SIG aplicado al Cálculo de los valores de altura ortométricausando un Modelo de Ondulación Geoidal
SIG aplicado a diseño hidrologico de proyectos de conservación de suelo y agua
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“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN” Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Producción Rural Sustentable en Zonas Prioritarias SIG APLICADO AL DISEÑO HIDROLÓGICO DE PROYECTOS COUSSA
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“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA,
DESARROLLO RURAL, PESCA Y
ALIMENTACIÓN” Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Producción Rural Sustentable en Zonas Prioritarias
SIG APLICADO AL DISEÑO HIDROLÓGICO DE
PROYECTOS COUSSA
i
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ............................................. 1
2. OBJETIVOS ..................................................... 1
3. GENERALIDADES DEL SIG .............................. 1
3.1. Qué es un SIG ........................................... 1
3.2. Construcción de bases de datos geográficas ......................................................... 1
3.3. Topologías, modelos de datos y tipos de SIG ………………………………………………………………….2
3.3.1. SIG Vectoriales ....................................... 2
3.3.2. SIG Raster ............................................... 3
3.3.3. SIG Orientados a Objetos ....................... 3
3.4. Aplicaciones del ArcGis a obras COUSSA . 4
4. INFORMACIÓN PARA LA INTEGRACIÓN DE UN SIG ........................................................... 4
5. MANEJO DE INFORMACIÓN TOPOGRÁFICA . 5
5.1. Información requerida ............................. 5
5.2. Procesamiento de información ................ 5
5.2.1. Ubicación del sitio en Google Earth ....... 5
5.2.2. Descarga del modelo digital de elevaciones (MDE) ................................. 6
5.2.3. Tratamiento del MDE ............................. 7
5.2.4. Delimitación de la cuenca con la extensión ArcHydro de ArcGis ............. 11
5.2.5. Definición de cauces y microcuencas dentro del MDE .................................... 12
5.2.6. Delimitación de la cuenca y cauce principal ............................................... 18
5.2.7. Parámetros de la cuenca y del cauce .. 22
5.2.8. Diagrama de flujo del proceso de delimitación de una cuenca ................. 23
5.3. Generación de curvas a nivel ................. 23
6. MANEJO DE INFORMACIÓN CLIMÁTICA ..... 23
6.1. Gestión de la Información ...................... 23
6.2. Procesamiento de información .............. 24
6.2.1. Media aritmética .................................. 25
6.2.2. Polígonos de Thiessen .......................... 27
6.2.3. Método de las isoyetas ........................ 27
7. MANEJO DE INFORMACIÓN TEMÁTICA ...... 28
7.1. Uso de suelo y vegetación ...................... 28
7.1.1. Características físicas del suelo ............ 28
7.2. Edición de mapas.................................... 29
7.2.1. Plantilla de plano ................................. 29
7.2.2. Tamaño del papel ................................ 29
7.2.3. Unidades de la vista ............................. 30
7.2.4. Coordenadas del mapa ........................ 30
7.2.5. Retícula de coordenadas ...................... 31
7.2.6. Simbología, escala gráfica, norte y membrete ............................................ 31
7.2.7. Mapas finales ....................................... 32
8. PARÁMETROS DE DISEÑO ........................... 32
8.1. Volumen medio anual de escurrimiento 32
8.1.1. Coeficiente de escurrimiento .............. 33
8.2. Avenida máxima o escurrimiento máximo instantáneo ...................................................... 34
9. INTERFASE DE ARCGIS CON GOOGLE EARTH Y AUTOCAD ................................................. 35
9.1. ArcGIS/Google Earth .............................. 36
9.2. ArcGIS/AutoCAD ..................................... 36
10. BIBLIOGRAFÍA .............................................. 37
1
SIG APLICADO AL DISEÑO HIDROLÓGICO DE PROYECTOS COUSSA
1. INTRODUCCIÓN
Los Sistemas de Información Geográfica (SIG)
cuentan herramientas que permiten su
aplicación a una amplia gama de estudios y
proyectos; entre los cuales se pueden mencionar
los relacionados con la Conservación y Uso
Sustentable de Suelo y Agua (COUSSA).
La manipulación y procesamiento de base de
datos en ArcGis 9.3 permiten obtener, de
manera práctica y sencilla, parámetros
necesarios para un estudio en el manejo de los
recursos naturales (agua, suelo, vegetación),
permitiendo la planeación y proyección de
infraestructura para su preservación.
Este instructivo está orientado al uso del ArcGis
9.3, indicando los principios básicos para la
determinación de parámetros que se necesitan
en el diseño de obras y prácticas COUSSA,
además de explicar cómo se manejan algunas de
sus aplicaciones.
2. OBJETIVOS
Simplificar el proceso para la obtención de
parámetros geográficos que intervienen en
estudios hidrológicos, estructurales e
hidráulicos de obras COUSSA.
Conocer las capacidades técnicas del ArcGis.
Identificar los procedimientos para la
importación/exportación de datos
geográficos en formatos útiles.
3. GENERALIDADES DEL SIG
3.1. QUÉ ES UN SIG
El término SIG procede del acrónimo de Sistema
de Información Geográfica, en inglés Geographic
Information System (GIS). Técnicamente se
puede definir un SIG como una tecnología de
manejo de información geográfica, formada por
equipos electrónicos (hardware) programados
adecuadamente (software) que permiten
manejar una serie de datos espaciales
(información geográfica) y realizar análisis
complejos con éstos, siguiendo los criterios
definidos por el personal técnico.
