versión es la 10.2.  
  •  la versión MWSWAT funciona en MapWindows.   MapWindows es un SIG bajo software libre cuya ultima versión es la 4.8.8.
  • Existen varios módulos que funcionan independientes e incluso de la lista de ejecutables uno funcionan en el sistema operativo linux.
Son iguales estas dos versiones de SWAT para SIG: ArcSWAT y MWSWAT? 
NO, funcionan un poco diferente.  La versión para ArcGIS es mas completa y versátil.

¿QUIEN HACE, MANTIENE Y FINANCIA A SWAT?
SWAT es un modelo a nivel de cuencas hidrográficas desarrollado por el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA Agricultural Research Service (USDA-ARS)) en conjunto con la Universidad de Texas (Texas A&M AgriLife Research, parte de la Texas A&M University System).. Este modelo fue desarrollado para cuantificar y predecir el impacto de las prácticas de manejo de tierras sobre la producción de agua, sedimentos, nutrientes y sustancias químicas producto de la actividad agrícola en cuencas complejas de gran extensión espacial, con diferentes tipos de suelos, usos de la tierra y condiciones de manejo, durante largos períodos de tiempo. El modelo tiene una base física y es computacionalmente eficiente, requiere datos de entrada relativamente fáciles de disponer y permite estudiar los impactos a largo plazo.

¿EN QUE SE BASA EL MODELAJE DE SWAT?
El SWAT se basa en un balance hídrico para determinar la entrada, la salida y el almacenamiento de agua en la cuenca. Para el modelamiento, la cuenca hidrográfica es dividida en subcuencas y unidades de respuesta hidrológica (HRU), las cuales son obtenidas del cruce de los diferentes tipos de suelo, pendiente y coberturas presentes.  Este modelo está basado en principios físicos, en otras palabras no solo genera resultados con el uso de ecuaciones sino que también necesita ser alimentado con información de la zona de estudio, tales como, el clima, las propiedades físicas del suelo, la topografía, la cobertura vegetal y las prácticas de manejo, constituyéndose en una herramienta cuyo principal objetivo es predecir el efecto de las decisiones en cuanto al manejo y el aprovechamiento de los recursos naturales.  Existe una amplia documentación sobre el modelo teórico usado para implementar SWAT.

¿CON QUE LENGUAJES  DE PROGRAMACIÓN SE DESARROLLO SWAT?
SWAT trabaja solo en ambiente windows. Ha sido desarrollado en una combinación de lenguajes: una parte fue desarrollada con la tecnología .NET de microsoft y la otra con el lenguaje Fortran (Photran, gfortran, MakeFile, Eclipse, MinGW y otros).  Se han realizado interesantes integraciones con otros software como GRASS, o el lenguaje estadístico R para aplicaciones especializadas y avanzadas.

¿QUE CONOCIMIENTOS PREVIOS SE RECOMIENDA TENER PARA MANEJAR SWAT A PLENITUD?
Sería recomendable manejar SWAT en un grupo multidisciplinario.  En el caso de que una sola persona quiera hacer todo, se recomendaría conocer y tener habilidades las siguientes áreas y software:
  • un conocimiento avanzado de Excel, incluyendo el manejo de tablas dinámicas y la programación en VBA sería de mucha ayuda
  • un buen manejo de las bases de datos, preferiblemente de MSAccess
  • Muy buenos conocimiento de geomatica, incluyendo:
  • Para el manejo inicial de los datos se recomienda un conocimiento avanzado de estadística y de cualquier software estadístico ya que generalmente se requiere un procesamiento previo, de muchos de los datos que usa SWAT.  Generalmente el procesamiento previo es un procesamiento estadístico donde se puede usar cualquier programa del mercado, tanto el libre como lo es lenguaje R o cualquiera de los que tienen licencia y son muy costosos como SPSS, Minitab, SAS-JMP, Statgraphics o cualquier otro.  
  • Algunos datos requieren procesamiento matemático mas avanzado tal vez usando un software como MatLab.
A nivel de temas relacionados con las cuencas se recomienda entender los conceptos y manejar los datos relacionados con las siguientes áreas del conocimiento:
CUALES SON LAS ALTERNATIVAS PARA APRENDER SWAT ACTUALMENTE:
El objetivo de este breve artículo de SWAT no es enseñar SWAT sino dar un idea global sobre el software como herramienta de modelación, su importancia, unas ideas generales del software y su proceso y sus aplicaciones.  En esta sección podrán ver algunas opciones existentes actualmente para aprender sobre SWAT:

