Taller “Aplicaciones de
Redes Hidrográficas”
Dirección General de Geografía y Medio
Ambiente
Dirección General Adjunta de Integración de
Información Geoespacial
Dirección de Edición de Información
Geográfica
Subdirección de Edición Digital
Departamento de Análisis Espacial
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Índice
1. Antecedentes ... 5
2. Objetivo ... 6
3. Conceptos básicos de la teoría de escurrimientos superficiales. ... 7
3.1 Ciclo hidrológico ... 7
3.2 Cuenca hidrológica... 7
3.3 Medición de la precipitación pluvial ... 8
3.4 Caudal máximo ... 9
3.5 Intensidad de lluvia ... 9
3.6 Coeficiente de escurrimiento... 10
4. Redes Geométricas ... 11
4.1 ¿Qué es una red? ... 11
4.2 Ríos como redes ... 11
5. Red Hidrográfica ... 12
5.1 Características del producto ... 14
5.2 Componentes del producto ... 15
5.2.1 Punto de Drenaje ... 15
5.2.2 Línea de Flujo ... 16
5.2.3 Polígono de Subcuenca ... 18
5.3 Información complementaria ... 19
5.4 Nomenclatura de los archivos ... 20
5.5 Hidromorfometría ... 20
5.5.1 Stream Order - Magnitud de Orden ... 21
5.5.2 Drain Stream Level - Nivel de Corriente ... 22
5.5.3 Arbolate Sum – Sumatoria de longitudes aguas arriba ... 23
5.5.4 Path Length - Longitud de Trayectoria ... 23
5.5.5 Hydrologic Secuence Identifier - Identificador de Secuencia Hidrológica ... 24
6. SIATL, Simulador de Flujos de Agua de Cuencas Hidrográficas Versión 2.0 ... 25
6.1 Acceso y Registro ... 25
6.2 Entorno ... 26
6.3 Información Disponible ... 27
6.3.1 Rasgos Hidrográficos ... 27
6.3.2 Red Hidrográfica 1:50 000 ... 27
6.3.3 Vías de Transporte ... 28
3
6.3.5 Altimetría ... 28
6.3.6 Servicios de Imágenes ... 28
6.3.7 Visualización de acuerdo a la escala ... 29
6.4 Panel de Herramientas Básicas ... 30
6.4.1 Mover... 30
6.4.2 Acercar: ... 30
6.4.3 Alejar ... 30
6.4.4 Vista Anterior ... 30
6.4.5 Siguiente Vista ... 30
6.4.6 Actualizar ... 30
6.4.7 Extensión Máxima ... 30
6.4.8 Guardar Imagen ... 30
6.4.9 Información ... 31
9.4.10 Medir ... 31
6.4.11 Pantalla Completa ... 31
6.4.12 Ayuda ... 31
6.5 Panel de herramientas avanzadas ... 32
6.5.1 Administración de capas ... 32
6.5.2 Búsquedas ... 33
6.5.3 Funciones de Redes ... 33
6.5.3.1 Flujos Corrientes Arriba: ... 33
6.5.3.2 Flujo Corriente Abajo: ... 34
6.5.4 Intersección de Localidades: ... 34
6.5.5 Índices Morfométricos: ... 35
6.5.5.1 Perfil de Elevaciones: ... 36
6.5.5.2 Calcular Caudal: ... 36
6.5.6 Ver Selección: ... 37
6.5.7 Limpiar Selección: ... 37
6.5.8 Perfil de Elevaciones: ... 37
6.5.9 Observaciones y Fotografías ... 37
6.5.9.1 Mostrar Observaciones ... 37
6.5.9.2 Mostrar Fotografías ... 38
6.5.9.3 Insertar Observaciones ... 40
6.5.9.4 Insertar Fotografías ... 40
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6.5.11 Simbología y Ubicación ... 41
7. Ejercicios ... 43
7.1 Ejercicio 1. Análisis de una cuenca vinculado a un evento de precipitación para evaluar el riesgo de una población por la avenida de un río. ... 43
7.2 Ejercicio 2. Identificación de localidades en riesgo sobre la trayectoria del cauce aguas abajo. ... 47
7.3 Ejercicio 3. Cartografía participativa o social ... 49
8. Anexo I Escurrimiento superficial ... 50
8.1 Determinación de caudales. ... 50
8.2 Tiempo de concentración (Tc) ... 51
8.3 Intensidad de lluvia promedio ... 52
8.4 Coeficiente de escurrimiento (c) ... 56
8.5 Determinación del área drenada ... 57
8.6 Velocidad del caudal o gasto. ... 57
8.7 Radio Hidráulico ... 59
8.7.1 Canales de sección rectangular ... 59
8.7.2 Canales de sección triangular ... 60
8.7.3 Canales de sección trapezoidal ... 60
8.7.4 Canales de sección circular ... 60
8.7.5 Canales de secciones especiales ... 60
8.7.6 Canales de sección irregular ... 61
8.7.7 Capacidad del cauce. ... 61
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1. Antecedentes
Las nuevas tecnologías y los avances en ingeniería de software, nos permiten conducir los datos cartográficos digitales a otro nivel de funcionalidad más allá de los fines estáticos para mapas impresos o con posibilidad de cargarlos en un sistema de información geográfica, pero sin la condición de responder a preguntas o métodos de redes u otros especializados y relacionados con otros elementos.
A partir de la investigación sobre los adelantos en modelos de datos geoespaciales hidrológicos que tienen otros países, tenemos por ejemplo el National Hydrography Dataset (NHD) Model, bajo la responsabilidad del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS por sus siglas en inglés), el cual es un amplio modelo donde se resguarda la información hidrológica en varias escalas.
Otra de las instituciones destacadas en el modelado hidrológico y en el desarrollo de aplicaciones, es la Universidad de Texas en Austin, a través del Centro para la Investigación de Recursos Naturales (CRWR por sus siglas en inglés). En este centro se han desarrollado modelos de datos de aguas superficiales y subterráneas, en los que se incluyen series de tiempo de estaciones hidrométricas, así como métodos que traducidos en aplicaciones permiten analizar los sistemas de drenaje de forma integral. (Zoun, Schneider, Whiteaker, Maidment (2001))
En el caso de Canadá, la Red Hidrográfica Nacional (NHN) es uno de los ejes del Natural Resources Canada, que provee datos geoespaciales de aguas superficiales.
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2. Objetivo
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3. Conceptos básicos de la teoría de
escurrimientos superficiales.
3.1 Ciclo hidrológico
El ciclo hidrológico se podría definir como el “proceso que describe la ubicación y el movimiento del agua en nuestro planeta". Es un proceso continuo en el que una partícula de agua evaporada del océano vuelve al océano después de pasar por las etapas de precipitación, escorrentía superficial y/o escorrentía subterránea.
3.2 Cuenca hidrológica
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3.3 Medición de la precipitación pluvial
Cuando por condensación las partículas de agua que forman las nubes alcanzan un tamaño superior a 0,1 mm comienza a formarse gotas, gotas que caen por gravedad dando lugar a las precipitaciones (en forma de lluvia, granizo o nieve).
Sí el techo de una casa tiene una superficie de 70 m2 y el agua pluvial se colecta en una cisterna con una capacidad de 1m3 = 1,000 litros, ¿cuánto volumen se capta con una precipitación de 5 y 10 mm.?
Precipitación
Equivalencia
en
litros
Captado en la
cisterna
5 mm
350
35 %
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3.4 Caudal máximo
Caudal: Es la cantidad de un fluido que avanza en una unidad de tiempo. Para diversas disciplinas es importante estimar el caudal máximo o avenida de un río.
Estimarlo es sumamente complejo y existen métodos que van de los más simples hasta los más elaborados que requieren más datos. El modelo de relación lluvia-escurrimiento que se verá para los objetivos del taller es el método racional.
Donde:
Q: es el caudal en metros cúbicos por segundo, I : es la intensidad de lluvia en milímetros por hora, A : es la superficie de la cuenca en hectáreas, C : es un coeficiente de escorrentía sin dimensiones
Nota: para mayor referencia consulte el anexo I Escurrimiento Superficial.
