TUTORIAL PARA EL ANALISIS DE UNA CUENCA CON EL USO DE ARCGIS

2013

Ricardo [Escriba el nombre de la compaa]

01/01/2013

JORGE LUIS GUTIERREZ

JOSE YESID RODRIGUEZ

RICARDO ANDRES SUAREZ

INTRODUCCIN

Las caractersticas fsicas de una cuenca, son de gran importancia en el estudio hidrolgico, ya que por medio de estas, se obtiene desde parmetros fundamentales para el diseo de redes de conduccin, hasta caudales disponibles y retenidos para el diseo de embalses y represas. Por esta razn se hace necesario implementar medidas de optimizacin en el anlisis de esta, como software computacionales que facilitan esta tarea. Debido a esto, se requiere conocer el procedimiento para realizar el anlisis de una cuenca mediante el uso de software, para lo cual, se elabora este tutorial, el cual tiene como objetivo principal, dar a conocer el procedimiento a seguir para el anlisis de una cuenca por medio del software ArcGIS.

BASE TERICA

rea

Es el tamao de la superficie de cada cuenca en km2

. Se obtiene automticamente a partir de la digitizacin y poligonizacin de las cuencas en el SIG (Arcgis). De acuerdo al valor obtenido se puede clasificar la cuenca segn la clasificacin de la tabla 1.

Tabla 1. Clases de tamao de cuencas (km2

)

Rangos de reas Clases de tamao

12.5-35 Muy pequea

35.5-58 Pequea

58.5-81 Mediana

81.5-103.5 Grande

Coeficiente de forma (Kf)

Este ndice, propuesto por Gravelius, se estima a partir de la relacin entre el ancho promedio del rea de captacin y la longitud de la cuenca, longitud que se mide desde la salida hasta el punto ms alejado a sta. El factor de forma, viene dado por:

Dnde: L: Ancho promedio del rea de captacin L: Longitud de la cuenca A: Area de captacin Este factor relaciona la forma de la cuenca con la de un cuadrado, correspondiendo un K

f= 1 para regiones con esta forma, que es

imaginaria. Un valor de Kf superior a la unidad nos proporciona el grado

de achatamiento de la cuenca o el de un ro principal corto. En consecuencia, con tendencia a concentrar el escurrimiento de una lluvia intensa formando fcilmente grandes crecidas.

Tabla2. Clases de valores de forma

Rangos de Kf Clases de forma

.01-.18 Muy poco achatada

.18-.36 Ligeramente achatada

.36-.54 Moderadamente achatada

Coeficiente de compacidad (K

c)

Designado por Kc e igualmente propuesto por Gravelius, compara la forma de la cuenca con la de una circunferencia, cuyo crculo inscrito tiene la misma rea de la cuenca en estudio. Kc se define como la razn entre el permetro de la cuenca que es la misma longitud del parteaguas que la encierra y el permetro de la circunferencia. La ecuacin que nos permite el clculo de este coeficiente corresponde a:

Donde: K

c: Coeficiente de compacidad

P: Permetro de la cuenca (longitud de la lnea de parte-aguas) A: rea de la cuenca

Este valor adimensional, independiente del rea estudiada tiene por

definicin un valor de 1 para cuencas imaginarias de forma exactamente

circular. Los valores de Kc

nunca sern inferiores a 1. El grado de

aproximacin de este ndice a la unidad indicar la tendencia a concentrar

fuertes volmenes de aguas de escurrimiento, siendo ms acentuado

cuanto ms cercano sea a la unidad, lo cual quiere decir que entre ms

bajo sea Kc, mayor ser la concentracin de agua.

Tabla 3. Clases de valores de compacidad.

Rangos de Kc Clases de compacidad

1.25 Redonda a oval redonda

1.25 1.50 De oval redonda a oval oblonga

1.50 1.75 De oval oblonga a rectangular oblonga

ndice de alargamiento (Ia)

Este ndice propuesto por Horton, relaciona la longitud mxima

encontrada en la cuenca, medida en el sentido del ro principal y el ancho

mximo de ella medido perpendicularmente; se lo calcula de acuerdo a la

frmula siguiente.

Donde: Ia: Indice de alargamiento

Lm: Longitud mxima de la cuenca

l: Ancho mximo de la cuenca

Cuando Ia

toma valores mucho mayor a la unidad, se trata seguramente

de cuencas alargadas, mientras que para valores cercanos a 1, se trata

de una cuenca cuya red de drenaje presenta la forma de abanico y puede

tenerse un ro principal corto (tabla 4).