Los elementos que constituyen un sistema de
estas características son:
1. Hardware.
2. Software.
3. Datos geográficos.
4. Personal técnico (operador del sistema).
3.2. CONSTRUCCIÓN DE BASES DE DATOS
GEOGRÁFICAS
La construcción de una base de datos geográfica
implica un proceso de abstracción para pasar de
la complejidad del mundo real a una
representación simplificada y accesible para el
lenguaje de los ordenadores actuales mediante
puntos, líneas o polígonos (objetos geográficos).
Y para definir las relaciones espaciales entre los
objetos geográficos se emplea la topología, la
2
cual emplea un método matemático-lógico, ver
Figura 1.
Figura 1. Capas para la construcción de base de datos.
Existen diversas formas de modelar estas
relaciones entre los objetos geográficos.
Dependiendo de la forma en que ello se lleve a
cabo se tiene uno u otro tipo de Sistema de
Información Geográfica dentro de una estructura
de tres grupos principales:
1. Vectoriales (Figura 2).
2. Raster (Figura 2).
3. Orientados a objetos.
3.3. TOPOLOGÍAS, MODELOS DE DATOS Y
TIPOS DE SIG
En función del modelo de datos implementado
en cada sistema, podemos distinguir tres grandes
grupos de Sistemas de Información Geográfica:
1) SIG Vectoriales, 2) SIG Raster y 3) SIG con
modelo de datos Orientados a Objetos.
Existen diferencias entre tales sistemas; por
ejemplo los vectoriales utilizan vectores
(básicamente líneas), para delimitar los objetos
geográficos, mientras que los raster utilizan una
retícula regular para documentar los elementos
geográficos que tienen lugar en el espacio.
Figura 2. SIG vectoriales y raster.
3.3.1. SIG Vectoriales
Son aquellos Sistemas de Información Geográfica
que para la descripción de los objetos
geográficos utilizan vectores definidos por pares
de coordenadas relativas a algún sistema
cartográfico.
Con un par de coordenadas y su altitud ubican
un punto, con dos puntos generan una línea
(Figura 3), y con una agrupación de líneas forman
polígonos (Figura 4).
3
Figura 3. Arreglo topológico de una línea.
Figura 4. Arreglo topológico de un polígono.
3.3.2. SIG Raster
Estos sistemas basan su aplicación en un marco
implícito de las relaciones de vecindad entre los
objetos geográficos. Su proceso implica dividir la
zona de estudio en una retícula o malla regular
de pequeñas celdas, a las que se les denominada
pixels y atribuye un valor específico como
representación de su valor temático (Figura 5).
Para tener una descripción precisa de los objetos
geográficos, contenidos en la base de datos, el
tamaño del pixel ha de ser reducido (en función
de la escala), lo que dotará a la malla con
mayores detalles geográficos; sin embargo, a
mayor número de filas y columnas en la malla
(más resolución) corresponden mayor esfuerzo
en el proceso de captura, mayor capacidad de
almacenamiento y mayor poder de
procesamiento requerido.
Figura 5. Organización de la información en el modelo de
datos raster.
3.3.3. SIG Orientados a Objetos
Los SIG orientados a objetos (Figura 6) plantean
un cambio en la concepción de la estructura de
las bases de datos geográficas; mientras los
modelos de dato vectorial y raster estructuran su
información mediante capas, los sistemas
orientados a objetos intentan organizar la
información geográfica a partir del propio objeto
geográfico y sus relaciones con otros.
Los SIG orientados a objetos introducen un
carácter dinámico a la información incluida en el
sistema, a diferencia de los modelos de datos
vectoriales y raster que tienen un carácter
estático.
Estos sistemas son más apropiados para
situaciones en las que la naturaleza de los
objetos que se desea modelar cambia en el
tiempo y/o en el espacio.
4
Figura 6. Modelo de datos orientados a objetos.
3.4. APLICACIONES DEL ARCGIS A OBRAS
COUSSA
En el presente instructivo se propone el uso del
ArcGis dado que este SIG se basa - para la
captura, edición, análisis, tratamiento de la
información- en el arreglo topológico ARC-INFO;
el cual se fundamenta en conceptos de
proximidad que han sido suficientemente
probados para análisis de consistencia,
conectividad, compacidad, metricidad,
clasificación, etc. Además este software contiene
herramientas suficientes para el diseño, e
impresión de la información geográfica.
El uso de ArcGis permite simplificar la gestión de
datos espaciales útiles para el diseño hidráulico y
estructural de obras COUSSA. Entre los
principales datos básicos para diseño, se
encuentra la caracterización de cuencas a través
Modelos Digitales de Elevación (MDE) en
formato raster para el trazo de parteaguas,
cálculo de áreas, perímetro, longitud de cauces,
pendiente, entre los más importantes. Por otro
lado, para el diseño, ArcGis permite el manejo de
datos temáticos en formato vectorial (shapefile)
de clima, suelos, hidrología, temperatura,
precipitación, evapotranspiración, hipsometría,
geología, topografía y vegetación, entre otros.
En general, el ArcGis simplifica el proceso de
obtención de las variables que intervienen en
estudios hidrológicos, estructurales e hidráulicos
para el diseño de obras COUSSA.