3.5 Intensidad de lluvia
Es una relación de cantidad precipitada en intervalos de tiempo.
Tiempo min 5 10 15 20 25 30
Volumen medido cm 2.83 4.17 5.15 6 6.79 7.5 Diferencial de Vol. cm 2.83 1.34 0.98 0.85 0.79 0.71
Dv / dt cm /hr 33.96 16.08 11.76 10.2 9.48 8.52
Vol / tiemp.tot. =
Intensidad media cm /hr 33.96 25.02 20.6 18 16.3 15
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La intensidad de lluvia se considera para el tiempo de concentración (Tc), que equivale al tiempo en que recorre el agua desde la parte más lejana aguas arriba (a) hasta el punto de interés (b).
3.6 Coeficiente de escurrimiento
El coeficiente de escurrimiento de la precipitación, cantidad que se escurre en forma laminar en la superficie restando la infiltración y evapotranspiración.
En una superficie pavimentada el coeficiente estará cercano a 100% y en suelos arenosos y permeables el coeficiente estará cercano a 0.
0 10 20 30 40
5 10 15 20 25 30
In
te
n
si
d
ad
c
m
/h
o
ra
Tiempo en minutos
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4. Redes Geométricas
4.1 ¿Qué es una red?
Para el propósito de este tema, se hablará acerca de las redes como comúnmente se entienden en los sistemas de información geográfica (SIG). Más específicamente, una red es un archivo vectorial estructurado topológicamente; contiene líneas llamadas arcos y cada uno de estos tiene dos puntos en sus extremos llamados nodos. Sí un arco termina exactamente en donde otro inicia, sólo hay un nodo presente, y el hecho que dos arcos conecten está registrado en una tabla con sus relaciones. Por lo tanto, además del diseño de la geométrica de las líneas en el espacio, también existe la relación abstracta entre los elementos. Esta relación es equivalente a un grafo. En los SIG, las propiedades teóricas del grafo de redes son comúnmente referidas como topología. (Rupert, 2003, p. 2)
4.2 Ríos como redes
Un sistema de ríos puede ser naturalmente representado como una estructura de red. Las líneas centrales de ríos o escurrimientos, se denominan arcos en la red. Nosotros podemos imaginar el agua en esos ríos a lo largo de esos arcos. Pero existe una limitante sobre cuerpos de agua como lagos, embalses así como ríos caudalosos, que cartográficamente se representan con polígonos. Para asegurar que todos los ríos que forman el sistema estén completamente conectados, es necesario colocar líneas al interior de esos polígonos y garantizar su continuidad.
Estos arcos al interior de los polígonos se les conoce como virtuales o esqueletos. Las líneas o arcos que conforman la red son referidas como líneas de flujo. (Rupert, 2003, p. 2)
Una red geométrica es un conjunto de líneas (edges) y cruces (junctions) conectados con reglas que se utilizan para representar y modelar el comportamiento de una infraestructura de red común en el mundo real.
Las redes geométricas ofrecen una forma para modelar redes comunes de infraestructura que se encuentran en el mundo real: distribución de agua, líneas eléctricas, gasoductos, servicios telefónicos, y el flujo de agua de cauces.
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5. Red Hidrográfica
Se concibe como un sistema de circulación lineal estructurado que permite modelar el drenaje de una cuenca hidrográfica.
La fuente principal empleada para su estructuración fueron los rasgos hidrográficos superficiales de los datos topográficos vectoriales escala 1:50 000 generados por el INEGI. De manera adicional, se utilizó información en diferentes escalas como soporte para determinar los criterios de conectividad de la misma.
Para un mejor entendimiento del escurrimiento de aguas superficiales, se consideró como unidad de trabajo el componente División Hidrográfica de la Carta Hidrológica de aguas superficiales Escala 1:250 000. Serie I del Instituto, lo que implicó transformar los insumos de su formato original por conjunto digital a estas unidades que representan áreas físicas naturales.
Regiones Hidrográficas, Cuencas y Subcuencas
La División de Aguas Superficiales se compone de tres niveles de desagregación:
Región Hidrográfica: Área delimitada por una divisoria que agrupa por lo menos dos cuencas hidrográficas, cuyas aguas fluyen a un cauce principal. La cobertura nacional asciende a 37 divisiones las cuales se denotan por el prefijo “RH” y los números del “01” al “37”. Ejemplo: “RH12”
Cuenca Hidrográfica: Superficie delimitada por una divisoria cuyas aguas fluyen hacia una corriente principal o cuerpo de agua; constituye una subdivisión de la región hidrográfica. La clave se compone de los dos dígitos de la región hidrográfica y una letra mayúscula de la “A” a la “Z”. Ejemplo: “RH12K”
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Este proyecto, en su primera etapa de conectividad, inició en octubre del 2007 y concluyó en diciembre del 2008, cuyo resultado fue una red funcional con direcciones de flujo.
En la siguiente imagen se aprecian los datos topográficos que se tomaron como insumos, de acuerdo a su modelo para fines cartográficos, siendo notorios algunos escurrimientos desconectados, el sentido del trazo es arbitrario y no denota la trayectoria o dirección de los escurrimientos, la representación de las líneas es igual para todas en grosor y tonalidad y no se distinguen los cauces que puedan ser más caudalosos, además de complementarse los sistemas de drenaje con polígonos de cuerpos de agua.
El trabajo arduo por parte de los analistas-editores y de los validadores, con el apoyo de las herramientas informáticas desarrolladas y de información complementaria, fue el de interpretar el comportamiento de los escurrimientos de agua, a efecto de realizar las siguientes actividades:
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Diagnóstico de conectividad y determinación de las direcciones de flujo. Detección y solución de bifurcaciones y ciclos, entre otras más.
Dada la necesidad de revisar las divisorias entre redes adyacentes, así como la continuidad de las redes a través de estas unidades y de contar con una división de aguas superficiales al detalle de la escala 1:50 000, en diciembre del 2008 se inició la segunda etapa de la red, misma que terminó en diciembre del 2009. Se precisan las actividades:
Digitalización de la divisoria.
Corrección de escorrentías que estaban catalogadas como contribución de una subcuenca, pero que después de analizar el sistema de drenaje y la divisoria o parteaguas, se detectó que aportan a una red adyacente.
Detección de líneas al interior de cada subcuenca, de nacimientos de corrientes sobre partes altas y recorte en caso de sobrepasar la cresta.
Verificar y garantizar la continuidad e integridad entre redes.
5.1 Características del producto
Concretadas las dos ediciones de la red, podemos observar los siguientes cambios:
Conectividad de corrientes de agua.
Dirección de flujo para cada una de las líneas. Continuidad a través de cuerpos de agua.
Divisorias consistentes con la red a la escala 1:50 000.
Se garantiza la conectividad de redes entre subcuencas tributarias y receptoras.
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Cuenta con datos de valor agregado como son los indicadores de hidromorfometría, que denotan el volumen de agua que pueden conducir los ríos o cauces respecto a otros, en función del desarrollo o evolución de la cuenca.
5.2 Componentes del producto
El producto se compone de 6 millones de líneas de flujo a nivel nacional y se agrupa en 976 subcuencas, 158 cuencas y 37 regiones hidrográficas. Los archivos entregables son: líneas de flujo, puntos de drenaje, polígonos de subcuenca y metadato. Como información complementaria: cuerpos de agua y topónimos de rasgos hidrográficos.
Objeto puntual que indica el lugar donde los flujos de los escurrimientos superficiales se drenan al mar o a otra subcuenca. También es utilizado para indicar de forma virtual una acumulación de flujos al interior de cuerpos de agua que representan lagos en subcuencas cerradas, además de indicar aquellos flujos que desaparecen de forma superficial por infiltración en función de la condición de suelos, vegetación, relieve, entre otros factores.
