Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas

1 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas

Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas

Pedro Rau Investigador asociado. Universidad Nacional de Ingeniería. FIC. IMEFEN. Lima. Perú

[email protected]

Tutorial 1: Obtención de curvas de nivel desde el Google Earth a través del

Autocad Civil 3D 2012

La aproximación cartográfica de cuencas, siempre está limitada a la disponibilidad de datos,

generalmente es en las microcuencas o quebradas donde es casi imposible de encontrar

detalles a escalas necesarias. Esta vez desarrollaremos un tutorial sobre la extracción de

curvas de nivel en una microcuenca contenedora de un santuario rupestre (Pintish Machay)

con el fin de incrementar la base de datos en esta área (Tarma, Perú).

1. Observaciones: En vista que la versión del Autocad Civil 3D 2013 ya no trae consigo la

interface de intercambio con el Google Earth y que Autodesk ya no proporciona la utilidad

gratuita para hacerlo directamente desde el Autocad 2012 y tampoco hay planes para su

actualización al Autocad 2013. Hemos visto por conveniente actualizar un post anterior

realizado para el Autocad Civil 3D 2008. Los resultados de esta actualización en el Autocad

Civil 3D 2012 es muy satisfactorio, por ello nuestro deseo de compartirlo con todos ustedes.

2. Recomendaciones: a. Es cierto que podemos obtener curvas de nivel a cada metro desde el Google Earth, pero

nunca esta aproximación por interpolación triangular se asemejará a una topografía en campo.

b. Es posible su empleo en la realización de estudios a nivel perfil o en la obtención de

resultados donde el metrado de áreas y longitudes sea expresado en grandes escalas (Km o

Km2).

c. El ajuste y corrección de las curvas obtenidas depende en gran manera del conocimiento en

campo, se recomienda comparar con levantamientos topográficos realizados en campo

cercanos a la zona del proyecto o cartografía regional.

d. Preferible de emplearlo en áreas agrestes de topografía encañonada o montañosa. En las

áreas llanas o de desembocaduras, las curvas requieren un mayor ajuste llegando incluso a

estar fuera de la realidad.

3. Comencemos: a. La imagen de Google Earth deberá tener una altura máxima de 8 a 10 Km, esto se puede ver

en la parte inferior derecha del programa. La razón es debido a la curvatura terrestre, si

pudiereis analizar con alturas mayores y comparar con una cartografía o topografía real, se

obtendría áreas proyectadas menores a las reales. Después se deberá configurar el sistema

geográfico bajo el cual se trabajara (en este caso UTM) en la pestaña Herramientas ->

Opciones.


Fig. Desde el Google Earth visualizar desde una altura máxima aprox., de 10Km.

2. En el Autocad Civil 3D 2012, ya no es necesario emplear ningún tipo de plantilla, solo

configurar directamente el “Drawing1” por defecto, ubicarse en la columna izquierda e ir a la

pestaña vertical Settings. En dicha ventana trabajar con una escala recomendable de 1:500

(variable), escoger el Datum (en este caso UTM WGS84) y la zona respectiva para el sistema

de coordenadas (Zona 18 Sur, en esta zona de Perú). Click en Apply y después Ok.

Fig. Configuraciones del sistema de coordenadas en el Autocad Civil 3D 2012 (deberá ser

similar al del Google Earth).


3. Ir a la pestaña Insert, y aparecerá las opciones de Google Earth, elegir Google Earth

Images and Surface. Después aceptar el uso de coordenadas establecidas. Esta opción

permite directamente georeferenciar la imagen con el sistema geográfico del Google Earth y

del Autocad Civil, para ello verificar la orientación Norte de nuestra imagen en el Google

Earth.

Figs. Exportando los datos desde el Google Earth

4. Una vez obtenido las curvas de nivel como bloque, podemos visualizar el modelado del

terreno en 3D, para ellos hacer click derecho en el bloque y seleccionar Object Viewer, en la

ventana de visualización elegir el método "Realistic". Esta ventana puede grabarse como

imagen, cerrarla y continuar trabajando con el bloque de curvas.


Figs. Visualización de las curvas de nivel.

5. Para editar la separación del desnivel y el numero de curvas en el bloque obtenido, hacer

click derecho en el bloque de curvas y elegir Surface Properties, podemos elegir por defecto

el valor de 2m de desnivel en curvas secundarias y 10 m como principales, o incluso elegir 1m

de desnivel como secundarias y cada 5 m las principales, eso queda a vuestro criterio.