4. INFORMACIÓN PARA LA
INTEGRACIÓN DE UN SIG
Es importante tomar en cuenta que desde la
toma de datos con GPS (Global Position System),
se debe manejar el sistema de coordenadas UTM
(Universal Transversa de Mercator) con el Datum
WGS84 (World Geodetic System 1984) para su
fácil manejo y procesamiento posterior en
Google Earth. En ArcGis se puede cambiar de
sistemas de coordenadas si es necesario; lo
anterior permite manejar formatos vectoriales
(shapefiles) de diferente temática del sitio y
sobreponerlos para conocer las características
del área de estudio.
Entre las páginas web que ofrecen información
para la integración de un GIS, se encuentra el
Instituto Nacional de Estadística y Geografía
(INEGI) y la Comisión Nacional para el
Conocimiento y Uso de la Biodiversidad
(CONABIO).
De la página de CONABIO
(http://www.conabio.gob.mx/informacion/gis/)
se puede descargar una base de datos
geográficos, con clases temáticas (topografía,
hidrología, edafología, geología, climatología,
vegetación y uso de suelo, división política,
población, infraestructura, regionalización,
biodiversidad y productos satelitales), la página
de la CONABIO está disponible en línea de
5
manera gratuita en formato shapefile y en dos
sistemas de referencia: 1) coordenadas
geográficas (grados, minutos y segundos) y 2)
coordenadas métricas (Conformación Cónica de
Lambert o UTM) con los parámetros de Datum
WGS84.
En la página del INEGI se pueden consultar los
servicios de WMS y tener acceso desde otros
Sistemas de Información Geográfica, topográfica,
límites estatales y municipales y recursos
naturales, entre otros, en formatos compatibles
con ArcGis. También se pueden consultar las
ortofotos, mapas digitales de México, datos de
relieve, recursos naturales, entre otros. Estos
están georreferenciados con el Datum ITRF 1992
y con una proyección geográfica.
Al momento de trabajar con estos archivos es
necesario homogenizar los sistemas de
representación y Datum para su procesamiento.
5. MANEJO DE INFORMACIÓN
TOPOGRÁFICA
5.1. INFORMACIÓN REQUERIDA
El ArcGIS 9.3 es el software que se utiliza en el
presente instructivo para la caracterización de
una cuenca hidrográfica, empleando para ello la
extensión ArcHydro Tools 9.0, el cual es
necesario instalar de forma independiente y se
puede obtener de página de Enviromental
Systems Research Institute (ESRI)1.
1http://support.esri.com/en/downloads/datamodel/detail/15
En los siguientes procedimientos de análisis
topográfico se requiere de un Modelo Digital de
Elevaciones (MDE), el cual puede, por ejemplo,
ser obtenido del servidor del INEGI2.
5.2. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
5.2.1. Ubicación del sitio en Google Earth
La ubicación geográfica de la boquilla de una
presa en la cuenca hidrológica o cualquier sitio
de interés se puede hacer mediante la toma de
las coordenadas del punto con GPS o
directamente de la cartografía digital disponible.
En la Figura 7, se localiza en el Google Earth la
boquilla para una presa de almacenamiento
levantada con GPS (en coordenadas geográficas
con Datum WGS84), esto se hace siguiendo los
pasos: Añadir/Marca de posición y en los
recuadros que aparecen introducir las
coordenadas geográficas del punto (Figura 8).
Figura 7. Ubicación del sitio de obra.
2http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/datosrelieve/continental/Descarga.aspx
6
Figura 8. Insertar puntos del GPS en Google Earth.
Para esto, se configura el Google Earth de tal
manera que exprese las coordenadas en grados y
minutos decimales, para ello usamos los menús
Herramientas/Opciones (Figura 9).
Figura 9. Configuración de Google Earth.
Las coordenadas de la boquilla se transforman a
coordenadas UTM, procedimiento que puede
realizarse directamente en internet o a través de
una hoja de cálculo en Excel con las formulas
correspondientes. Las coordenadas en UTM se
guardan igualmente en Excel (Figura 10).
Figura 10. Coordenadas UTM de la ubicación de la obra.
5.2.2. Descarga del modelo digital de
elevaciones (MDE)
La página del INEGI, para la descarga del MDE,
requiere de las coordenadas extremas de los
datos solicitados. Para identificar dichas
coordenadas, usando Google Earth, se procede
como sigue: se ubican dos puntos como se
muestra en la Figura 11, mismos que deben
cubrir la superficie que abarca la cuenca de
estudio.
7
Figura 11. Puntos extremos de la superficie que encierra
la cuenca.
Una vez identificadas las coordenadas extremas
(rectángulo formado con puntos opuestos), en la
página del INEGI se elige la opción 1; que
permite alimentar las coordenadas extremas del
MDE que se desea descargar. Cabe aclarar que el
INEGI solo permite descargar dos grados
cuadrados.
Figura 12. Pantalla para descargar el MDE del INEGI.
La información descargada, comprimida en
formato ZIP, contiene cuatro archivos con
extensión: *.bil (band Interleaved by Line), *.hdr
(header data file) *.prj (projection data file) y
*.blw (world file for bil image). El primer archivo
corresponde a un archivo binario con los datos
crudos del DEM y los tres restantes incluyen
metadatos relacionados con el tamaño y
geometría del MDE, datos del sistema de
proyección e información del sistema de
georreferenciación respectivamente.
Cabe el aclarar que la información proporcionada
por el INEGI tiene las siguientes características:
Las alturas se guardan en valores enteros
con signo utilizando 16 bits para cada dato.
Cada dato corresponde a una celda de 1" x
1" (segundos de arco).
Las unidades de alturas (Z) están expresadas
en metros.
La información se proporciona en
coordenadas geográficas.