Nombre Tipo Long Descripción Dominio de valores
FID OID 0, …N
SHAPE Geometry Geometría Point
ID Numérico 11 Identificador único 1 … N CVE_SUBC Caracter 7 Clave de la subcuenca
TIPO Numérico 11 Clasificación de drenaje 0,1,2, -1…-9 CONDICION Caracter 20 Descripción de drenaje
ID_DRENA Numérico 11 Identificador del punto de drenaje 1 … N ARBSUM Numérico 12 Sumatoria de longitudes de líneas de flujo
aguas arriba, que confluyen en el punto de drenaje
NUM_LIN Numérico 8 Total de líneas ramificadas y que confluyen en el punto de drenaje
1 … N
16 Dominio de valores
TIPO / CONDICIÓN 0 Drenaje de la cuenca 1 Lago o laguna 2 Drenaje artificial -1 Suelos permeables -2 Desierto
-3 Falla o fractura -4 Dolina o depresión -5 Gruta o cenote
-6 Drenaje a red secundaria -7 Conjunto faltante -8 Frontera
-9 Otro
Línea que representa un flujo de agua que depende de precipitación pluvial o afloramiento subterráneo ya sea natural a través de corrientes de agua o artificial a través de canales.
Nombre Tipo Long Descripción Dominio de valores
FID OID 0, … N
SHAPE Geometry Geometría Polyline
ID Numérico 11 Identificador único 1 … N
CVE_SUBC Caracter 7 Clave de la subcuenca
CLAVE50K Caracter 7 Clave del conjunto topográfico escala 1:50000
TIPO Numérico 11 Tipo de entidad
ENTIDAD Caracter 17 Entidad
FC Numérico 11 Código de rasgo
CONDICION Caracter 13 Condición de la corriente EDICION Caracter 1 Tipo de la línea “original” o “nueva” 'O' ó 'N'
FECHA Fecha 8
Para líneas originales: fecha en que se creó o actualizó el conjunto topográfico.
Para líneas nuevas: fecha de término de los trabajos de edición de la conectividad.
DD/MM/AAAA
LENGHTM Numérico 12.2 Longitud del segmento
ID_DRENA Numérico 11 Identificador del punto de drenaje al cual pertenece la
línea 1…N
FLOWDIR Numérico 11 Definición de la dirección de flujo 0 ó 1 ENABLED Numérico 6 Campo para habilitar o deshabilitar segmentos en redes 0 ó 1
17 geométricas
DESC_ENABL Caracter 2 Descripción del campo Enabled (Ciclo o bifurcación) Nulo, ‘C’ o ‘B’ CALI_REPR Numérico 11 Calificador de representación geométrica 0,1,2 ó 3 SECUENCEID Numérico 8 Identificador de secuencia
ORDER_1 Numérico 8 Magnitud de orden (clasificación de Strahler) a nivel de
subcuenca N…1, -1
LEVEL_1 Numérico 8 Nivel de corriente a nivel de subcuenca 1…N, -1 ARBSUM_1 Numérico 12.2 Sumatoria de longitudes de líneas de flujo aguas arriba a
nivel de subcuenca
PATHL_1 Numérico 12.2 Longitud de trayectoria (sumatoria de longitudes aguas abajo) a nivel de subcuenca
Dominio de Valores
TIPO ENTIDAD
101 CORRIENTE DE AGUA 102 CANAL
103 LINEA CENTRAL
FC CONDICION
3180 CANAL EN OPERACIÓN 3181 CANAL EN CONSTRUCCIÓN 3182 CANAL FUERA DE USO
3271 CORRIENTE DE AGUA INTERMITENTE 3272 CORRIENTE DE AGUA PERENNE 3273 LÍNEA CENTRAL DE CUERPO DE AGUA
EDICIÓN
O Línea original proveniente de los datos topográficos
N Línea nueva digitalizada para conexión de la red hidrográfica
FLOWDIR
0 Dirección de flujo indeterminada 1 Dirección de flujo determinada
Nota: El campo FLOWDIR es reconocido por ArcGis (Sistema de Información Geográfica) en la construcción de redes geométricas así como ArcHydro (Software para el modelado y procesamiento de Redes Hidrográficas).
ENABLED
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Nota: El campo ENABLED es reconocido por el software ArcGis en la construcción de redes geométricas, así como ArcHydro (modelo de datos hidrológico y software para su procesamiento).
Debido a que los segmentos deshabilitados (ENABLED=0) no participan de forma lógica como red geométrica y sólo son considerados para efectos de representación, no aplican los indicadores de hidromorfometría en los campos SECUENCEID, ORDER_1, LEVEL_1 que adquieren el valor -1 y ARBSUM_1, PATHL_1 que adquieren el valor de 0.
DESC_ENABLED
NULO Segmento habilitado para redes geométricas 'C' Segmento deshabilitado y que forma un ciclo
'B' Segmento deshabilitado y que forma una bifurcación
Nota: este campo tiene valor sí el campo Enabled tiene el valor 0 deshabilitado.
CALI_REPR 0 no determinada 1 definida 2 aproximada 3 virtual
5.2.3 Polígono de Subcuenca
Superficie delimitada por una divisoria cuyas aguas fluyen a una corriente principal, o cuerpo de agua; es una subdivisión de una cuenca hidrográfica que presenta características particulares de escurrimiento.
Dominio de Valores
Nombre Tipo Long Descripción Dominio de valores
FID OID 0, …N
SHAPE Geometry Geometría Point
ID Numérico 11 Identificador único 1 … N
CVE_SUBCUE Carácter 6 Clave de Subcuenca Hidrográfica
CVE_RH Carácter 4 Clave de Región Hidrográfica
RH Carácter 70 Nombre de Región Hidrográfica
CVE_CUE Carácter 1 Clave de Cuenca Hidrográfica CUENCA Carácter 70 Nombre de Cuenca Hidrográfica CVE_SUBC Carácter 1 Clave de Subcuenca Hidrográfica SUBCUENCA Carácter 70 Nombre de Subcuenca Hidrográfica AREA_KM2 Numérico 12.2 Área de la unidad en Km cuadrados * PERIMETRO Numérico 12.2 Perímetro de la unidad en Km. **
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ejemplo MAR, FRONTERA, o clave de la subcuenca que capta las aguas
DESCARGA1 Numérico 3 Total de drenajes que se descargan a lo descrito en
el campo drenaje1
DRENAJE2 Carácter 8
Referencia a donde se drenan las aguas, por ejemplo MAR, FRONTERA, o clave de la subcuenca que capta las aguas
DESCARGA2 Numérico 3 Total de drenajes que se descargan a lo descrito en
el campo drenaje2
DRENAJE3 Carácter 8
Referencia a donde se drenan las aguas, por ejemplo MAR, FRONTERA, o clave de la subcuenca que capta las aguas
DESCARGA3 Numérico 3 Total de drenajes que se descargan a lo descrito en
el campo drenaje3
DRENAJE4 Carácter 8
Referencia a donde se drenan las aguas, por ejemplo MAR, FRONTERA, o clave de la subcuenca que capta las aguas
DESCARGA4 Numérico 3 Total de drenajes que se descargan a lo descrito en
el campo drenaje4
TOT_DESC Numérico 4 Total de descargas que tiene la Subcuenca
Nota: La codificación de caracteres para los archivos .dbf es Latin1.
* el área está calculada con la proyección Cónica Equivalente de Albers con los paralelos base 17°30’ y 29°30’ Norte, y falso origen en las abscisas de 2500000 m. en el meridiano 102° W y ordenadas de 0 m. en el paralelo 12°N.
** el perímetro está calculado con la proyección Cónica Conforme de Lambert con los paralelos base 17°30’ y 29°30’ Norte, y falso origen en las abscisas de 2500000 m. en el meridiano 102° W y ordenadas de 0 m. en el paralelo 12°N.
5.3 Información complementaria
Adicional al producto, se incluye información complementaria de los datos topográficos escala 1:50 000 que puede ser útil para los usuarios en especifico los cuerpos de agua y nombres de rasgos hidrográficos, los cuales presentan cierto tratamiento respecto a los datos originales topográficos, pero aún no se consideran elementos de la red hidrográfica.
Los polígonos de cuerpos de agua incluyen embalses o presas, lagos, lagunas, ríos, canales, bordos y mar, representación según dimensiones mínimas en el modelo y diccionario de datos topográficos.
