Implementación de un SIG hidrológico para la República de Bolivia

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL ÁREA: RECURSOS HIDRÁULICOS. TESIS. IMPLEMENTACIÓN DE UN SIG HIDROLÓGICO PARA LA REPÚBLICA DE BOLIVIA. ASESOR. :. PROFESOR MARIO DÍAZ-GRANADOS O.. PRESENTADO POR :. NORMANDO GUZMÁN B.. Santa Fe de Bogotá D.C., Diciembre de 2003.

(2) AGRADECIMIENTOS La realización de este trabajo fue posible gracias a la valiosa y desinteresada colaboración de muchas personas, que de una u otra manera contribuyeron a la culminación del mismo, a quienes hago llegar mis más sinceros agradecimientos. •. Un agradecimiento muy especial a Mario Díaz-Granados Ortiz, Profesor de la Universidad de Los Andes y Asesor de la tesis, por su invalorable colaboración en la elaboración del documento.. •. A Luis Alejandro Camacho Botero, Coordinador del Magíster en Ingeniería Civil, por su colaboración a lo largo del desarrollo del Magíster.. •. Mi reconocimiento personal a Juan Diego Giraldo Osorio, compañero del Magíster, por su permanente colaboración a lo largo del desarrollo de este trabajo.. •. Agradecimientos especiales a los Ings. Edwin Garnica Miranda y Fernando Limpias Camacho, por su valiosísima cooperación en el suministro de información desde la ciudad de Sucre, capital de la República de Bolivia.. •. Debo agradecer al mismo tiempo al Ing. Miguel Ángel Ontiveros, funcionario del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI) y al Ing. Carlos Díaz, Director de SENAMHI, en la ciudad de La Paz – Bolivia por el suministro de información hidrometeorológica de la red de estaciones de Bolivia..

(3) MIC 2004 - I – 35 _____________________________________________________________. CONTENIDO. 1.. INTRODUCCIÓN. 1. 1.1.. Antecedentes. 2. 1.1.1. La evaluación de los recursos hídricos. 2. 1.1.2. Los sistemas de información geográfica. 5. 1.1.3. Contexto actual. 9. 1.2.. Características de la zona de estudio. 11. 1.2.1. Datos generales. 11. 1.2.2. Sistema hidrográfico. 12. 1.2.3. Distribución mensual de las precipitaciones. 16. 1.2.4. Diagnóstico sobre usos y aplicaciones de los SIG en Bolivia. 21. 2.. JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS. 25. 2.1.. Identificación del problema. 25. 2.2.. Justificación. 26. 2.3.. Objetivos. 30. 3.. MARCO TEÓRICO. 32. 3.1.. HidroSIG Java. 33. 3.2.. Modelos digitales de terreno. 35. 3.3.. Estimaciones hidrológicas. 41. 4.. IMPLEMENTACIÓN DEL SIG HIDROLÓGICO. 53. 4.1.. Disponibilidad de información. 53.

(4) MIC 2004 - I – 35 _____________________________________________________________ 4.2.. Recopilación de información. 54. 4.3.. Metodología de trabajo. 55. 4.3.1. Análisis y procesamiento información hidrometeorológica. 55. 4.3.2. Generación de mapas de variables hidrometeorológicas. 62. 4.3.3. Procesamiento del modelo digital de elevación. 64. 4.3.4. Estructuración y sistematización de la base de datos. 66. 4.3.5. Aplicación regional. 77. 5.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 90. 5.1.. Conclusiones. 90. 5.2.. Recomendaciones. 94. 6.. BIBLIOGRAFÍA. 96. 7.. ANEXOS. Anexo 1.1.. Mapa orográfico de Bolivia. Anexo 1.2.. Mapa de isoyetas de Bolivia. Anexo 4.1.. Características de las estaciones utilizadas en el estudio. Anexo 4.2.. Grupos de estaciones homogéneas para completado de datos. Anexo 4.3.. Gráficas de dispersión de grupos de completado. Anexo 4.4.. Gráficas de calibración del modelo CHAC. Anexo 4.5.. Mapas de isolíneas de precipitación y evapotranspiración real. Anexo 4.6.. Mapas. raster. de. precipitación. generados con HidroSIG y Arcview. y. evapotranspiración. real.