Tabla 4. Clases de valores de alargamiento

Rangos de I Clases de alargamiento

0.0-1.4 Poco alargada

1.5-2.8 Moderadamente alargada

2.9-4.2 Muy alargada

Coeficiente de masividad (Km

)

Este coeficiente representa la relacin entre la elevacin media de la

cuenca y su superficie.

Este valor toma valores bajos en cuencas montaosas y altos en cuencas llanas (tabla 5).

Tabla 5. Clases de valores de masividad

Rangos de Km

Clases de masividad

0-35 Muy Montaosa

35-70 Montaosa

70-105 Moderadamente montaosa

Orden de corriente Existen diferentes mtodos para obtener este ndice (Gregory and Walling, 1985). En este estudio se utiliz el mtodo de Strahler ya que es el ms comn, el ms comprensible y el ms fcil de relacionar con otros parmetros morfomtricos. Este ndice se obtiene mediante la agregacin de corrientes,

considerando una corriente de primer orden a aquella que no tiene

afluentes, una de segundo orden aquella donde se renen dos corrientes

de primer orden, una de tercero donde confluyen dos de segundo orden y

as sucesivamente (figura 1).

Figura 1. Ordenes de corriente segn Strahler (Gregory, Op. cit.).

Este ndice indica el grado de estructura de la red de drenaje. En general,

mientras mayor sea el grado de corriente, mayor ser la red y su

estructura ms definida. Asimismo, un mayor orden indica en general la

presencia de controles estructurales del relieve y mayor posibilidad de

erosin o bien, que la cuenca podra ser ms antigua (en determinados

tipos de relieve).

Tabla 6. Clases de orden de corriente

Rangos de ordenes Clases de orden

1-2 Bajo

2.1-4 Medio

4.1-6 Alto

Este ndice permite tener un mejor conocimiento de la complejidad y desarrollo del sistema de drenaje de la cuenca. En general, una mayor densidad de escurrimientos indica mayor estructuracin de la red fluvial, o bien que existe mayor potencial de erosin. Pero tambin, como indican Gregory and Walling (Op. Cit.), la densidad de drenaje provee una liga entre los atributos de forma de la cuenca y los procesos que operan a lo largo del curso de la corriente. Ms precisamente, la densidad de drenaje refleja controles topogrficos, litolgicos, pedolgicos y vegetacionales, adems de incorporar la influencia del hombre. La densidad de drenaje se calcula dividiendo la longitud total de las

corrientes de la cuenca por el rea total que las contiene, o sea:

Siendo: L: Longitud de las corrientes efmeras, intermitentes y perennes de la cuenca en (Km)

A: rea de la cuenca en (Km2

)

La densidad de drenaje vara inversamente con la extensin de la cuenca.

Con el fin de catalogar una cuenca bien o mal drenada, analizando su

densidad de drenaje, se puede considerar que valores de Dd

prximos a

0.5 km/km2

o mayores indican la eficiencia de la red de drenaje.

La red de drenaje toma sus caractersticas, influenciada por las lluvias y la topografa. Por esto se tiene que para un valor alto de D

d corresponden

grandes volmenes de escurrimiento, al igual que mayores velocidades

de desplazamiento de las aguas, lo que producir ascensos de las corrientes. En perodos de estiaje se esperan valores ms bajos del caudal en cuencas de alta densidad de drenaje y de fuertes pendientes, mientras que en cuencas planas y de alta densidad de drenaje, se espera estabilidad del rgimen de caudales, debido al drenaje subsuperficial y al aporte subterrneo. La siguiente tabla muestra las clases de densidad de drenaje.

Tabla 7. Clases de densidad de drenaje

Rangos de densidad Clases

.1-1.8 Baja

1.9-3.6 Moderada

3.7-5.6 Alta

Nmero de Escurrimientos Es la cantidad de afluentes naturales de la cuenca. Se contabiliza mediante SIG a travs del nmero de segmentos marcados en el mapa digitizado. Constituye una medida de la energa de la cuenca, de la capacidad de captacin de agua y de la magnitud de la red fluvial. Un mayor nmero de escurrimientos proporciona un mejor drenaje de la cuenca y por tanto, favorece el escurrimiento. Los valores de escurrimiento se han agrupado en la tabla 8.

Tabla 8. Clases de valores escurrimientos

Rangos de escurrimiento

Clases

0-170 Bajo

171-340 Medio

341-510 Alto

Pendiente del cauce principal La pendiente del cauce se la puede estimar por diferentes mtodos, uno

de ellos es el de los valores extremos, el cual consiste en determinar el

desnivel H entre los puntos ms elevado y ms bajo del ro en estudio y

luego dividirlo entre la longitud del mismo cauce L, lo que significa:

Dnde: S: Pendiente media del cauce

H: Desnivel entre los puntos ms elevado y ms alto, L: Longitud del cauce

La tabla 9 nos muestra los valores agrupados en clases.