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5.4
Nomenclatura de los archivos
El nombre de los archivos está compuesto por la clave de la subcuenca y el sufijo “_hl” para líneas de flujo, “_dr” para puntos de drenaje y “_subc” para unidades de captación a nivel subcuenca.
Ejemplo:
Nombre del Archivo Contenido del archivo RH16Bc_hl.shp Líneas de flujo (Red Hidrográfica) RH16Bc_dr.shp Puntos de drenaje
RH16Bc_subc.shp Polígono de la subcuenca RH16Bc_ha.shp Polígonos de cuerpos de agua RH16Bc_to.shp Puntos con topónimos
5.5 Hidromorfometría
Una red hidrográfica es un sistema de circulación lineal, jerarquizado y estructurado que asegura el drenaje de una cuenca; específicamente una cuenca hidrográfica.
Distinguimos entre la cuenca teórica, que abarca la totalidad de los drenajes, y la cuenca circulante, en la que sólo se considera la parte recorrida por las arterias funcionales.
La jerarquía de la red marca la importancia creciente de sus elementos. La hidromorfometría tiene por objeto precisar esta jerarquía mediante números.
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Dichos indicadores deben interpretarse desde el punto de vista como unidades aisladas por subcuenca y por tanto estos no consideran una continuidad entre redes a través de las unidades de captación de aguas superficiales.
Para resolver esta limitante, se tiene considerado liberar en meses posteriores, la edición 2.1 que contendrá dichos indicadores a nivel de cuenca y de región hidrográfica.
Medida de la posición de un arroyo (definido como el segmento entre tributarios sucesivos) dentro de la jerarquía de la red de drenaje. Es la base para el análisis cuantitativo de la red.
Los arroyos más pequeños permanentes son llamados "de primer orden". Dos corrientes de primer orden se unen para formar una más grande, de segundo orden, dos corrientes de segundo orden se unen para formar una tercera orden, y así sucesivamente. Pequeñas corrientes de entrada a una secuencia de orden mayor no cambian su número de orden. Strahler 1964.
Ejemplo:
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El nivel de corriente proporciona la información necesaria para determinar la ruta principal aguas arriba en cada confluencia, en función de la sumatoria de longitudes.
Ejemplo:
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Es la suma de todas las longitudes de segmentos aguas arriba y tributarias al segmento de referencia.
La distancia desde el extremo final de un segmento al punto de terminación de red.
5.5.3 Arbolate Sum – Sumatoria de longitudes aguas arriba
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Es una secuencia hidrológica ascendente con número único para cada segmento de la red en una unidad de desagregación.
Nota: Debido a que los segmentos deshabilitados (ENABLED=0) no participan de forma lógica como red geométrica y sólo son considerados para efectos de representación, no aplican los indicadores de hidromorfometría en los campos SECUENCEID, ORDER_1, LEVEL_1 que adquieren el valor -1 y ARBSUM_1, PATHL_1 que adquieren el valor de 0.
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6. SIATL, Simulador de Flujos de Agua de
Cuencas Hidrográficas Versión 2.0
6.1 Acceso y Registro
La manera de acceder al SIATL es ir al sitio de INEGI, http://www.inegi.org.mx/, en la pestaña o sección de Geografía seleccionar la opción de Simulador de Flujos de Agua de Cuencas Hidrográficas (SIATL)
Al abrir la página de inicio del SIATL Existen dos formas de acceder a la aplicación, dependiendo de cuál haya sido elegida podrá disponer de algunas funciones adicionales:
o Invitado.- Es el modo más sencillo de acceder al SIATL debido a que no es necesario identificarse como usuario. La limitante son algunas funciones sobre todo de inserción de observaciones y fotografías. o Usuario Registrado.- Este tipo de acceso ha sido definido para usuarios previa solicitud de registro y
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Para solicitar el registro, desde la pantalla de bienvenida deberá oprimir el botón “Registro” y llenar una forma la cuál será evaluada y autorizada, para posteriormente notificarle vía correo electrónico su clave de usuario y contraseña para su ingreso. La información que se debe proporcionar es la siguiente:
6.2 Entorno
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6.3 Información Disponible
Corresponde a todas las capas de información mediante las cuales se pueden realizar consultas y las cuales han sido agrupadas para facilitar su manejo de la siguiente manera:
En este grupo está comprendida información referente a:
o Nombres de Rasgos Hidrográficos.- Corresponde a los topónimos existentes para las corrientes y cuerpos de agua.
o Cuerpos de Agua.- Comprende la información vectorial de los cuerpos de agua extraídos de los datos topográficos escala 1:50 000 con un tratamiento de unión para aquellos ubicados en la línea del canevá de los conjuntos digitales 1:50 000.
o Coeficiente de escurrimiento.- Información de tipo vectorial que representa la interacción de factores tales como cobertura vegetal, permeabilidad de los suelos y roca, cantidad de precipitación y pendiente del terreno, restringen en diferente grado la infiltración del agua en el terreno y esta dado por un porcentaje estimado de agua que escurre en el terreno con valores de 5, 10, 20, 30 y mayor a 30.
o Unidades de Captación de Aguas Superficiales escala 1:50 000.- Divisorias de subcuencas, cuencas y regiones hidrográficas.
Comprende los datos, resultado de la Estructuración de la Red Hidrográfica en su edición 2.0, siendo las siguientes:
o Direcciones de Flujo.- Simbología que representa el flujo del agua.
o Puntos de drenaje: Objeto puntual que indica el lugar donde los flujos de los escurrimientos superficiales se drenan al mar o a otra subcuenca. También son utilizados para indicar de forma virtual una acumulación de flujos al interior de cuerpos de agua que representan lagos en subcuencas endorreicas, además de indicar aquellos flujos que desaparecen de forma superficial por infiltración en función de la condición de suelos, vegetación, relieve, entre otros factores.
o Clasificación de la Red: Líneas que representa los flujos de agua que depende de precipitación pluvial o afloramiento subterráneo ya sea natural a través de corrientes de agua o artificial a través de canales.
- Magnitud de orden (Strahler)
- Nivel jerárquico de corrientes
6.3.1 Rasgos Hidrográficos
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Comprende información del ámbito de vías de comunicación extraídas de los datos topográficos 1:50 000.
o Caminos
o Carreteras.- Corresponde a la Red Carretera actualizada en base al atlas 2007 de la SCT o Vías de Ferrocarril
Este grupo comprende información del marco geoestadístico referido al conteo o censo más reciente disponible.
o Localidades Urbanas y Rurales con variables del Conteo de Población y Vivienda 2005 o Núcleos Agrarios
o División Estatal y Municipal o División 1:50 000
Agrupa capas que permiten conocer el relieve tales como:
o Curvas de Nivel.- Esta capa presenta el continuo nacional de curvas de nivel a partir de los datos topográficos escala 1:50 000 resultado de la conectividad de las curvas de nivel equidistantes cada 20 metros.