El Datum corresponde a International
Terrestrial Reference Frame 1992 (ITRF92),
elipsoide GRS80.
La distribución de los datos está en formato
.bil (Banda entrelazada por línea).
5.2.3. Tratamiento del MDE
Para definir la proyección en ArcGis, se inicia el
programa desde el icono de escritorio o en
inicio/todos los programas/ArcGIS/ArcMap.
Enseguida se inicia un nuevo mapa en blanco
dando click en ok (Figura 13).
Se agrega un nuevo tema dando click en la cruz
negra (Figura 14), el tema a agregar (MDE)
corresponde al archivo de extensión .bil que está
en la carpeta de trabajo GIS (la carpeta GIS del
ejemplo se creó directamente en “C”, se
recomienda crear la carpeta de trabajo en dicha
dirección, la cual debe contener la información
raster y vectorial a manejar durante el desarrollo
del SIG).
8
Figura 13. Inicio del ArcGIS 9.3. Nuevo mapa en blanco.
Figura 14. Agregar temas al espacio de trabajo.
Las acciones indicadas hacen aparecer un cuadro
en negro, ver Figura 15.
Figura 15. MDE en ArcGIS.
En la capa de trabajo (layer) se elige el MDE, con
click derecho y luego Properties; lo anterior
representa al terreno en relieve (Figura 16).
Figura 16. Propiedades del MDE.
Posteriormente se configura el MDE para
representar el relieve topográfico del terreno
(Figura 17).
9
Figura 17. Configuración del MDE para representar la
topografía del terreno.
Los pasos subsecuentes se muestran de la Figura
18 a la Figura 23.
Asignar el sistema de coordenadas que posee el
MDE, en este caso es el ITRF 1992, mediante el
comando Define Proyection (Figura 18).
Figura 18. Asignar las coordenadas originales del MDE
(ITRF1992).
Figura 19. Proyección del MDE a sus coordenadas
originales (ITRF1992).
Después se transforma el raster o MDE a la
proyección en que se trabajará (Project Raster),
esto es, a UTM zona 13 norte, en este caso se
trata de un área ubicada en el Estado de
Durango.
Figura 20. Proyección del MDE.
10
Figura 21. Proceso de cambio de proyección, de
coordenadas ITRF1992 a UTM 13N.
Figura 22. Fin de la proyección del MDE.
Se guarda el archivo, en la ruta de trabajo,
usando: File/Save As… (Figura 23).
11
Figura 23. Guardado del proyecto de trabajo en ArcGis.
5.2.4. Delimitación de la cuenca con la
extensión ArcHydro de ArcGis
Es importante mencionar que existen más
procesos para delimitar la cuenca, uno muy
práctico lo proporciona la herramienta
ModelBuilder (Figura 24) y la extensión
Hydrology de Spatial Analisyst Tools del menú
Arc ToolBox (Figura 25).
Figura 24. ModelBuilder de ArcGIS.
Los datos necesarios para este caso son, el MDE
y un punto de salida de la cuenca en formato
vectorial (shapefile).
Figura 25. Hydrology de Spatial Analisyst Tools.
Para usar la herramienta ArcHydro se sigue el
procedimiento descrito a continuación.
Se inicia un nuevo proyecto en el programa
ArcGIS 9.3. El MDE, previamente proyectado, se
agrega a la ventana de trabajo mediante el icono
que se muestra en la Figura 26.
Figura 26. Insertar el MDE en la ventana de trabajo.
Se elige la dirección, como se muestra en la
Figura 27, donde se tiene almacenado el MDE en
coordenadas UTM.
Figura 27. Directorio de trabajo. Carpeta donde se
encuentra en MDE.
12
5.2.5. Definición de cauces y microcuencas
dentro del MDE
Para la delimitación hidrológica del MDE, a
través de ArcGis, se usará la extensión ArcHydro
Tools 9 (previamente instalada). Los pasos que se
muestran a continuación se introducen a través
de la barra de herramientas (Figura 28) que se
localiza en la parte superior de la ventana
principal de ArcGis.
Figura 28. Barra de herramientas de la extensión
ArcHydro Tools 9 de ArcGis 9.3.
La herramienta Terrain Preprocessing de
ArcHydro se utiliza para dar un tratamiento
previo al MDE con la finalidad de mejorar la
identificación del patrón de drenaje sobre la
superficie de análisis. Como proceso inicial se
recomienda usar Fill Sinks que tiene por objeto
rellenar depresiones en el MDE que impidan el
análisis del flujo de la red de drenaje (Figura 29).
Figura 29. Tratamiento del MDE para rellenar vacíos.
Una vez rellenados los hoyos vacíos, el paso
siguiente consiste en determinar la dirección del
flujo (Flow direction). Para los fines del presente
instructivo, se aceptan los valores que ArcGis
proporciona por default (Figura 30).
13
Figura 30. Determinación del patrón del flujo.
A continuación se usa la función Flow
Accumulation el cual crea el raster de
acumulación de flujo en celda (Figura 31).
Figura 31. Red de acumulación de flujo.
Para definir la densidad de las corrientes más
conveniente se emplea Stream Definition (Figura
32) como sigue.
14
Figura 32. Definición de la corriente.
La función Stream Segmentation crea una red de
segmentos con identificación única. Así,
cualquier segmento - en las partes altas o
intermedias- puede identificarse fácilmente. Esto
se muestra en las figuras siguientes.
Figura 33. Segmentación de la corriente.