(5) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. 1.. INTRODUCCIÓN. La finalidad de este trabajo está relacionada directamente con la evaluación del recurso agua en cuencas (cuantificación) a través del uso de sistemas de información geográfica, de ahí que es importante en primera instancia, estar concientes de lo que involucra el concepto de cuantificación y los esfuerzos que se deben realizar para cumplir este cometido.. Aparentemente, la cuantificación de los recursos hídricos parece muy simple, sin embargo, la necesidad actual de utilizar herramientas poderosas (como lo son los sistemas de información geográfica) para lograrla, parecen demostrar lo contrario.. La cuantificación de los recursos hídricos es un problema que data de muchos años antes de J.C. En la actualidad, pese a los grandes avances logrados por la Hidrología durante el siglo pasado, gracias a la aparición de los ordenadores y al desarrollo de los sistemas de información geográfica, este problema aún continúa.. 1.

(6) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ 1.1.. Antecedentes. 1.1.1. La evaluación de los recursos hídricos. Remontándonos a la historia1, se puede establecer que el origen de las aguas y su ciclo en la naturaleza no se aclaran para los sabios europeos sino hasta fines del siglo XVII.. El ciclo del agua comprendía tres partes: 1) el mar y, en una mínima medida, la cobertura vegetal (evaporación y evapotranspiración cuyo motor es la energía solar); 2) las nubes (transferencia, condensación, precipitación); 3) el agua continental superficial (fuentes, ríos, lagos) y subterránea que termina por volver al mar después de un tiempo más o menos largo, a excepción de las aguas fósiles.. Muchos son los ejemplos citados en la literatura sobre los esfuerzos realizados para tratar de explicar el ciclo del agua, así se puede mencionar al francés Pierre Perrault, quién efectuó un balance hidrológico de una cuenca situada en el curso superior del Sena.. 1. Extractado de “Breve historia del agua”. ORSTOM – France/Archivo y Biblioteca Nacionales de Bolivia/SENAMHI Bolivia/CONAPHI – Bolivia/PHI/UNESCO, Montevideo, 1997. 2.

(7) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ En 1687, el británico Edmond Halley estimó la evaporación del Mediterráneo, comparando luego esta evaluación con los aportes de los ríos que allí desembocaban. Para conocer la evapotranspiración de la vegetación, el matemático francés De La Hire construyó tres lisímetros en 1688.. No obstante, fuera de Europa, 500 años antes de J.C., los chinos conocían el ciclo del agua, pues Kautilya, ministro de la dinastía india de los Maurya (382-184 antes de J.C.) obligaba a medir la lluvia en un cubo colocado delante de almacenes agrícolas. Para los servicios públicos, el primer sistema de anuncio de crecidas que utilizaba jinetes que viajaban más rápido que la ola, se remonta al año 1574, atribuyéndose a los chinos la implementación de este sistema en el Río Amarillo.. Los coreanos hacían mediciones de lluvia seguidas y sistemáticas desde 1441 y continúan haciéndolo hasta nuestros días.. La dificultad mayor para comprender el ciclo del agua era explicar por qué el nivel de los océanos no se elevaba, a pesar del aporte continuo de los ríos. Habría sido necesario estimar la fuerte cantidad de agua oceánica evaporada por la energía solar; pero, esto era imposible ya que las extensiones marinas se suponía que ocupaban sólo una superficie muy reducida en un mundo plano y en forma de disco (Tolomeo 90 -168 después de J.C.). 3.