o Modelo de Relieve.-
- Sombreado de Relieve
- Sombreado de Relieve 3D
- Hipsográfico
o Imagen Cartográfica 1:50 000.- cartas topográficas digitales georreferenciadas. o Ortofotos 1:20 000
o Imagen de satélite Spot 2009.- Servicio en trámite de autorización. o Imagen Global MODIS NASA
6.3.3 Vías de Transporte
6.3.4 Geoestadístico y Social
6.3.5 Altimetría
29
Con el fin de optimizar el despliegue de capas de información dependiendo del tipo de rasgo y la escala de visualización, el SIATL regula dicha función de acuerdo a un rango de escalas:
Capa de Información Visible entre Escalas:
A partir de Hasta
Grupo “Rasgos Hidrográficos”
Nombres de Rasgos Hidrográficos 1:200 000 1:3 500
Cuerpos de Agua 1:50 000 1:300 000 1:3 500
Coeficiente de escurrimiento 1:250 000
1:800 000 1:10 000
Regiones 1:50 000 1:14 000 000 1:3 500
Cuencas 1:50 000 1:14 000 000 1:3 500
Subcuencas 1:50 000 1:14 000 000 1:3 500
Grupo "Red Hidrográfica 1:50 000"
Direcciones de Flujo 1:200 000 1:3 500
Puntos de Drenaje 1:200 000 1:3 500
Red Hidrografica 1:2 300 000 1:3 500
Caminos 1:50 000 1:3 500
Carreteras 1:750 000 1:3 500
Vias de Ferrocarril 1:250 000 1:3 500
Grupo "Geoestadístico y Social"
Localidades Urbanas y Rurales 1:550 000 1:3 500
Núcleos Agrarios 1:750 000 1:3 500
División Estatal y Municipal 1:14 000 000 1:3 500
División 1:50 000 1:1 000 000 1:3 500
Grupo "Altimetría"
Curvas de Nivel 1:50 000 1:75 000 1:3 500
Modelo de Relieve - Sombreado 1:14 000 000 1:50 00 Modelo de Relieve para Anaglifos 1:350 000 1:3 500
Modelo de Relieve - Hipsográfico 1:14 000 000 1:2 500 000
Grupo "Servicios de Imagen"
Imagen Cartográfica 1:50 000 1:14 000 000 1:3 500
Ortofoto 1:20 000 1:300 000 1:3 500
Imagen Spot 2009 1:300 000 1:3 500
Imagen Global MODIS NASA 1:14 000 000 1:300 000
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6.4 Panel de Herramientas Básicas
6.4.1 Mover:
Al dar clic sobre el mapa (sin soltar el mouse) y a la vez arrastrar el mouse, estaherramienta le permitirá desplazar la posición del mapa.
6.4.2 Acercar:
Al dar un clic sobre el mapa (sin soltar en botón del mouse) le permitirá seleccionar elárea a la que desea hacer un acercamiento.
6.4.3 Alejar
:
Al dar un clic sobre el mapa (sin soltar en botón del mouse) le permitirá seleccionar el áreaa la que desea hacer un alejamiento.
6.4.4 Vista Anterior
:
Esta herramienta le permitirá regresar a la vista anterior en el mapa.6.4.5 Siguiente Vista:
Si uso la herramienta “Vista Anterior” esta herramienta le permitirá posicionarseen la siguiente vista almacenada en el arreglo de vistas.
6.4.6 Actualizar
:
Esta herramienta actualiza todos los datos que estén en el mapa.6.4.7 Extensión Máxima:
Esta herramienta lo coloca en las coordenadas máximas de visualización queen este caso son las que abarcan la extensión del territorio nacional.
6.4.8 Guardar Imagen
:
Permite generar un archivo jpg o png, por default da el nombre de “mapa.jpg”.31
6.4.9 Información
:
Muestra los datos tabulares asociados al elemento geográfico seleccionado. Lainformación a visualizar sólo estará disponible para elementos contenidos en cualquiera de las capas de la red hidrográfica, subcuencas, coeficiente de escurrimiento, localidades urbanas o rurales.
9.4.10 Medir
:
Esta herramienta permite realizar mediciones a través de una ruta o de un área.6.4.11 Pantalla Completa:
Aumenta el tamaño de la aplicación para aprovechar lo ancho y largo de lapantalla ocultando el encabezado y las barras de estado y menús del navegador que se esté utilizando.
Nota: Esta herramienta automáticamente deshabilita la entrada de datos desde el teclado y por tanto de querer realizar una búsqueda deberá desactivar la pantalla completa. Para regresar a su diseño normal presione la tecla ESC.
Otra modalidad para ocultar elementos del navegador y ampliar la pantalla sin desactivar el teclado, es utilizar la tecla F11 y para restablecer oprima nuevamente dicha tecla.
6.4.12 Ayuda
:
Al activar este botón se activa la ventana de ayuda, la cual se divide en 5 opciones queson:
o Ayuda
o Preguntas frecuentes o Especificaciones de la red
32
6.5 Panel de herramientas avanzadas
La información que puede ser consultada en el SIATL ha sido agrupada por tema para facilitar su manejo, la cual puede ser encendida o apagada dependiendo de la necesidad del usuario.
33
Puede consultar los datos por subcuenca, región hidrológica, del estado, municipio, localidad, según el nombre del rasgo o bien, por coordenadas.
En este conjunto de herramientas se agrupan aquellas más especializadas que facilitan el análisis de los escurrimientos de agua superficial y de las cuencas, como son: la selección de líneas en función de los flujos de agua, determinar índices morfométricos, generar el perfil de elevaciones y calcular el caudal, entre otras.
6.5.3.1 Flujos Corrientes Arriba:
Una vez seleccionada esta función y dando un clic sobre un segmento de la red hidrográfica, se muestran en color rojo todos los flujos tributarios al segmento de referencia en sentido aguas arriba acotado a la divisoria de la subcuenca y el cauce principal se resalta en color naranja con una línea más gruesa a las demás.6.5.2 Búsquedas
34
Además para algunas regiones se muestra el polígono de captación o de área drenada, en función de la existencia de información procesada y derivada del modelo digital de elevación.
De tal manera que la función para determinar el área, estará condicionada a la existencia de los datos.
No obstante, para las cuencas donde el SIATL no determine de forma automática este valor, se tendrá que utilizar la herramienta para su medición manual trazando con el mouse el área de interés.
6.5.3.2 Flujo Corriente Abajo:
Dando un clic sobre un segmento de la red hidrográfica, en color rojo se muestra la trayectoria en dirección aguas abajo hasta la divisoria de la subcuenca.6.5.4 Intersección de Localidades:
Muestra todas aquellas localidades urbanas y rurales que se35
6.5.5 Índices Morfométricos:
Con esta función se determinan algunos valores morfométricos delcauce principal (color naranja) para el caso de la selección con la función de Flujos Corriente Arriba o del cauce seleccionado Flujo Corriente Abajo.
Los índices son:
o Elevación Máxima o Elevación Media o Elevación Mínima o Longitud
o Pendiente Media
o Tiempo de Concentración
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6.5.5.1 Perfil de Elevaciones:
Esta grafica muestra los desniveles del cauce, su representación está en función del rango de elevaciones en metros en el eje Y, y en kilómetros en el eje X.6.5.5.2 Calcular Caudal:
El modelado de los escurrimientos de agua superficial es sumamente complejo y para la obtención de resultados precisos, se requieren de mediciones más detalladas y por consecuencia más datos, además de modelos digitales de elevación con mayor resolución por debajo de los 5 metros por pixel, así como de métodos más sofisticados que se traducen en algoritmos.En el SIATL se incluye el método racional para el cálculo del caudal, que por sus características y simplicidad, permite la estimación con pocos parámetros de forma sencilla, no obstante su precisión estará en función del tamaño de las áreas y de la fidelidad de los datos adicionales que deberán ingresarse. Es decir a mayor extensión, mayor margen de error.
De requerir estudios más detallados, se podrá solicitar la Red Hidrográfica al INEGI para utilizarla como uno de los insumos que requieren diversos programas especializados en el modelado hidrológico.
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Pasos para realizar el Cálculo del Caudal:
1. Seleccione las líneas de flujo de una escorrentía a partir de un clic en uno de los segmentos de la red hidrográfica con la función “Aguas arriba”.
2. Si el SIATL no determina el área de la cuenca seleccionada, por falta de datos del modelo digital de elevación, mida el área con la herramienta de medición trazando el polígono sobre la divisoria de los flujos seleccionados.
3. Consulte el coeficiente de escurrimiento, encendiendo la capa que se encuentra en el grupo “Rasgos Hidrográficos” y utilizando la herramienta para solicitar información de los atributos y pondere los valores en los casos donde se presentan más de un valor para el área de estudio.
4. Se requiere la intensidad de lluvia para un tiempo de retorno específico o frecuencia de la lluvia, para lo que se tendrán que investigar en otra fuente datos históricos de precipitación y determinar la intensidad o bien ingresar algunos supuestos.
5. Dar clic a la herramienta “Índices morfométricos” para ver los datos que el SIATL determina de la escorrentía seleccionada y necesarios para calcular el caudal.