La función Catchment Grid Delineation crea un
raster de áreas donde cada celda tiene un valor
único (grid code) asignado a la microcuenca que
pertenece. El valor asignado por este comando
corresponde al identificador del segmento de
corriente, definido en el paso anterior.
15
Figura 34. Delimitación de la red de captación.
La función Catchment Polygon Processing,
convierte las áreas de captación en polígonos de
captación, como sigue:
Figura 35. Convirtiendo las celdas de captación a
polígonos.
La función Drainage Line Processing convierte el
raster, definido en Stream Segmentation, en una
línea de drenaje en formato vectorial. Cada línea
lleva el identificador de la Microcuenca a la que
pertenece.
16
Figura 36. Procesamiento de la línea de drenaje.
Para unir todas las celdas de captación y sus
respectivas corrientes de flujo se usa la función
Adjoin Catchment Processing, lo cual facilita la
delimitación de una cuenca en pasos posteriores.
Figura 37. Cálculo de la unión de las celdas de captación.
Una vez que se hayan conformado las áreas de
captación, mediante Drainage Point Processing,
se procesan las salidas de las microcuencas de
drenaje (catchment) como sigue:
17
Figura 38. Procesamiento de los puntos de drenaje o
salida.
Para la identificación de la trayectoria más larga
y la longitud de cauce, (está conserva las
unidades del mapa, las cuales son metros, ya que
se está trabajando en coordenadas UTM), por
cada una de las áreas de captación, se emplea el
comando Longest Flow Path for Cathments como
se indica en la Figura 39:
Figura 39. Estimación de la trayectoria más larga de cauce
por área de captación.
La función Longest Flow Path for Adjoint
Catchments permite la generación de la
18
trayectoria de flujo más larga para las
captaciones (Figura 40).
Figura 40. Asociación de las trayectorias más largas con
las áreas de captación.
5.2.6. Delimitación de la cuenca y cauce
principal
Se agrega a la ventana de trabajo el punto de la
boquilla que se levantó con GPS o Google Earth,
para esto se seleccionan el siguiente menú:
Tools/Add XY Data… y se busca el archivo de
Excel donde se guardó el punto en coordenadas
UTM (Sección 5.2.1), como se presenta en la
Figura 41.
Figura 41. Agregar puntos X, Y a la ventana de trabajo.
En seguida se busca el archivo en el directorio
donde está guardado, como se muestra en la
Figura 42.
Figura 42. Buscar el archivo de Excel que contiene el
punto de la obra.
19
Se elige el archivo de Excel y se agrega (Figura
43).
Figura 43. Agregar el archivo de excel.
En la siguiente ventana, se elige la pestaña de la
hoja de cálculo donde está guardado el punto de
la boquilla (Figura 44).
Figura 44. Pestaña de la hoja de cálculo que almacena el
punto XY.
El punto no tiene un sistema de coordenadas
asociado, por lo que se le asigna las coordenadas
correspondientes, en este caso se trata de
coordenadas UTM en la zona 13 norte. En la
Figura 45 se muestra imagen donde se le da click
a Select… para elegir el sistema de coordenadas
del punto.
Figura 45. Asignar sistema de coordenadas al punto.
20
Figura 46. Proceso de asignación de coordenadas al punto
de la obra.
El punto agregado se muestra en la siguiente
ventana. En este caso el punto importado
(amarillo) se localizó a un costado del cauce
principal delimitado por el ArcGis. Lo que se trata
aquí es de reubicar la boquilla sobre la corriente
principal, apoyándose en el punto GPS
levantado.
Figura 47. Ubicación del punto de la boquilla de la cuenca.
En seguida se reubica el punto, mediante la
herramienta Point Delineation, lo cual permite
definir la cuenca de captación como se muestra
en las Figura 48.
21
Figura 48. Delimitación de la cuenca mediante un punto
de salida.
Para determinar la trayectoria del cauce principal
(el más largo) usamos el comando Watershed
Processing/Longest Flow Path como sigue (Figura
49).
Figura 49. Cálculo de la trayectoria más larga del cauce
principal.
22
5.2.7. Parámetros de la cuenca y del cauce
Para calcular la pendiente, la elevación máxima
y mínima y la longitud del cauce usamos los
comandos Watershed Processing/Longest Flow
Path Parameters/Flow Patch Parameters from
2D Line.
Figura 50. Cálculo de los parámetros del cauce principal.
Los parámetros calculados por ArcGis se
consultan a través de las tablas de atributos
generados, mismos que se abren con el botón
derecho del mouse sobre la capa del cauce
principal y la cuenca delimitada a través de Open
Attribute Table como se muestra a continuación.
Figura 51. Área de la cuenca.
23
Figura 52. Longitud del cauce principal y su pendiente.
5.2.8. Diagrama de flujo del proceso de
delimitación de una cuenca
Figura 53. Diagrama de flujo de delimitación de una
cuenca.
5.3. GENERACIÓN DE CURVAS A NIVEL
Para generar curvas de nivel se emplea la
extensión 3D Analyst, para ello es necesario
contar con el MDE del área de estudio. El
procedimiento se ilustra a continuación:
Figura 54. Creación de curvas de nivel.