(8) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Otra paradoja difícil de resolver para los antiguos se presentaba en Egipto. La crecida del Nilo tenía lugar en plena estación seca y los ribereños no conocían las fuentes del río, descubiertas recién en el siglo XIX por los europeos. Los letrados seguían sus crecidas mediante las primeras escalas implantadas en el lecho del río, los famosos nilómetros.. Finalmente, se planteaban aún otros problemas, pues al cesar las lluvias los ríos seguían corriendo. ¿Cómo eran alimentados? Entre otras hipótesis más sólidas, Aristóteles (384-322 antes de J.C.) consideraba de manera fantasiosa que el flujo de los ríos encontraba en parte su fuente en la condensación del vapor de agua subterránea, producida a su vez por el flujo y la desalinización del agua de mar en el suelo.. En la actualidad, la cuantificación de los recursos hídricos es posible realizarla a través de mediciones directas e indirectas sobre las corrientes superficiales, pero ello implica necesariamente la disponibilidad de equipos e instrumentación, lo cual en la mayoría de los casos resulta una limitante, especialmente en países subdesarrollados y/o en vías de desarrollo, como es el caso en estudio, debido a los altos costos de implementación, operación y mantenimiento.. 4.

(9) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ 1.1.2. Los sistemas de información geográfica. Los sistemas de información geográfica (SIG) nacen como una necesidad de organizar la información espacial, siendo esta inherente tanto a los fenómenos propios de la corteza terrestre, como a los fenómenos artificiales y naturales que sobre ella ocurren.. El inicio de los sistemas de información geográfica se remonta a comienzos de la humanidad. Los mapas más antiguos se conocieron antes del 2500 a.C., pero probablemente hayan sido de tiempos anteriores. Desde entonces el hombre ha continuado mejorando los métodos de representación de la información espacial.. Según algunos autores2, los fenicios fueron navegantes, exploradores y estrategas militares que recopilaron información en un formato pictórico, y desarrollaron una cartografía "primitiva" que permitió la expansión y mezcla de razas y culturas.. Los griegos adquirieron un desarrollo político, cultural y matemático, refinaron las técnicas de abstracción con sus descubrimientos geométricos y aportaron elementos para completar la cartografía utilizando medición de distancias con un modelo matemático (a2 + b2 = c2), se convirtieron en navegantes e 2. Álvaro de J. Carmona y Jhon Jairo Monsalve R.. 5.

(10) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ hicieron observaciones astronómicas para medir distancias sobre la superficie de la tierra, cuya información se guardó en mapas.. Los romanos imitaron a los griegos y desarrollaron el Imperio utilizando frecuentemente el banco de datos previamente adquirido y ahora heredado. Se crearon organismos comisionados exclusivamente para ejecutar la recopilación de información y producir mapas topográficos al nivel de países enteros, organismos que han subsistido hasta el día de hoy.. A mediados del siglo XVIII se usaron superposiciones de mapas para presentar los movimientos de las tropas en guerra. Estos pueden ser considerados los comienzos de los SIG.. Durante el siglo XIX muchos cartógrafos y científicos fueron descubriendo el potencial de las superposiciones para representar varios niveles de información en un área. En este siglo, caracterizado por su avance tecnológico basado en el conocimiento científico de la tierra, se produjo grandes volúmenes de información geomorfológica que se debía cartografiar. La orientación espacial de la información se conservó con la superposición de mapas temáticos especializados sobre un mapa topográfico base.. Recientemente, la fotografía aérea y particularmente la imágenes de satélite, han permitido la observación periódica de los fenómenos sobre la superficie. 6.

(11) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ de la corteza terrestre. La información producida por este tipo de sensores ha exigido el desarrollo de herramientas para lograr una representación cartográfica de este tipo de información.. El medio en el cual se desarrollaron estas herramientas tecnológicas correspondió a ciencias como la teledetección, análisis de imágenes, reconocimiento de patrones y procesamiento digital de información, en general estudiadas por físicos, matemáticos y científicos expertos en procesamiento espacial. Obviamente, éstos tenían un concepto diferente al de los cartógrafos, con respecto a la representación visual de la información. En el siglo pasado, más propiamente entre los años 60 y 70, la visualización digital de gráficos vivió importantes progresos, sin los cuales estos sistemas no habrían alcanzado el grado de utilidad que actualmente poseen (Jones, 1997). Este proceso evolutivo favoreció la aparición de los SIG a mediados de los 60.. El primer SIG fue el Sistema de Información Geográfica Canadiense, desarrollado en 1962 por Roger Tomlinson para el inventario de tierras del Canadá, consistente en el diseño de un sistema para almacenar mapas digitalizados y atributos correspondientes al terreno canadiense en un formato de fácil acceso. Este sistema aún se encuentra en operación (Parent y Church 1987).. 7.