6. Dar clic en el botón “Calcular caudal” e ingresar los valores antes señalados. 7. Dar clic en el botón “Calcular”
6.5.6 Ver Selección:
Esta herramienta permite visualizar todos las corrientes de agua resultado deejecutar cualquiera de las funciones de Flujo Corrientes Arriba o Flujo Corriente Abajo.
6.5.7 Limpiar Selección:
Está herramienta permite limpiar los datos previamente seleccionados, yasean corrientes de agua o bien las localidades.
6.5.8 Perfil de Elevaciones:
Esta herramienta grafica el perfil de elevaciones a partir de 2 puntosdados, con una distancia máxima de 5 kilómetros.
Esta herramienta permite desplegar e insertar observaciones y fotografías.
El objetivo de estas herramientas es hacer partícipe a los usuarios en la mejora continua de la red hidrográfica y de la información en general, además en la ilustración de rasgos hidrológicos con fotografías.
Para insertar tanto observaciones como fotografías, es necesario que el usuario solicite su registro llenando un formulario que se activa desde la pantalla de bienvenida.
6.5.9.1 Mostrar Observaciones
o Cuando el simbolo este en color azul significa que la observación ha sido atendida por parte de INEGI. o Cuando el simbolo este en color rojo significa que la observación aún NO ha sido atendida por parte de
INEGI.
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Las observaciones no se publican y quedan de referencia y antecedente para el usuario que las ingresó.
6.5.9.2 Mostrar Fotografías
La funcionalidad de “Mostrar Fotografías” no requiere de registro y está abierto a cualquier usuario con el acceso como invitado.
Donde exista una fotografía la podrán indentificar con el símbolo:
Lugares donde usted puede ver algunas fotografías:
Búsqueda por Rasgo Hidrográfico: Presa Zimapan en el estado de Querétaro Búsqueda por Rasgo Hidrográfico: Presa Malpaso en el estado de Aguascalientes
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Sí desea ampliar la imagen y ver otros detalles como la fecha de la toma, su descripción y datos del autor, de clic sobre la imagen.
Nota: en caso de no desplegar la imagen, asegúrese de no tener activada alguna de las herramientas para navegación como: mover, acercar, alejar, etc.
Cuando está activada una de estas herramientas el ícono se ve más grande:
40
6.5.9.3 Insertar Observaciones
Con esta función el usuario registrado podrá registrar observaciones referenciadas espacialmente, respecto a datos mal representados en función del conocimiento de una región, para considerarlas en la siguiente versión de la red.
Procedimiento
1. Localice el rasgo y verifique estar en el rango de escala permitido para ingresar observaciones de 1:3500 a 1:100
2. de un clic sobre este ícono y posteriormente de clic en el mapa sobre el rasgo del cual usted desea hacer una observación.
3. capture la observación 4. de clic en el botón Insertar
La siguiente ventana aparecerá al seleccionar la herramienta y darle clic al rasgo que se quiera comentar.
6.5.9.4 Insertar Fotografías
Con esta herramienta el usuario registrado podrá subir fotos de rasgos hidrográficos de interés en condiciones normales o extraordinarias como inundaciones.
Procedimiento
1. Localice el rasgo y verifique estar en el rango de escala permitido para ingresar fotografías de 1:3500 a 1:10000
2. De un clic sobre este ícono y posteriormente de clic en el mapa sobre el rasgo del cual usted desea insertar la imagen.
3. Capture el título y comentarios. 4. Ingrese la fecha de la toma de la foto.
5. Con el botón “Seleccionar”, ubique el archivo en su computadora.
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Las fotografías registradas pasarán por un filtro para verificar en la medida de lo posible su correspondencia espacial además de su contenido, para posteriormente autorizar su publicación.
No se publicaran imágenes en las cuales aparezcan personas en primer plano o aquellas que no cumplan con el objetivo de esta función.
Permite habilitar el fondo y seleccionar color, además de configurar el nivel de transferencia.
o Simbología.- Función dinámica de acuerdo a las capas visibles para facilitar su interpretación.
6.5.10 Configuración
42
43
7. Ejercicios
7.1 Ejercicio 1. Análisis de una cuenca vinculado a un evento de precipitación para
evaluar el riesgo de una población por la avenida de un río.
El antecedente es que el 18 de julio de 2008 azotó una tromba en la parte alta de la Sierra Morones con una duración de más de dos horas y provocó una crecida del río Xaloco que cruza la ciudad de Tlaltenango, el cual se desbordó y provocó daños en cientos de viviendas, muchos damnificados y algunas personas desaparecidas. El ejercicio tiene como objetivo analizar la cuenca y estimar el caudal máximo para tener una idea de lo sucedido con ese evento hidrometeorológico.
Subcuenca: RH12Kf Rio Xaloco
Procedimiento para analizar la cuenca del Río Xaloco
1. Con la “Herramienta de Búsqueda” localice el área de interés; seleccione la opción “División política (Estado, Municipio y Localidad)”; capture “Tlaltenango” y de clic en el botón “Buscar”; dentro de los resultados obtenidos seleccione el que pertenece al estado de Zacatecas, Tlaltenango de Sanchez.
2. Para caracterizar el lugar con la herramienta administración de capas : 3. En el grupo “Servicios de Imagen” encienda la ortofotografía.
4. En el grupo Geoestadístico y Social, de mayor transparencia al polígono de la localidad. 5. En el grupo Red Hidrográfica escala 1:50 000 encienda la capa “Dirección de Flujo”.
6. Selección de flujos “corriente aguas arriba”.- En el menú “Funciones de Redes” , con el botón
“Selección aguas arriba” , de clic sobre el segmento de corriente que pasa en medio de la localidad.
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8. Consulte el coeficiente de escurrimiento dando clic en la herramienta de administración de capas , encendiendo la capa que se encuentra en el grupo “Rasgos Hidrográficos” y utilizando la herramienta
para solicitar información de los atributos y pondere los valores en los casos donde se presentan más de un valor para el área de estudio.
9. Estime la avenida del río en función de una frecuencia de lluvia o tiempo de retorno de 50 años.
10. De clic a la herramienta “Índices morfométricos” para ver los datos que el SIATL determina de la escorrentía seleccionada.
11. Analice cada uno de los datos.
45
13. De clic en el botón “Calcular” e ingrese los valores siguientes:
Se recomienda calcular la intensidad de lluvia a partir de datos de precipitación para la zona de estudio e ingresarlos para mejores resultados con el método que se incluye en esta aplicación.
De clic en el botón “Calcular”
46
15. Cambie la frecuencia de lluvia a menor tiempo y analice el caudal.
16. Con la herramienta “Perfil de Elevaciones” , trace una línea recta transversal al cauce que se está analizando, para analizar la cañada.
47
7.2 Ejercicio 2. Identificación de localidades en riesgo sobre la trayectoria del cauce
aguas abajo.
Simulación de un accidente de una cisterna que derrama miles de litros de un químico que pone en riesgo a la población.
Subcuenca: RH16Bc Río Ayuquila
Procedimiento para analizar la cuenca del Río Ayuquila
1. Realice una Búsqueda por Coordenadas en grados decimales
Longitud = -104.3285 y Latitud = 19.8938
2. Encienda las direcciones de flujo y la capa de Carreteras, se deberá ver como la siguiente imagen.
3. Suponiendo que el accidente se produce sobre la carretera y el paso de una de las corrientes de agua,
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4. Para localizar las localidades urbanas y rurales en riesgo, de un clic a la herramienta Extender
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5. Una vez desplegada la ventana de intersección de localidades, podrá seleccionar con un clic localidad por localidad para analizar su población.
6. De requerir consultar todos los atributos de la localidad utilice el botón “Información de rasgos” y de clic sobre el polígono de la localidad o del punto para el caso de localidades rurales.