Fig. Surface Properties.

6. Finamente, obtenemos las curvas de nivel como polilíneas (con su cota respectiva en

propiedades) haciendo uso del comando "Explode" seleccionando todo el bloque, podemos

eliminar la imagen del Google Earth que se encuentra como fondo. Posteriormente es

obligatorio el traslape de otras fuentes de información, en este caso poseemos la cartografía de

este sector con curvas de nivel cada 50 m (líneas naranjas), una capa de ríos y quebradas

(color cyan) con lo cual podemos ajustar las curvas obtenidas. El resultado es una cartografía

más detallada en zonas agrestes. Específicamente la zona de interés, un macizo kárstico con

presencia de cuevas tuvo una representación aceptable.

Fig. Comparación de curvas obtenidas desde el Google Earth y cartografía de gran escala.


Tutorial 2: Representación raster del terreno, delimitación de cuencas y

aproximación a su comportamiento hidrológico a través del ArcGis 10.

La caracterización fisiográfica de una cuenca consiste en describir sus diferentes formas

superficiales en función de parámetros altimétricos y planimétricos capaces de modelar la

cartografía de una unidad hidrográfica. La parte esencial de este análisis representa la

delimitación de cuencas, la cual desde el punto de vista cartográfico se ha visto beneficiada

por la tecnología y ahora es posible de obtenerlas de forma exacta y rápida como parte de una

base de datos visual y numérica. Por otro lado, las antiguas metodologías para la estimación

de estos parámetros geométricos en relieves complejos aun se resisten a desaparecer y de vez

en cuando se convierten en irrefutables herramientas en el tablero y campo.

1. Representación raster del terreno

La delimitación de pequeñas cuencas y la identificación de sus redes de flujo, bien pueden

realizarse a pulso, mediante algún software de dibujo a escala como el Autocad o el propio

ArcGis, el cálculo de su geometría también puede realizarse independientemente. Pero si

tratamos con superficies de mayor extensión y complejidad, el trabajo se transforma en algo

tedioso, pudiendo incluso perder la precisión debido al error humano. Para ello es necesario el

empleo de entidades digitales capaces de representar la topografía de la cuenca y extraer

numéricamente sus parámetros en un tratamiento pixel por pixel. Este formato del tipo

grillado se denomina raster de elevación y se genera a partir de las curvas de nivel o también

pueden obtenerse a partir de misiones cartográficas satelitales vía internet.

1.1. Raster obtenido a partir de curvas de nivel

Es la forma más exacta de representar un raster, se realiza con los datos propios de una

topografía. Si poseemos alguna capa de curva de nivel (formato .shp) con las cotas respectivas

pero sin estar referenciada a algún sistema de coordenadas, el proceso es el siguiente:

1.1.1. Abrimos el ArcGis10 y cargamos las capas con el botón Add data (en este caso:

curvas.shp que contiene las cotas en cada polilínea y ríos.shp que solo servirá de

referencia; definimos el sistema de coordenadas (obligatorio en el ArcGis10, si no

definimos el sistema de coordenadas, las herramientas y extensiones no trabajaran),

para ello ir a: ArcToolbox - Data Management Tools – Define Projection y cargar

la capa a definir la coordenada (curva.shp) y colocar en este caso el sistema UTM-

WGS84-Zona 18 Sur (en el listado Select - Projected Coordinates - UTM - WGS84 -

Southern Hemisphere). Se generara otra capa con el sistema de coordenadas indicado

(ejm: curvas_project3).


Fig. Definición del sistema de coordenadas

1.1.2. Si se tiene una extensa información topográfica, a veces es necesario definir mediante

un polígono el área de estudio (cuidando de no cortar la cuenca de interés), siendo este

ítem 1.1.2, OPCIONAL. En el ArcGis10 abrimos el ArcCatalog - en el

directorio, elegir la carpeta de trabajo, click derecho – New – Shapefile - Otorgar un

nombre (ej: limite.shp), el tipo (Polygon) y el sistema de coordenadas de trabajo – Ok.