Actualmente, los desarrolladores de SWAT dictan dos workshop presenciales cada cierto tiempo:
1- SWAT for Beginners con una duración de 3 días
2- SWAT for Advanced Users con una duración de 3 días

El CATIE en Costa Rica dicta un curso una vez al año que tiene una duración de 15 días. En mi opinión es el curso mas completo actualmente ya que se estudia muy en detalle este software y sus herramientas asociadas.

Varias instituciones, universidades, centros de investigación y otros estan dictando algún tipo de curso, capacitación o entrenamiento en el tema.  Por ejemplo el CIAT en Cali, Colombia, dicta un curso presencial cada cierto tiempo y/o en acuerdo con varias instituciones en latinoamerica, con una duración de 5 días

En internet se puede conseguir mucho material.  Por ejemplo existen varios vídeos en YOUTUBE de diferentes autores y en diferentes idiomas sobre algunos de los procesos que se debe seguir con SWAT.

Existe una conferencia anual para los usuarios de SWAT desde el año 2001. Información de la última conferencia la puede ver aqui:  Año 2014.  Año 2015

CUALES SON LOS COMPONENTES DE SWAT
  • Weather - Clima 
  • Surface runoff  - Escorrentía Superficial
  • Return flow - Flujo de retorno 
  • Percolation - Percolación
  • Evapotranspiration - Evapotranspiración
  • Transmission losses - Perdidas de Transmisión
  • Pond and reservoir storage - Depósitos y Almacenamientos de Agua
  • Crop growth and irrigation - Crecimiento del cultivo y riesgo
  • Groundwater flow - Flujo de Agua Subterránea
  • Reach routing - Alcance del enrutamiento
  • Nutrient and pesticide loading - Carga de nutrientes y pesticida
  • Water transfer - Transferencia de agua
PRE-PROCESO ANTES DE "CORRER" LAS SIMULACIONES DE SWAT
Es fundamental realizar el análisis exploratorio de los datos que requiere SWAT. Es importante tenerlo presente como una de las actividades mas laboriosa en todo el proceso de SWAT.


QUE DATOS REQUIERE SWAT:
SWAT requiere los siguientes datos para poder desarrollar su modelación:
  • Topografía – DEM. Se puede trabajar con SRTM o con Aster entre otros.
  • Suelos – textura, profundidad, conductividad, hidráulica, etc.
  • Uso del suelo – vegetación, sectores urbanos
  • Manejo – uso de fertilizantes, tipo de labranza, numero de cabezas de ganado
  • Datos de caudal de ríos y salidas de represas
  • Datos sobre la calidad del agua
  • Fuentes de contaminación puntuales
  • Datos meteorológicos:
    • Precipitación
    • Temperatura del aire
    • Velocidad del viento
    • Humedad relativa
    • Radiación solar
Es importante conocer las posibles fuentes de estos tipos de datos que son requerimientos de SWAT y los formatos y formas de manejo y uso de estos datos y las técnicas requeridas para su pre-procesamiento antes, durante y después de SWAT.


La primera fase para trabajar con SWAT es preparar los datos mencionados anteriormente.  El usuario debe apoyarse en algunas herramientas, generalmente herramientas estadísticas o matemáticas como las mencionadas en las secciones anteriores y otras como unos macros desarrollados en Excel como WGEN (que se pueden bajar de la página web) para lograr el pre-procesamiento inicial de los datos requeridos en un formato determinado por SWAT.
Por ejemplo, para organizar los datos (inputs), que requiere SWAT, podemos nombrar el caso de los datos de clima, que si se tienen datos con toma diaria, debe tener como mínimo, 15 años de información para zonas de mayor relieve y 5 años para zonas llanas.

En la actualidad, una de las herramientas estadísticas que mas esta tomando auge para el procesamiento de los datos que requiere SWAT es el lenguaje estadístico R y la principal razón es que totalmente gratuito ya que es software libre.  Con este software se puede hacer tanto análisis de hidrología estadística como geoestadística que en algunos casos son requeridos para el proceso de los datos inputs que requiere SWAT.