7.3 Ejercicio 3. Cartografía participativa o social
Fotografías
1. Localice la localidad de Malpaso en el estado de Aguascalientes. 2. Desactive cualquier herramienta de visualización.
3. Posicione el mouse sobre los cuadros que indican que existe una fotografía
4. De clic sobre la fotografía para maximizar y ver detalles de la fecha de la toma entre otros datos.
Otros lugares que presentan fotografías
Rasgo hidrográfico: Presa Zimapán en Querétaro Municipio: Nombre de Dios, Durango
50
8. Anexo I Escurrimiento superficial
La estimación de indicadores de escurrimiento superficial en condiciones naturales es demasiado compleja, debido a que intervienen diversos factores como son: tipos de suelos y rocas, relieve, pendientes, vegetación, área de captación o cuenca, longitud del cauce principal, precipitación-tiempo, condiciones y dimensiones del cauce que por tratarse de condiciones naturales las dimensiones son variadas a lo largo de éste, entre otros.
Es por ello que para el cálculo de los diversos indicadores se debe hacer una planeación del escurrimiento por analizar y determinarlos en algunos de los casos, agrupando secciones que reúnan características similares así como cierto comportamiento en común.
Esta unidad tiene como objetivo dar los conocimientos básicos para el cálculo de caudales máximos en función de un método probabilístico y con el modelo de lluvia-escurrimiento con el método racional.
8.1 Determinación de caudales.
Para determinar el gasto o caudal que llega al punto "a", bajo la lluvia máxima que se presenta con una frecuencia dada, apreciaremos lo siguiente:
Durante los primeros minutos de la lluvia, la intensidad de ésta es muy alta, pero como el tiempo es corto, no se ha alcanzado a drenar toda la cuenca, por lo que el gasto que pasa por el punto ¨a¨ no es muy grande.
A medida que transcurre el tiempo, la cuenca comienza a aportar más agua por efecto de que es mayor el área que se drena, pero por otro lado la intensidad de la lluvia va disminuyendo poco a poco.
51
El valor numérico del gasto o caudal se determina mediante el método racional: 1
Ecuación 1
Donde:
Q=es el caudal en metros cúbicos por segundo. I = es la intensidad en milímetros por hora. A = es la superficie de la cuenca en hectáreas.
C = es un coeficiente de escorrentía sin dimensiones.
8.2 Tiempo de concentración (Tc)
2Si graficamos el gasto que pasa por el punto ¨a¨ en función del tiempo de duración de la lluvia, obtendremos una figura de la siguiente naturaleza:
El tiempo T1, correspondiente al gasto máximo y es el tiempo mínimo en el cual se drena toda la cuenca. Valor que coincide con el tiempo de concentración Tc.
Por lo tanto, el tiempo de concentración de la lluvia (Tc) es el valor que se emplea como (t) en la ecuación 2, para la obtención de la intensidad promedio para de la lluvia de MÁXIMA intensidad.
Este parámetro se refiere al tiempo que tarda el agua en su recorrido entre dos puntos determinados, los cuales son: el extremo superior de la cuenca y el punto donde se mide el gasto pluvial. Si consideramos la cuenca que muestra la siguiente figura:
1 Fórmula expuesta en el documento “Medición sobre el Terreno de la Erosión del Suelo y de la Escorrentía” – Boletín de
Suelos de la FAO -68, Autor.- N.W. Hudson Silsoe Associates.
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El tiempo de concentración se refiere al lapso que transcurre para que el agua de lluvia, transite desde el punto A al punto B.
Para el caso de escurrimiento superficial, se obtiene mediante la fórmula de Kirpich.3
Ecuación 2
77 . 0
0663
.
0
P
L
Tc
Donde:
Tc = El tiempo de escurrimiento en horas.
L = Longitud de la cuenca en su cañada principal, en metros.
P = Pendiente promedio de la cuenca, a lo largo de su cañada principal, en valor absoluto.
8.3 Intensidad de lluvia promedio
4Si nos paramos un momento bajo la lluvia, y ponemos una probeta frente a nosotros, notaremos que ésta se llena de agua. La cantidad que se almacena en ella, depende del tiempo que la tengamos bajo la lluvia.
Si el recipiente tiene una entrada de un centímetro cuadrado, el volumen recolectado es V= cm3/ cm2, lo que nos proporciona unidades de cm.
El segundo parámetro que nos interesa, es el volumen llovido por unidad de tiempo, en cm/ hora. A este parámetro se le denomina. Intensidad de la lluvia.
3
Fórmula expuesta en el libro “Introducción a la Hidrología Superficial” del Dr. Sergio Ignacio Martínez Mtz.
53
Ahora bien, si medimos la cantidad de lluvia que se obtiene en un tiempo tn, y obtenemos la relación volumen / tn, tendremos la información de intensidad de lluvia, para el tiempo tn.
Este valor se denomina: Intensidad de lluvia promedio, para el tiempo tn.
Cuando se haga mención en este documento, de la intensidad de la lluvia, o de la intensidad de lluvia máxima, nos referimos a los valores promedios de las mismas, y nunca a los valores instantáneos.
Si obtenemos los valores de los volúmenes llovidos, para tiempos de cero a una hora, en intervalos de cinco minutos. Y calculamos la intensidad (promedio) de la lluvia, tendremos la información básica para dibujar la gráfica: Intensidad- tiempo de duración, de la lluvia.
Si colocamos un embudo bajo la lluvia, notaremos que el caudal que sale de él, es proporcional a le intensidad instantánea de la lluvia. Si el embudo tiene una entrada de un cm2, el gasto de salida será exactamente igual al valor de la intensidad instantánea de la lluvia, en cm3/seg.
A primera vista parece que para obtener el caudal que escurre en una cuenca, requeriremos los valores de la intensidad instantánea de la lluvia. Pero no es así.
Consideremos ahora una cuenca totalmente impermeable, de dimensiones, 500 metros de largo por 100 metros de ancho.
Supongamos que en el parte aguas se encuentra el punto A y en la parte más baja, el punto B.
Nosotros deseamos saber el caudal en el punto B, por efecto de una lluvia.
Supongamos además que el agua que escurre por el terreno tarda 30 minutos en recorrer toda la cuenca, desde A, hasta B.
Debemos saber también que las lluvias comienzan con una intensidad alta y a medida que el tiempo pasa van disminuyendo de intensidad.
Consideremos que el agua que pasa por B, está en proporción de la intensidad de la lluvia y el área drenada.
Ahora bien, en el tiempo cero no existe gasto que pase por el punto B.
A los cinco minutos de haber comenzado la lluvia, la intensidad es muy alta, pero se está drenando una parte muy pequeña de la cuenca. Pues el agua que cayó en A, y en la mayor parte de la cuenca viene aún en tránsito y no ha pasado por B. La cuenca está aportando en ese caso una fracción muy pequeña de su área de captación.
El momento más desfavorable es exactamente a los 30 minutos de haber comenzado la lluvia, pues en ese instante, toda la cuenca está aportando agua al punto B. Y a partir de ese momento, la intensidad sigue bajando y ya no puede haber mayor aportación por efecto de área drenada.
54
Sin embargo, si consideramos lo que sucede en el punto B, a los treinta minutos de haber comenzado la lluvia, es algo más complicado. Pues el área inmediata al punto B, aporta agua con una intensidad del tiempo T2, pero el agua que recorrió el terreno desde el punto A, está llegando retrasada y corresponde a la lluvia de intensidad en tiempo T0= 0 segundos.
Para determinar el caudal, tendremos que hacer una suma de cada segmento de la cuenca, multiplicado por la intensidad instantánea, en función del tiempo que se tarda el agua en llegar desde ese segmento, al punto B. Y esto es muy laborioso.
Es por ello que optamos por un método más sencillo, al que se le denomina Racional. En este método se emplean los valores de las intensidades promedio de la lluvia, y el área drenada total y sin sectorizar.
Supongamos que hemos medido los valores de intensidad promedio, para la lluvia máxima que se presenta cada 20 años.
Para dt = 5 minutos = 1/12 hora.