Para dibujar el polígono ir a Editor - Start Editing (o dar click derecho en la capa

limite.shp generada – Edit Feature – Start Editing), se abrirá una ventana derecha

llamada “Create Features” en donde se mostraran las capas a editar, seleccionamos

limite.shp y se activaran inferiormente las formas de dibujo, seleccionar Polygon y

estaremos listos para dibujar. Al término del dibujo dar dos clicks y Stop Editing. [Si no se mostrara la capa vacía a dibujar dentro de la ventana Create Features, se deberá configurar:

previamente: hacer stop editing y se cerrara la ventana Create Features; después dar click derecho a la

capa (vacía) – Edit Feature – Organize Feature Templates – New template y activar las capas de

interés.]


1.1.3. Mantenemos la metodología clásica que se viene empleando desde el ArcView, esto

es, definir primero un TIN (Modelo Digital del Terreno) para su posterior conversión

en Raster (Grid). En el ArcGis 10 se deberán activar las extensiones 3D Analyst y

Spatial Analyst, en el menú superior Customize. Después activar las siguientes

opciones clásicas: Create TIN from feature y Tin to Raster, esto es posible dando

click derecho en el menú de herramientas - Customize – pestaña Commands –

seleccionar 3D Analyst y aparecerán todas sus herramientas - elegir esas dos opciones

clásicas y arrastrarlos al menú 3D Analyst creado en la barra de herramientas.

El proceso ya es conocido, dar click en Create TIN from feature, elegir la capa ejm:

curvas.shp y seleccionar como Height source al nombre de la columna donde se

ubican las cotas (en este caso Z) en el modo de triangulación le damos la categoría de

Soft, después elegimos la capa del polígono limite (dibujado previamente) y elegir

None como Height Source. Dar la ruta y nombre donde grabar el TIN a generarse.

Fig. Creación del TIN

Una vez obtenido el TIN, dar click en TIN to Raster en el menú 3D Analyst,

seleccionar el TIN obtenido, el atributo de elevación y el tamaño de las celdas del grid,

podemos colocar 10 m para nuestro caso. Dar la ruta y nombre del Grid a generarse.

Fig. Conversion a un raster de 10x10 m


1.2. Raster obtenido del proyecto ASTER GDEM (Global Digital Elevation Map), en

conjunto con la NASA (EEUU) y METI (Japón), se convierte en la mejor aproximación

topográfica del planeta con una resolución de 30 m x 30 m por grilla. Fue puesto a disposición

el año 2009 vía subscripción en la página web siguiente: http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp/

Figs. Superior - Cuadro de selección de grillas con varias opciones, incluso para cortar el

raster con un polígono definido por el usuario. Inferior - Resolución del raster, se empleo una

capa de ríos oficial para verificar la definición de quebradas y valles, siendo muy satisfactorio

dicha comparación.

1.3. Raster SRTM de la misión topográfica Radar Shuttle, NASA-NGA. Hasta ahora es la

topografía del planeta con mayor uso con una resolución de 90 m x 90 m por grilla. Está

disponible gratuitamente desde el sitio web:

http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp

Se selecciona la grilla de trabajo, después en el botón: “Click here to begin search” y

continuar los pasos para descargar.

http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp/

http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp


Fig. Grillas globales del SRTM.

OBSERVACION: Los ítems 1.2 y 1.3 ofrecen rasters en coordenadas Geográficas, su

conversión respectiva al sistema UTM se deberá efectuar en el ArcGis 10. Para ello ir a

ArcToolbox – Data Management Tools – Projections and Tranformations – Raster – Project

Raster y definir las coordenadas geográficas de origen y la de salida: UTM WGS 84 Zona 18

sur para nuestro caso. Se realizara la conversión y se generara una raster proyectado. Para su

visualización correcta de unidades deberá configurarse el área de trabajo en View – Data

Frame Properties – Coordinate System y elegir las coordenadas nuevas UTM.

2. Delimitación de cuencas y aproximación a su comportamiento

hidrológico En el ArcGis 10 viene incluido la aplicación Hydrology dentro de la extensión Spatial

Analyst, esto nos permitirá obtener rápidamente el límite de la cuenca, así como su red de

drenaje.

2.1. Cargamos el Raster de la zona de estudio (obtenido en 1) y pulsar en ArcToolbox –

Spatial Analyst Tools – Hydrology. Comenzamos con la aplicación Fill para poder rellenar y

completar aquellas zonas no bien definidas en nuestro raster, elegimos el raster y damos OK

(podemos otorgar un límite de cota Z, es opcional).