6. MANEJO DE INFORMACIÓN
CLIMÁTICA
6.1. GESTIÓN DE LA INFORMACIÓN
La base de datos CLICOM es un manejador de
datos elaborado por la Organización
Meteorológica Internacional (WMO), el cual ha
adoptado la Comisión Nacional del Agua
(CONAGUA) a través de SMN (Servicio
Meteorológico Nacional), para la captura del
24
banco de datos climáticos histórico de la
República Mexicana. Para facilitar el acceso a la
información capturada el Instituto Mexicano del
Agua (IMTA) elaboró el Extractor Rápido de
Información Climatológica (ERIC). La información
contenida en el ERIC III consiste datos diarios de
estaciones reportadas, con las siguientes
variables climatológicas:
Temperatura observada °C (a las 8 hr).
Temperatura mínima °C.
Temperatura máxima °C (día anterior).
Precipitación 24 hr mm (de 8 a.m. a 8 a.m.).
Evaporación 24 hr mm (de 8 a.m. a 8 a.m.).
Tormenta 0=no hubo; 1=si hubo.
Granizo 0=no hubo; 1=si hubo.
Niebla 0=no hubo; 1=si hubo.
Cobertura del cielo 0=despejado;
1=medio nublado 2=nublado.
El catálogo de ERIC III consta de 6,063
estaciones, de las cuales alrededor de 5,450
cuentan con información de registros diarios.
Por otra parte, en la página de CONABIO3 se
reporta el archivo vectorial (shape) de las
estaciones meteorológicas (se incluye también el
correspondiente a las estaciones hidrométricas),
el cual es útil para ubicar las estaciones más
cercanas a la cuenca de estudio que brinden
información de precipitación buscada.
El procedimiento detallado para la estimación de
la precipitación media y para un determinado
3 http://www.conabio.gob.mx/informacion/gis/
periodo de retorno se describe en la ficha
técnica: “Hidrología aplicada a las pequeñas
obras hidráulicas”.
6.2. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
Para el análisis de la distribución espacial de la
precipitación se emplean las extensiones
Analysis Tools y 3D Analyst de AcrGIS 9.3.
Una vez que se obtuvo la capa o shape de las
estaciones climatológicas (por ejemplo, a través
de CONABIO), se cargan en el ArcGIS para
seleccionar las estaciones de influencia al sitio de
interés.
Figura 55. Estaciones meteorológicas cercanas al sitio de
estudio.
Enseguida, se verifica en el ERIC III si las
estaciones climatológicas cercanas cuentan con
información de precipitación suficiente para
nuestros propósitos.
25
Figura 56. Datos de precipitación para la estación 10051
Otinapa, Dgo.
Una vez seleccionadas las estaciones, con
suficientes datos, se procede a calcular los
valores de lluvia de diseño. Para las estaciones
con valores calculados de lluvia de diseño, se
procede inferir la distribución espacial de la
misma a través de los procedimientos siguientes:
media aritmética, polígonos de Thiessen y
método de las isoyetas.
6.2.1. Media aritmética
Para estimar el valor medio de la precipitación,
es necesario cargar los datos de lluvia de diseño
para cada una de las estaciones.
Figura 57. Datos de precipitación por estación.
En este procedimiento se genera un raster con
los datos de precipitación de las estaciones
siguiendo la ruta: 3D Analyst/Interpolate to
Raster/Natural Neighbors.
Figura 58. Grid de precipitación.
Usando el polígono de la cuenca, como máscara,
se extraen los valores de lluvia promedio anual
que ocurren dentro de ésta.
26
La ruta del comando en ArcGis es: Spatial Analyst
Tools/Extraction/Extract by Mask.
Figura 59. Recortar el grid de precipitación conforme a la
superficie de la cuenca.
Una vez recortado el grid de precipitación
promedio de la cuenca, se visualiza su tabla de
propiedades, en la cual se puede ver el valor
promedio de la precipitación en la pestaña
Source, como se muestra en la figura siguiente.
Figura 60. Valor medio de precipitación de la cuenca.
27
6.2.2. Polígonos de Thiessen
Para la generación de los polígonos se selecciona
la siguiente ruta: Analysis Tools/Proximity/Create
Thiessen Polygons.
Figura 61. Ruta para generar polígonos de Thiessen.
6.2.3. Método de las isoyetas
Para este procedimiento se usa el grid de
precipitación generado en el apartado de media
aritmética, se trazan las isoyetas en formato
vectorial (shape file) mediante 3D
Analyst/Surface Analysis/Contour…
Figura 62. Isoyetas.
28
7. MANEJO DE INFORMACIÓN
TEMÁTICA
La respuesta hidrológica de las cuencas está
condicionada por su topografía, vegetación y uso
del suelo, tipos suelos y precipitaciones. Dado el
gran volumen de información geográfica que
puede generar una cuenca, el uso ArcGis nos
permite manejar eficientemente dicha
información con fines de análisis y edición de
mapas temáticos. Dentro de esas capacidades de
análisis, que nos interesa en el presente
instructivo, está el procesamiento de volúmenes
de escurrimiento y gastos máximos instantáneos
-para los periodos de retorno recomendados- en
las diferentes obras y prácticas mecánicas
COUSSA.
7.1. USO DE SUELO Y VEGETACIÓN
Para la delimitación de áreas agrícolas, forestales
y de agostadero se pueden recurrir al INEGI o la
CONABIO para obtener estas capas temáticas en
formato digital. El INEGI cuenta con información
de tipos de suelo y uso actual del suelo y
vegetación (Serie IV) ambas en escala 1:250,000
y la CONABIO4 en su página web permite
descargar estas capas temáticas en formato
vectorial a escala 1:1’000,000.