HERRAMIENTAS DE APOYO A SWAT
Existen una gran cantidad de herramientas que sirven para apoyar el modelaje de datos con SWAT. Estas herramientas permiten trabajar, procesar y analizar previamente los datos que requiere SWAT ademas de la ya mencionadas anteriormente.  Ejemplo de varias de ellas son:

CUAL ES EL PROCESO PARA MODELAR LAS CUENCAS CON SWAT

Voy a tratar de resumir un proceso que es bastante largo y extenso, no tanto por el proceso en si, sino por sus múltiples opciones y sus resultados.

La primera actividad que se recomienda es crear una carpeta del proyecto donde se coloquen los datos, para swat y para los resultados.  SWAT hace una parte del trabajo, la otra es recomendable que cada usuario la haga. Posteriormente se deben hacer algunas configuraciones al equipo, como el teclado en ingles, y algunas configuraciones del sistema operativo Windows.

Watershed Delineator
El proceso se inicia con la definición y división de las cuencas y elementos tales que permiten determinar hasta subcuencas y microcuencas.  Este módulo inicial permite una gran cantidad de opciones para definir con claridad las cuencas, es muy versátil y permite manipular diferentes elementos (datos) de una manera muy efectiva como por ejemplo: el stream definition, el outlet e inlet definition, reservoir, y otros. Es bueno saber manejar los DEM con claridad, los SIG y tener claro los conceptos de cartografía. El dato base de origen es un Modelo Digital de Elevación (ya sea SRTM, Aster o cualquier otro) pero ayuda tener la definición de los ríos, tener imágenes de satélite de alta resolución y cartografía de apoyo. De acuerdo a la calidad y resolución del DEM se pueden definir con claridad las cuencas, subcuencas y hasta microcuencas y demás elementos y obtener muy interesantes resultados de esta primera definición como resultados de este módulo.

Un punto muy importante a tomar en consideración, son las características de la computadora donde se realicen los procesos de SWAT.  Si el equipo no tiene una alta velocidad producto de un buen procesador, una memoria de alta velocidad y un buen disco duros (alta capacidad y alta velocidad) estos procesos pueden resultar excesivamente lentos. Es importante mencionar también que todos los procesos de SWAT generan muchos datos por lo que se debe tener una buena capacidad del disco duro.

HRU Analysis
Posteriormente están los HRU - Hidrologic Responde Units, que no son más que las unidades en que se dividen las subcuencas que poseen atributos únicos de: suelo, uso del suelo y gestión. Las HRU se incorporaron a SWAT como parte del proyecto: HUMUS - Hidrologic Unit Model for United States. En este módulo se definen los parámetros y variables de: Land Use Data (Datos del uso del suelo), Soil Data (Datos de Suelo), Slope (Datos de pendiente).  El formato de los datos es muy estricto y específico por lo que esta sección puede llevar bastante tiempo antes de ajustar los datos como los requiere SWAT. Para cada tipo de dato, el software permite ingresarlo desde diferentes opciones y formatos incluyendo un shape para cada caso o la creación de archivos texto con la definición propia de nuestros parámetros. A medida que se van agregando los datos, SWAT los procesa y crea los mapas respectivos de cada variable.  Al finalizar se puede observar un reporte detallado con el análisis desarrollado.  Luego el software permite hacer las definiciones de los HRU manejando varios parámetros y valores de área y/o porcentaje.

WRITE Input Tables
El siguiente proceso esta relacionado con las tablas de datos.  Se pueden definir los datos de las estaciones ambientales principalmente: Weather data definition, que posee un modulo que permite interactuar con los siguientes datos o generadores de datos: Solar Radiation Data, Wind Speed Data, Wheather Generator Data, Rainfall Data, Relative Humidity Data. Pero también se puede trabajar con multiples datos y archivos adicionales tales como: soil data, weather generator data, subbasin general data, HRU general data, main channel data, groundwater data, water use data, management data, soil chemical data, pond data, stream water quality data, septic data, operations data, watershed general data, watershed water quality data, master watershed file.