(12) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. La era moderna de los SIG empieza en los años 70, cuando los analistas comienzan a programar computadoras para automatizar algunos procesos manuales. Algunas compañías de software como ESRI y ERDAS desarrollaron paquetes de software que permitían entrada, despliegue y manipulación de datos geográficos para crear nuevas capas de información.. En los años 80, se vio la expansión del uso de los SIG, facilitado por la comercialización simultánea de un gran número de herramientas de dibujo y diseño asistido por ordenador así como la generalización del uso de microordenadores y estaciones de trabajo en la industria.. Los años 90 se caracterizaron por la madurez en el uso de estas tecnologías en los ámbitos tradicionales mencionados y por su expansión a nuevos campos. Rápidamente los SIG se comienzan a utilizar en cualquier disciplina que necesite la combinación de planos cartográficos y bases de datos como en estudios hidrológicos, medioambientales, geológicos, geofísicos, entre otros.. El desarrollo de los SIG en la última década ha tenido un verdadero auge, constituyéndose en una herramienta muy útil en los procesos de modelación de diversa índole.. 8.

(13) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Los constantes avances en las especificaciones y en el poder del hardware en los últimos diez años, y la disminución de sus costos, han hecho la tecnología SIG accesible a un amplio rango de usuarios, a tal punto que la tasa de crecimiento de la industria SIG ha superado las proyecciones más optimistas.. 1.1.3. Contexto actual. Los SIG ocupan hoy en día un lugar prominente entre las herramientas computacionales modernas y constituyen un apoyo invaluable en la toma de decisiones de problemas con una dimensión espacial.. Constituyen una tecnología relativamente reciente y representan una herramienta muy poderosa para el análisis y modelación de una multitud de problemas cuya componente común es la variabilidad espacial. Sin embargo, el costo de implementar un SIG puede ser particularmente significativo cuando se considera la inversión que representa la adquisición de datos, especialmente en casos donde la disponibilidad de información en formato digital es escasa.. En la medida en que la disponibilidad de información, en formato digital, sea mayor y crezca también la difusión y divulgación de este tipo de tecnología (y. 9.

(14) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ con ello la cantidad de personal capacitado sea mayor), mayor será el número de aplicaciones hidrológicas vía SIG.. Los SIG y la Hidrología son dos campos de trabajo que comparten muchos intereses. Por esa razón, cada vez más investigadores se ayudan de los SIG para la construcción de modelos hidrológicos, especialmente cuando es necesaria la representación espacial de redes de drenaje.. En cuanto al potencial de aplicación de los SIG en el ámbito de la Hidrología, hay numerosos ejemplos en la literatura; la utilización puede ir desde simples aplicaciones para cálculos hidrológicos específicos hasta el desarrollo de sistemas expertos que permiten la planeación y operación óptima de los recursos hidráulicos a nivel regional, o bien para la operación óptima de un sistema de control de crecidas, todo ello pasando por la modelación hidrológica de cuencas acoplando un SIG con un modelo hidrológico, del cual el modelo HEC HMS es un ejemplo.. Para un estudiante de Hidrología que acude por primera vez a las herramientas de captura y análisis de datos, siempre será estimulante saber que existen los SIG que permiten obtener el área de una cuenca, las pendientes del terreno, las longitudes de los ríos, etc., de una manera más eficiente y rápida y, sin tener que acudir a los métodos tradicionales. Resulta. 10.