Tiempo min 5 10 15 20 25 30
Volumen medido cm 2.83 4.17 5.15 6 6.79 7.5 Diferencial de Vol. cm 2.83 1.34 0.98 0.85 0.79 0.71
Dv / dt cm /hr 33.96 16.08 11.76 10.2 9.48 8.52
Vol / tiemp.tot. =
Intensidad media cm /hr 33.96 25.02 20.6 18 16.3 15
D= distancia entre el punto A y B = 500 metros Dv= diferencial del volumen
Dt= diferencial del tiempo = 5 minutos = 1/12 hora = 0.0833333333 I= intensidad de la lluvia (cm/hora)
Si consideramos que en el ejemplo anterior, el valor de los caudales aportados por el punto A, corresponden al tiempo t0=0, con un valor de dv/dt= 34 cm/hr.
Y los del punto B, para T2= 30 min, con dv/dt = 8.52 cm/hr. Podríamos suponer que el valor promedio en la cuenca, es el que corresponde a T= 15 minutos.
Sin embargo, la mayoría de la cuencas tiene un área mayor del lado del parte aguas que de la descarga, por lo que será más cercano a la realidad, suponer que el valor real del promedio es cuando se tiene un t = 40% de T2.
Que en nuestro caso será de 12 minutos, y que nos proporcionará una intensidad instantánea (dv/dt) de 15 cm/hr. (Interpolando en la tabla)
Ahora bien, si en lugar de lo anterior, utilizamos la intensidad media de la lluvia para T2= 30 minutos, tendremos un valor de I= 15 cm/hr. Que es idéntico al anteriormente descrito.
55
Conociendo el valor de frecuencia de diseño (F), se despeja el valor de la intensidad promedio para la lluvia MÁXIMA (I).
Ecuación 3
Donde
I = Intensidad promedio de la lluvia máxima en cm/hora.
F = Frecuencia de presentación de la lluvia máxima en años.
t = Tiempo de duración de la lluvia, en minutos.
Nota: Esta ecuación fue determinada por el Ing. Raúl Cadena Cepeda, mediante el análisis de todas las lluvias ocurridas entre 1926 y 1966 y se acepta como válida en las revisiones oficiales por la SECRETARÍA DE DESARROLLO URBANO DEL ESTADO DE N.L.
Tabla 2
Frecuencia de lluvia (años)
minutos 2 5 10 20
5 10.79 17.06 24.13 34.13 6 9.92 15.69 22.19 31.38 7 9.24 14.62 20.67 29.23 8 8.69 13.75 19.44 27.49 9 8.24 13.02 18.41 26.04 10 7.85 12.41 17.54 24.81 11 7.51 11.87 16.79 23.75 12 7.21 11.41 16.13 22.81 13 6.95 10.99 15.55 21.99 14 6.72 10.63 15.03 21.25 15 6.51 10.29 14.56 20.59
16 6.32 9.99 14.13 19.99
17 6.15 9.72 13.74 19.44
18 5.99 9.47 13.39 18.93
19 5.84 9.23 13.06 18.47
20 5.7 9.02 12.75 18.04
21 5.58 8.82 12.47 17.64
22 5.46 8.63 12.21 17.26
23 5.35 8.46 11.96 16.91
24 5.24 8.29 11.73 16.59
25 5.15 8.14 11.51 16.28
26 5.06 7.99 11.3 15.99
27 4.97 7.86 11.11 15.71
28 4.89 7.73 10.93 15.45
29 4.81 7.6 10.75 15.2
30 4.73 7.48 10.58 14.97
32 4.59 7.27 10.27 14.53
34 4.47 7.07 9.99 14.13
36 4.35 6.88 9.73 13.76
38 4.25 6.71 9.49 13.43
40 4.15 6.56 9.27 13.11
45 3.93 6.21 8.78 12.42
50 3.74 5.92 8.37 11.83
60 3.44 5.44 7.69 10.88
70 3.21 5.07 7.17 10.14
80 3.01 4.77 6.74 9.53
90 2.86 4.51 6.39 9.03
100 2.72 4.3 6.08 8.6
110 2.6 4.12 5.82 8.23
120 2.5 3.96 5.59 7.91
130 2.41 3.81 5.39 7.62
140 2.33 3.68 5.21 7.37
150 2.26 3.57 5.05 7.14
160 2.19 3.47 4.9 6.93
170 2.13 3.37 4.77 6.74
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La frecuencia de presentación de la lluvia de máxima intensidad, es un parámetro importante, a emplearse para la determinación de los caudales.
Para obtener el valor de la intensidad de la lluvia es necesario primero, determinar el tiempo de concentración (tc) según la ecuación 2, además de igualar ese valor con el del tiempo de duración de la lluvia. t = tc
A continuación los valores recomendados para diferentes proyectos:
Valores de frecuencia de presentación de la lluvia de máxima intensidad, a emplearse en:
USO DEL SUELO...FRECUENCIA (F), EN AÑOS Zonas sin urbanizar 5 años
Zonas suburbanas 10 años
Zonas residenciales 20 años Centros de ciudades 25 años Plantas industriales 20años Azoteas de edificios 20 años Bajantes pluviales 20 años
Nota: debido al cambio climatológico mundial, esta tabla fue modificada en enero del 2,000.
8.4 Coeficiente de escurrimiento (c)
Es la relación del caudal que fluye sobre el terreno, al caudal llovido. Este parámetro no debe confundirse con el coeficiente de infiltración, el cual no es empleado en nuestro estudio.
Los valores que se recomiendan para el coeficiente de escurrimiento son los siguientes:
Tabla 3 Coeficiente de escurrimiento:
Uso del suelo y pendiente del terreno
Textura del suelo
Gruesa Media Fina
Bosque
Plano (0-5% pendiente) Ondulado (6-10% pendiente) Escarpado (11-30% pendiente)
0.10 0.25 0.30 0.30 0.35 0.50 0.40 0.50 0.60 Pastizales
Plano (0-5% pendiente) Ondulado (6-10% pendiente) Escarpado (11-30% pendiente)
0.10 0.16 0.22 0.30 0.36 0.42 0.40 0.55 0.60 Terrenos cultivados
Plano (0-5% pendiente) Ondulado (6-10% pendiente) Escarpado (11-30% pendiente)
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Se obtiene el valor del coeficiente de escurrimiento (C), de acuerdo con los tipos de suelos, uso del suelo y pendiente. Cuando el área de drenaje presenta diferentes tipos de suelos, vegetación y pendiente media. El coeficiente de escurrimiento (C), se obtendrá para cada área parcial y posteriormente se calculará el promedio ponderado.
Otro medio para obtener el coeficiente de escurrimiento, es utilizando la capa de unidades de escurrimiento del continuo de hidrología superficial escala 1:250,000 de INEGI o bien la carta hidrológica.
8.5 Determinación del área drenada
El área drenada se obtiene de los planos topográficos y se refiere a la superficie de la cuenca tributaria del punto ¨a ¨.
8.6 Velocidad del caudal o gasto.
5La velocidad del agua que se desliza en una corriente o en un canal abierto está determinada por varios factores.
El gradiente o la pendiente. Si todos los demás factores son iguales, la velocidad de la corriente aumenta cuando la pendiente es más pronunciada.
La rugosidad. El contacto entre el agua y los márgenes de la corriente causa una resistencia (fricción) que depende de la suavidad o rugosidad del canal. En las corrientes naturales la cantidad de vegetación influye en la rugosidad al igual que cualquier irregularidad que cause turbulencias.
Forma. Los canales pueden tener idénticas áreas de sección transversal, pendientes y rugosidad, pero puede haber diferencias de velocidad de la corriente en función de su forma. La razón es que el agua que está cerca de los lados y del fondo de una corriente se desliza más lentamente a causa de la fricción; un canal con una menor superficie de contacto con el agua tendrá menor resistencia fricción y, por lo tanto, una mayor velocidad.
El parámetro utilizado para medir el efecto de la forma del canal se denomina radio hidráulico del canal. Se define como la superficie de la sección transversal dividida por el perímetro mojado, o sea la longitud del lecho y los lados del canal que están en contacto con el agua. El radio hidráulico tiene, por consiguiente, una cierta longitud y se puede representar por las letras M o R. A veces se denomina también radio medio hidráulico o profundidad media hidráulica.
Todas estas variables que influyen en la velocidad de la corriente se han reunido en una ecuación empírica conocida como la fórmula de Manning, tal como sigue:
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