Tabla 9. Clases de valores de pendiente del cauce (grados)

Rangos de pendiente

Clases

.01-.05 Suave

.06-.11 Moderada

.12-.17 Fuerte

Tiempo de concentracin (Tc)

Es el tiempo transcurrido entre el final del hietograma de excesos y el final del escurrimiento directo, siendo sta la definicin que aparece reseada en la literatura con mayor frecuencia. Sin embargo, otros autores reportan el T

c como el tiempo comprendido entre el centroide del hietograma de

excesos y el punto de inflexin sobre la curva de recesin del hidrograma de escurrimiento directo. Adems se puede definir como el tiempo que demora en viajar una partcula de agua desde el punto ms remoto hasta el punto de inters. Corresponde al lapso entre el final de la lluvia y el momento en que cesa el escurrimiento superficial. Existen una serie de frmulas que permiten el clculo de este tiempo desarrolladas por diversos autores. Algunas de las frmulas que se emplean para el clculo de este tiempo

son las siguientes:

Kirpich:

Temez:

Pasini:

Pizarro:

Dnde: T

c: Tiempo de concentracin (min)

L: Longitud del cauce principal en (Km) S: Pendiente del cauce principal (m/m)

A: Area de la cuenca (Km2

) H: Diferencia de alturas (m)

En este trabajo se ha utilizado la frmula de pizarro por ser una ecuacin eficiente y fcil de emplear.

Tabla 10. Clases de tiempo de concentracin (min)

Rangos de Tc Clases

0-41.7 Rpido

41.6-83.2 Moderado

83.3-125.1 Lento

Pendiente media de la cuenca (PM). El proceso de degradacin a que se ve sometida una cuenca hidrogrfica, al igual que el caudal mximo, est muy influenciados por la configuracin topogrfica, debido a que el poder erosivo se manifiesta en mayor o menor grado de acuerdo a los distintos grados de pendiente (Lpez Cadenas de Llano, 1998). Para determinar la pendiente media de la cuenca se utiliz el mapa topogrfico y el modelo digital de elevacin, cuyo procedimiento se expresa en la Ecuacin.

PROCEDIMIENTO

1. DISPONER DE LA CARTOGRAFA DE LA CUENCA. Estas se pueden obtener del google earth, digitalizando las planchas del agustin codazi u obteniendo directamente las planchas digitales directamente de la institucin regente. Se recomienda la digitalizacin, ya esta es la opcin ms precisa y de menor costo, por tanto se utilizara est en el tutorial.

2. CONVERSIN DE IMAGEN A TIPO MONOCROMTICO.

Click derecho sobre la imagen y se selecciona abrir con Microsoft Office.

Posteriormente se selecciona EDITAR IMGENES

En la parte derecha en el campo CONFIGURACION DE BRILLO Y CONTRASTE, se varan estos parmetros de acuerdo con el estado de la cartografa, de tal forma que se observe bien definido los colores negro y blanco.

Se cierra y se guardan los cambios. Se procede a abrir el archivo para convertir la imagen JPG a BMP, en este caso se usa el

programa Paint. Se ingresa al men Archivo Guardar Como Tipo: Mapa de bits monocromtico

Este paso es necesario para que la extensin ArcScan reconozca la cartografa a trabajar.

3. Georeferenciacin de la cartografa. Con la extensin georefenerciar, se realiza este procedimiento. Este se puede realizar con diferentes planchas (cuando la cuenca se encuentre en ms de una plancha).

Se inicia ArcMap

Se Agrega la imagen con el botn (Add Data)

Se debe proceder a activar la herramienta de Georeferencing.

Click derecho sobre la barra de herramientas Click en Georeferencing

Click en (View Link Table) y desactivamos Auto Adjust.

Click en (Add Control Points) de la barra de Georeferencing. Paso seguido se hace click izquierdo en cada una de las esquinas de la cartografia , paso

seguido se hace click derecho y se insertan las coordenadas del respectivo punto:

Una vez insertadas las coordenadas, se activa la opcin Auto Adjust (desactivada al principio de este paso).

Para Georeferenciar otra imagen se repite el procedimiento anterior teniendo presente que en el capo Layer de la barra de herramientas Georeferencing aparezca el respectivo nombre de la imagen a referenciar.