(15) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ claro por lo tanto, que en el futuro de las aplicaciones hidrológicas vía SIG, las Universidades jugarán sin duda un papel relevante.. Este trabajo, modesto en sus alcances y objetivos, persigue la idea de mostrar la enorme potencialidad de los SIG en el ámbito hidrológico.. 1.2.. Características de la zona de estudio. Para tener una idea más clara del contexto sobre el cual se desarrolla el presente trabajo, es necesario realizar en primera instancia una descripción resumida de las características generales de la zona en estudio, que en este caso corresponde a la República de Bolivia.. 1.2.1. Datos generales3. La República de Bolivia se encuentra localizada en el continente sudamericano, entre las coordenadas 09° 40’ y 22° 54’ de latitud sur y 57° 27’ y 69° 39’ de longitud oeste, con una superficie de 1.098.581 km² y una población estimada de 8.8 millones de habitantes.. Está atravesada por la Cordillera de Los Andes, conformando tres grandes zonas topográficas: Altiplano en el sector occidental, Valles en el centro del 3. www.solobolivia.com. 11.

(16) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ país y Llanos en el sector oriental, con altitudes que sobrepasan los 6,500 msnm. Estas características pueden ser observadas en la figura del anexo 1.1.. 1.2.2. Sistema hidrográfico. El sistema hidrográfico de Bolivia comprende tres grandes cuencas: la cuenca Amazónica al norte, la cuenca del Plata al sur y la cuenca Lacustre o endorreica al oeste.. Cuenca Amazónica o del Norte. La cuenca amazónica de Bolivia se halla ubicada entre los 9°38' a 20°30' de latitud sur y 59°58' a 69°30' de longitud oeste, con una extensión aproximada de 724,000 km², ocupando el 65.9% del territorio nacional; está limitada en el norte por el río Abuná en la frontera con Brasil, y corresponde a la mitad superior de la cuenca del río Madeira. Sus ríos son largos, caudalosos y navegables en gran parte de sus cursos.. Esta cuenca que es la más importante del país, comprende las aguas de la infinidad de ríos tributarios que, en su mayor parte, bajan desde las cordilleras Central y Oriental, y otros desde las vertientes y llanuras, y está. 12.

(17) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ conformada al mismo tiempo por una infinidad de lagos y lagunas, como se muestra en la figura 1.1.. Fig. 1.1. Cuenca Amazónica4. Cuenca Platense o del Sur. Tiene una superficie de 229,500 km² (20.9% del territorio nacional) y está situada entre los 18°36' a 22°59' de latitud sur y 57°30' a 66°40' de longitud oeste. Su nombre obedece al estuario del Río de la Plata donde van las aguas de todos los ríos que la conforman, que son el río Pilcomayo, río Bermejo y río Paraguay. 4. Fuente: www.solobolivia.com/geografía/cuenca_amazónica. 13.

(18) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Está conformada por varios lagos y lagunas que se encuentran en esta parte del territorio. Esta cuenca se muestra en la figura 1.2.. Figura 1.2. Cuenca del río de La Plata5. Cuenca Lacustre o Endorreica. Este tercer sistema hidrográfico de Bolivia, llamado cuenca interior, cerrada o endorreica, está ubicada entre los 14°38' a 22°58' de latitud sur y 66°14' a 69°40' de longitud oeste, cubriendo 145,081 km² de superficie (13.2% del territorio nacional).. 5. Fuente: www.solobolivia.com/geografía/cuenca_del_plata. 14.

(19) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Está formado principalmente por los lagos Titicaca y Poopó, y por los salares de la región, como son los salares de Uyuni y Coipasa. Ambos lagos están conectados por el río Desaguadero, que nace en el lago Titicaca y lleva sus aguas hasta el lago Poopó.. Entre los salares (mantos de sal generados por evaporación de agua de lluvia), están entre los más importantes, el salar de Uyuni y el de Coipasa. El Salar de Uyuni es tan extenso como el lago Titicaca, y se encuentra al oeste del departamento de Potosí, con un altitud media de 3,653 metros sobre el nivel del mar. La cuenca así descrita se muestra en la figura 1.3.. Figura 1.3. Cuenca Lacustre6. 6. Fuente: www.solobolivia.com/geografía/cuenca_central. 15.