Edit SWAT input
Una vez se escriben las Input Tables para SWAT se activa este módulo EDIT SWAT INPUT que permite interactuar con las tablas y los datos. Esta opción posee interfaces gráficas que permiten manejar los siguientes componentes: Databases, Point Source Dischanges, Inlet Discharges, Reservoirs, Subbasins Data, Wathershed Data (General Data, Water Quality Data, Land Use Update), Integrate Apex Model.  Estos módulos permiten un manejo muy versátil de estos diferentes tipos de datos.  Resulta impresionante ver la gran cantidad de opciones que maneja el software para interactuar con sus datos de entrada.

SWAT Simulation
Luego esta la simulación.  Una vez se logra completar todo el proceso anterior, finalmente se puede "correr" la simulación SWAT de todo el modelaje. Este es el inicio de un proceso interactivo, tanto interno dentro de SWAT realizando estudios de escenarios, o respondiendo a preguntas tales como What If  con solo cambiar algunos valores, condiciones o parámetros.  Cada "corrida" se puede almacenar para luego hacer comparaciones de escenarios y alternativas.  Las corridas se pueden hacer en diferentes periodos de tiempo (diario, mensual, anual y otros),



CALIBRACION DE UN PROCESAMIENTO EN SWAT
Una vez finalizado todo el proceso de modelaje de SWAT y que finalmente funcione completamente sin problemas, se pasa al proceso de Calibración y Validación. Para realizar este proceso se requiere usar el programa SWAT-CUP desarrollado por el instituto Eawag que permite hacer una calibración y validación del modelo SWAT.  Para poder hacer esta calibración, se requieren datos reales.  Los datos son hidrometereológicos.


Continuamente, para obtener mejores resultados de SWAT, se necesitan estar probando los rangos de parametros cada vez que se va a correr una simulación de SWAT. (Calibración Manual). Esta calibración se puede apoyar usando Excel pero se deben gráficar los datos cada vez que hace la calibración.  Existe una forma mucho mas fácil y potente que consiste en programar las ecuaciones de la estadísticas de rendimiento tales como NSE, MSE, Percent Bias, etc. etc, en lenguaje estadístico R. Solo se debe cambiar el parámetro BASIN y se corre el modelo en R sin necesidad de tener que graficar en excel cada vez. Esto se puede hacer con el paquete R y la herramienta con el algoritmo Multi Objective Genetic que ya esta disponible.

EL ANÁLISIS CON EL MODELAJE SWAT
Una vez que se logran tener todos los datos, se logra "correr" el modelo y se logra calibrar el modelo para hacerlo, lo mas real posible, se tiene la opción de usar SWAT como una herramienta que sirva para integrarla dentro de algunas de las siguientes metodologías:
Esta integración metodológica ayudaría no solo para la toma de decisiones, sino para la evaluación de riesgos potenciales, planeación de estrategias, aprendizaje organizacional, definición de políticas públicas, análisis de riesgos, etc.


APLICACIONES DEL MODELO SWAT
Entre las múltiples aplicaciones que tiene SWAT podemos dar un resumen inicial:
  • Apoyo a la toma de decisiones y apoyo a seguir la normativa y regulaciones ambientales
  • Análisis de escenarios económicos-sociales-ecológicos:
    • Uso de agua municipal y agrícolas
    • Tendencias agrícolas como tipo de labranza
    • Escenarios de aplicación de fertilizantes y estiércol
    • Impacto de estructuras de control de inundación
  • Inventario de descarga de contaminación en zonas costeras
    • Simulación de ríos, reservorios y fuentes puntuales
  • Evaluar efectos de manejo en la calidad y cantidad de agua
  • Simulación, manejo y evaluación de los cambios climáticos
  • En el campo agrícola el análisis de los cultivos

EXISTEN OTRAS ALTERNATIVAS A SWAT
Si existen, tal vez la principal alternativa es ArcHydro.  Existen varios documentos en la web que proporcionan una comparación entre estas dos alternativas gratuitas.

Pero existe una larga lista de software adicional que apoya en mayor o menor grado el modelaje hidráulico de cuencas. La lista es larga, aquí les muestro solo algunos:
Algunas o tal vez muchas universidades, centros de investigación y hasta empresas ya están mezclando el uso de varias de estas herramientas con SWAT.  Muy interesante los ejemplos que se pueden conseguir en la red sobre estas experiencias de integración.

Este artículo se escribió en Octubre del 2014

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