Fig. Relleno de vacios del raster.

2.2. Pulsamos en Flow Direction, para obtener el raster de dirección del flujo.

Seleccionamos el raster rellenado y OK. De igual modo continuamos con Flow Acumulation,

seleccionando el raster Flow Direction en la ventana respectiva y OK.

Fig. Raster de dirección del flujo.


Fig. Red hidrográfica vía la acumulación del flujo.

2.3. El raster Flow Acumulation, muestra una red hidrográfica aproximada muy densa en el

mayoría de casos, para poder reducir esta densidad y evitar identificar como curso de agua

cualquier depresión continuo del relieve, se empleara la herramienta Con (condicional) con el

cual es posible disminuir esta densidad en función del Value de esta identidad. Pulsamos en

Spatial Analyst Tools – Conditional – Con. Dentro de la casilla Expression, colocar la

relación VALUE > 500 con el cual se reducirá la densidad del sistema de drenaje (a mayor

valor se obtendrá menos densidad, recomendable aumentar dicho valor en cuencas de mayor

extensión).

Fig. Edición de la densidad de la red de drenaje.


2.4. Continuamos con las herramientas hidrológicas del Spatial Analyst, pulsamos sobre

Stream to Feature, para extraer la red de drenaje y convertirla en un .shp. En dicha ventana

seleccionamos el raster condicionado en el paso anterior y el raster del Flow Direction y OK.

Fig. Extracción de la red de drenaje.

2.5. La definición de la cuenca hidrográfica será posible con la definición de un punto de

salida (en formato shape e interpolado con el raster). Creamos una capa tipo punto en el Arc

Catalog , dibujamos el punto de salida. Después pulsamos en el ArcToolbox - 3D Analyst

Tools - Functional Surface - Interpolate Shape, para obtener nuestro punto con su coordenada

(Este, Norte, Cota). Si se desea obtener cuencas desde varios de puntos de salida, esta capa de

puntos puede contener todas las salidas de interés y con el proceso siguiente es posible

obtener todas las cuencas deseadas. Vamos a Watershed y seleccionamos el raster de Flow

Direction y la capa de puntos y OK.


2.6. Una vez obtenida la cuenca delimitada en formato raster, se procede a convertirla en

formato .shp, para ello pulsamos en ArcToolbox – Convertion Tools – From Raster – Raster

to Polygon. En la ventana correspondiente seleccionamos la cuenca raster delimitada y OK.

Fig. Obtención de la cuenca en shape a partir del raster


2.7. Para la obtención de los parámetros de la cuenca, sugerimos lo siguiente.: El área y

perímetro de la cuenca se encuentra en la tabla de datos del mismo shape . La capa shape de la

red de drenaje, permitirá seleccionar el curso principal e ir sumando los tramos identificados

en la tabla de datos, con ello se obtendría la longitud del curso principal de la cuenca. La

pendiente media de la cuenca, es posible obtenerla con la generación de un raster de

pendientes desde un TIN (en el paso 1.1.3 se obtuvo un raster de elevaciones desde un TIN).

Simplemente escoger el atributo Slope (as percentaje) en lugar de Elevation, después

interpolar la capa shape de la red hídrica con respecto a este raster de pendientes obtenido, y

se obtendrán las pendientes de los cursos de agua, en general puede promediarse este valor o

en su defecto hacer un análisis con reclasificación en el Spatial Analyst Tools.

En nuestro caso:

Se obtienen los siguientes datos:

Área de la cuenca (A) = 12.04 Km2

Perímetro de la cuenca (P) = 18.25 Km

Longitud del curso principal (L) = 7.19 Km

Pendiente media de cuenca = 7%

Podemos cuantificar y describir el comportamiento de la cuenca desde el punto de vista

fisiográfico mediante el cálculo de algunos índices de forma:

Factor de forma de la cuenca = Area / Longitud 2 = 0.23, si tiene un menor valor entonces

tiende menos a concentrar las intensidades de lluvia

Indice de compacidad (índice de Gravelious) = 0.28 P / √A = 1.47; es una cuenca alargada y

reduce la posibilidad de ser cubierta totalmente por una tormenta

© 2012 Hydronotes Eds.

Fuente:

https://www.slideshare.net/Hydronotes

http://pedrorau.blogspot.com

Engineering

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