7.1.1. Características físicas del suelo
Para la información recabada, se recomienda
hacer recorridos de campo para observar las
condiciones hidrológicas de la cobertura vegetal
4 http://www.conabio.gob.mx/informacion/gis/
y suelo con la finalidad de mejorar la estimación
de los coeficientes de escurrimiento que son
fundamentales para el diseño de obras COUSSA.
Figura 63. Uso del suelo en la cuenca de estudio.
Figura 64. Clasificación del suelo en la cuenca de estudio.
29
7.2. EDICIÓN DE MAPAS
Este proceso es la parte final de un proyecto
para presentar su información de forma gráfica.
El programa ArcGis simplifica la creación y
producción de mapas a través de sus
herramientas de edición disponibles y plantillas
para ser reutilizadas.
7.2.1. Plantilla de plano
Esto se hace iniciando un nuevo proyecto, se
elige la plantilla conveniente tal como se
muestra en las figuras siguientes.
Figura 65. Elegir plantilla de plano.
Posteriormente se jalan cada una de las capas
que contienen información que se desea
presentar, el procedimiento se muestra a
continuación.
7.2.2. Tamaño del papel
Es importante definir el tamaño del papel de
diseño del plano para no tener problemas en la
impresión de los mismos. El proceso para este
punto es el siguiente: File/Page and Print Setup.
Se elige el tamaño de papel, se recomienda
elegir el tamaño predefinido ANSI D, que
corresponde a un tamaño de 60 x 90 cm
aproximadamente, dichas dimensiones facilitan
el manejo de un plano en campo.
30
Figura 66. Tamaño de papel.
7.2.3. Unidades de la vista
Es importante definir las unidades de trabajo en
la vista para mover las diversas ventanas y
alinearlas en el plano. Para esto se da clic
derecho con el mouse sobre el área de trabajo,
se elige en la pestaña Layout view, las unidades
en centímetros, como se muestra en la figura
siguiente.
Figura 67. Unidades de la vista.
7.2.4. Coordenadas del mapa
Se definen las coordenadas del mapa, esto sirve
posteriormente para asignar una retícula con las
coordenadas y unidades del mapa.
Se selecciona el mapa y con clic derecho del
mouse se elige Properties, en la pestaña
Coordinate System se sigue la siguiente ruta:
Predefinided/Proyected Cordinated
Systems/UTM/GWS84/WGS 1984 UTM Zone
31
13N. Esto es para el caso de ejemplo, para la
situación correspondiente es necesario conocer
la zona UTM donde se localiza el lugar de
proyecto.
Figura 68. Sistema de coordenadas del mapa.
7.2.5. Retícula de coordenadas
Para crear una retícula sobre el mapa, se parte
de la mima ventana de la figura anterior, se elige
la pestaña Grids, en esta se agrega un nuevo grid
(New Grid), ver Figura 69.
Figura 69. Asignar una retícula al mapa.
Se eligen las unidades del mapa, los intervalos
convenientes para la separación de líneas tanto
en el eje X como en el Y, el tipo y color de texto,
el tipo, grosor y color de líneas, así como los
bordes del mapa (Figura 70).
Figura 70. Retícula del mapa.
7.2.6. Simbología, escala gráfica, norte y
membrete
El arreglo de los demás elementos del mapa se
hace mediante la inserción de los elementos que
se requieran. En la barra de herramientas se
localiza el comando Insert, el cual contiene las
32
pestañas que se muestran en la figura siguiente.
Esto permitirá insertar: la simbología (Legend…),
Flecha del norte (North Arrow…), escala en texto
y barra (Scale Bar… y Scale Text…) e imágenes o
logos de las dependencias (Picture…).
Figura 71. Insertar diversos elementos del mapa.
7.2.7. Mapas finales
Los mapas finales se obtienen insertando cada
uno de los elementos que llevan, croquis de
localización, simbología, membrete, escalas,
notas y cuerpo del mapa, entre otros.
La edición de cada una de sus partes se puede
hacer dando clic derecho con el mouse sobre el
recuadro correspondiente y posteriormente
elegir propiedades y en la ventana que aparece
se pueden modificar los diversos elementos que
integran al cuadro.
Figura 72. Presentación de mapas con información final.
La impresión del mapa se puede ajustar a
diferentes escalas y tamaños de papel, esto se
hace ajustando la imagen a la escala
correspondiente al momento de configurar la
página y la impresión, como se vio en el punto
tamaño de papel.
8. PARÁMETROS DE DISEÑO
8.1. VOLUMEN MEDIO ANUAL DE
ESCURRIMIENTO
Para estimar el valor del volumen escurrido
anualmente se debe conocer previamente la
superficie de la cuenca, la precipitación
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promedio y el coeficiente de escurrimiento de la
cuenca, para este último se mostrara como
estimarlo en el presente apartado.
8.1.1. Coeficiente de escurrimiento
Para la estimación del coeficiente de
escurrimiento se sigue la NOM011-CNA-2000
donde se establecen las especificaciones para
determinar la disponibilidad media anual de
aguas nacionales superficiales para su
explotación y aprovechamiento.
En el apartado anterior se refirió al uso del suelo
y vegetación donde se puede observar que la
cuenca está cubierta por diferentes tipos de
vegetación y textura del suelo.
Ambas capas de información vectorial se cargan
en la ventana de trabajo, después se sobreponen
siguiendo la ruta: Analysis Tools/Overlay/Union
(Figura 73). Esto permitirá unir las dos capas con
la finalidad de tener en una misma base de datos
la información de uso de suelo y la textura o tipo
de suelo para asignarle el valor de Ce
correspondiente.