Una vez realizados los pasos anteriores se da click en Georeferencing Rectify Save

4. CREACIN DE CAPAS (LAYOUT).

Se desplegan las herramienta (Show/Hide ArcToolBox Window) Se hace click en Data Management Tools Feature Class Create Feature Class

Se llenan los respectivos campos que aparecen en la ventana

Feature Class Location La Carpeta donde se va a guardar el Layer Feature Class Name Nombre del Layer

Geometry Type Se debe seleccionar el pertinente ya sea Polgono, Punto, Polilnea o Multipunto: para el caso se van a trazar Curvas de Nivel, se debe seleccionar Polilnea.

5. TRAZO DE CURVAS DE NIVEL Se trabaja con el layer creado (Si se ha cerrado el programa Se Agrega el layer creado

con el botn Add Data )

Se activa la herramienta ArcScan, Click derecho sobre la barra de herramientas Click en ArcScan

Paso segudido se debe activar el editor en la barra de herramientas en el icono (Editor Toolbar), y aparece la barra de herramientas editor.

Se da click en en Editor y se desplega el men, se inicia el editor en Star Editing

Se debe verificar que en el campo Target de la barra de herramientas de Editor

Aparezca el layer a usar activo.

Para empezar a trazar las curvas de nivel se debe hacer click en el icono (Vectorization Trace Between Points).

En seguida localizamos sobre la imagen de la cartografia dos puntos y la herramienta se encarga de trazar la curva (en el punto final de la curva se debe hacer doble click para finalizar)

En los puntos de la curva donde se encuentra la elevacin de esta es necesario usar la

aplicacin (Sketh Tool), la cual se encuentra en la barra de herramientas Editor; se debe ubicar el punto siguiente dond termina el valor de elevacion de la curva y luego

volver a trabajar con la aplicacin (Vectorization Trace Between Points), de la barra de herramientas ArcScan.

Cuando se hayan trazado todas las curvas de nivel se les debe asignar el valor de elevacin correspondiente. ( se debe desactivar el editor , EditorStop Editing )

En la parte izquierda de la interfaz del programa aparece la lista de layers, se da click derecho en el layer de Curvas de Nivel Open Atribute Table.

Al aparecer la tabla de atributos se debe agregar una columna para insertar las

elevaciones d elas curvas. Options Add Field.

Se llenan los respectivos Campos: Name: Elevacin Type: Double

Se activa el editor ( Editor Star Editing)

Se hace click con el puntero derecho del mouse sobre la casilla de la primera columna, y se selecciona la opcin de Zoom To, para observar la curva de nivel seleccionada y asi identificar en la imagen el valor de elevacin.

Una vez identificado el valor de elevacin se hace click sobre la casilla correspondiente en la columna de elevacin y se digita este valor (se sigue el mismo procedimiento para todas las curvas).

6. TRAZO DE DRENAJES

Se desplegan las herramienta (Show/Hide ArcToolBox Window) Se hace click en Data Management Tools Feature Class Create Feature Class

Se llenan los respectivos campos que aparecen en la ventana

Feature Class Location La Carpeta donde se va a guardar el Layer

Feature Class Name Nombre del Layer Geometry Type Se debe seleccionar el pertinente ya sea Polgono, Punto, Polilnea o Multipunto: para el caso se van a trazar Drenajes, se debe seleccionar Polilnea.

Se da click en en Editor y se desplega el men, se inicia el editor en Star Editing.

Se debe verificar que en el campo Target de la barra de herramientas de Editor Aparezca el layer a usar activo.

Para trazar los drenajes se debe hacer click en el icono (Sketh Tool), la cual se encuentra en la barra de herramientas Editor; sobre la imagen se traza el drenaje dando cliclk a lo largo del drenaje tratando de conservar su geometra, al llegar al final del drenaje se debe hacer doble click para finalizar.

7. ELABORACIN DE MODELO DE ELEVACION

Se desplegan las herramienta (Show/Hide ArcToolBox Window)

Se hace click en Data Management Tools Feature Feature Vertices To Points .

Se llenan los respectivos campos: Input Features: Se hace click en la flecha y se selecciona el layer de las curvas. Outout Feature Class: Se asigna el nombre al nuevo layer y la Carpeta donde se va a guardar el este. Point Type: ALL.

Las curvas de nivel se transforman a puntos

Se activa la herramienta Spatial Analyst , Click derecho sobre la barra de herramientas

Click en Spatial Analyst

En esta barra se desplaza a Spatial Analyst y despliega el men Interpolate To Raster Se aplican cada uno de los tres mtodos que aparecen para seleccionar el idneo (Inverse Distance Weighted , Spline y Kriging)

Se debe llenar los campos necesarios en la ventana que aprece: Input Points: Curvas de Nivel_FeatureVerticesT Z value field: Elevacion

Search Radius Type: Fixed Output Raster: Nombre del Archivo de Salida y carpeta de localizacin