Figura 73. Función para unir capas.
La tabla de atributos del nuevo tema contiene
información de las dos capas unidas (Figura 74).
Figura 74. Tabla de atributos de la unión de dos capas.
La tabla de atributos se edita para asignar los
valores de Coeficiente de escurrimiento a cada
una de filas que corresponden a un tipo de
vegetación y un tipo de suelo.
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Se inserta un nuevo campo a la tabla de
atributos (Figura 75), este campo contendrá el
valor del coeficiente de escurrimiento, esto se
hará en base al anexo 1 de la ficha: “Hidrología
aplicada a las pequeñas obras hidráulicas”.
Figura 75. Calcular el valor de Ce.
Para obtener el valor promedio del Ce se da clic
derecho a la columna de Ce y se elige Statistics y
aparece el valor promedio de Ce (Figura 76).
Figura 76. Valor promedio de Ce.
Se tienen ya los datos necesarios para estimar el
valor medio del escurrimiento anual.
8.2. AVENIDA MÁXIMA O ESCURRIMIENTO
MÁXIMO INSTANTÁNEO
Una de las ventajas del ArcGis es que permite
obtener fácilmente y con precisión los valores
necesarios para el cálculo de la avenida máxima
y el volumen de escurrimiento (ver el instructivo
“Hidrología aplicada a las pequeñas obras
hidráulicas”).
Cuadro 1. Datos principales de la cuenca.
Concepto Valor Unidad
Área de la cuenca 2521970.00 m2
Longitud del cauce principal 3768.63 m
Pendiente 5.46 %
Coeficiente de escurrimiento 0.23 Adim
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El tiempo de concentración está en función de la
pendiente y de la longitud del cauce principal, y
se estima con la fórmula de Kirpich:
Donde:
Tc= tiempo de concentración, h.
S = pendiente del cauce principal, adim.
L = longitud del cauce principal, m.
Con estos datos se calcula el gasto medio anual:
Donde:
Q = escurrimiento máximo, en m3/s.
Ce = Coeficiente de escurrimiento, adim.
P = Lluvia media anual, en cm.
A = área de la cuenca, en ha.
Para estimar el gasto máximo de diseño anual, se
deben considerar las precipitaciones máximas
anuales en 24 horas, estos datos también se
pueden obtener del ERIC III.
9. INTERFASE DE ARCGIS CON
GOOGLE EARTH Y AUTOCAD
Tanto el ArcGis como el Google Earth, son
softwars que permiten manejar información
espacialmente distribuida y son capaces de
integrar, analizar, almacenar, compartir, editar y
mostrar la información geográficamente
referenciada.
El Google Earth es un programa informático que
permite visualizar el relieve de la superficie
terrestre en 3D, combinando imágenes de
satélite y mapas. Además, es posible medir
distancias, superficies, obtener coordenadas y
altura sobre el nivel del mar de puntos de
interés. Por otro lado ArcGis trabaja como un
manejador de bases de datos espaciales en
formatos alfanuméricos y gráfico (Mapas).
Para importar datos de un archivo de Google
Earth en formato kml o kmz, o un archivo de
Autocad con extensión dxf o dwg, se selecciona
Add Data (ver siguiente figura), se elige el
directorio donde se localiza el archivo y se
agrega a la ventana de trabajo.
Figura 77. Leer archivos CAD.
Una vez que la capa está en la ventana de
trabajo, se elige la capa que se desea trabajar, ya
que se leen todas las capas activas del archivo de
autocad. Esta capa se exporta para tenerla como
formato vectorial shapefile.
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Figura 78. Exportar la capa que se desea trabajar.
9.1. ARCGIS/GOOGLE EARTH
El proceso para exportar un shapefile de ArcGIS a
Google Earth es el siguiente: Arc
Toolbox/Conversion Tools/To KML/Layer To KML
e ingresar los valores que se pide en el cuadro de
datos que aparece enseguida.
Figura 79. Exportar datos a Google Earth.
9.2. ARCGIS/AUTOCAD
La ruta para exportar datos de ArcGIS a AutoCAD
es la siguiente: Arc Toolbox/Conversion
Tools/Export to CAD e ingresar los valores que se
pide en el cuadro de datos que sale enseguida.
Figura 80. Exportar datos a AutoCAD.
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10. BIBLIOGRAFÍA
ESRI, Environmental Systems Research
Institute, 1997. Understandiing GIS: The
Arc/Info Method. ESRI Press. Redlands, CA.
Longley, P.A., Goodchild, M.F; Maguire, D.J.
and Rhind, D.W.. 2005. Geographic
Information Systems and Science. 2nd ed.
John Wiley & Sons, Ltd., San Francisco, CA.
Ornsby, T., Napoleon, E., Burke, R., Groessl,
C., Feaster, L., 2004. Getting to Know ArcGIS
Desktop. ESRI Press. Redlands, CA.
http://www.grabrielortiz.com.mx
ELABORARON:
Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso
Dr. Mario R. Martínez Menes
Ing. Osiel López Velasco
Ing. Hilario Ramírez Cruz
Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la
Unidad Técnica Especializada (UTE) COUSSA
www.coussa.mx
M. C. Félix Alberto LLerena Villalpando [email protected] y [email protected] Teléfono: (01) 595 95 2 15 58
Universidad Autónoma Chapingo Dr. Mario R. Martínez Menes [email protected] Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso [email protected] Teléfono: (01) 595 95 5 49 92
Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, México.