(20) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Los ríos de esta cuenca son pocos y se caracterizan por no tener salida a los océanos. Nacen en las alturas cordilleranas y mueren en la meseta andina; son cortos, de escaso caudal y ninguno es navegable, a excepción del Desaguadero que es surcado por pequeñas embarcaciones de poco calado.. Estas tres cuencas que conforman el sistema hidrográfico del país, son las principales fuentes de recursos hídricos disponibles en el país.. 1.2.3. Distribución mensual de las precipitaciones. En lo que se refiere al régimen de precipitaciones, el mapa de isoyetas mostrado en el anexo 1.2, refleja los enormes contrastes en la precipitación media anual en el país, que fluctúan desde menos de 200 mm al sudoeste del país (Uyuni) hasta más de 5,000 mm en la zona central del país, como es el caso de la zona del Chaparé.. Esta situación puede observarse en los gráficos siguientes, en los cuales se muestran las medias mensuales multianuales de precipitaciones por cuencas, según las estaciones más representativas en cada caso.. En la cuenca del Amazonas, se puede observar que todas las estaciones muestran estacionalidad en la precipitación en los meses de invierno (Junio a Agosto), caracterizados por ser muy fríos y con poca o ninguna precipitación,. 16.

(21) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ aunque la precipitación acumulada durante el año sobrepasa los 1,500 mm, como se muestra en la figura 1.4.. Precipitación media mensual multianual CUENCA DEL AMAZONAS. 350.0. Precipitación (mm). 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. Meses Apolo. Cobija. Guayaramerín. San Joaquín. Trinidad. Figura 1.4. Precipitación media mensual multianual en la cuenca del Amazonas. Para la cuenca del río de La Plata, la estacionalidad sigue restringida a los meses de invierno, pero en este caso los valores mínimos se dan cercanos al cero, lo que nos indica la presencia de épocas críticas en la que no existe precipitación.. Las características de ésta cuenca en lo que se refiere a precipitación puede observarse en la figura 1.5.. 17.

(22) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ P recipitación m edia m ens ual m ultianual C U E N C A D E L R IO D E LA P LA T A Precipitación (mm). 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. Meses La T orre. Sucre. T alula. T arija. Yacuiba. Figura 1.5. Precipitación media mensual multianual en la cuenca del río de La Plata. En la cuenca endorreica, el problema es aún mayor, ya que los meses críticos se amplían de Abril a Septiembre. En esta cuenca, se presentan precipitaciones que no sobrepasan los 200 mm/año, como ocurre en los salares de Uyuni y Coipasa. Esta situación se representa en la figura 1.6. Precipitación media mensual multianual CUENCA LACUSTRE 120.0. Precipitación (mm). 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 ENE. FEB. MAR. ABR. MAY. JUN. JUL. AGO. SEP. OCT. NOV. DIC. Meses Calacoto. La Paz. Puna. Oruro. Salinas de Garci Mendoza. Figura 1.6. Precipitación media mensual multianual en la cuenca Lacustre. 18.

(23) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ En general, sobre el conjunto de las cuencas de Bolivia, la precipitación media es del orden de los 1,400 mm/año. Las tres grandes cuencas del país muestran importantes diferencias en cuanto a su pluviosidad media.. La cuenca Amazónica recibe una precipitación de alrededor de 1,800 mm/año, mientras que la del Río de La Plata solo recibe 850 mm/año. La cuenca Lacustre, es aún menos favorecida que esta última, y en la totalidad de su superficie recibe alrededor de 420 mm/año.. Estos datos muestran que la cuenca Amazónica tiene el doble de precipitación que la del Río de La Plata y cuatro veces más que la del Altiplano (Balance Hídrico de Bolivia, 1990). Esta situación se puede apreciar en la figura 1.7. P r e c ip it a c ió n m e d ia m u lt ia n u a l p o r c u e n c a s 3 0 0 .0. 2 0 0 .0 1 5 0 .0 1 0 0 .0 5 0 .0. A m az on as L a P lata. DIC. NOV. OCT. L ac u s tr e SEP. AGO. JUL. JUN. MAY. MAR. ABR. FEB. 0 .0 ENE. Precipitación (mm). 2 5 0 .0. M eses. Figura 1.7. Precipitación media mensual multianual en las tres cuencas. 19.

(24) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ La disponibilidad de agua se encuentra muy restringida en las cuencas del Plata y Endorreica, por la evidente mala distribución del agua a lo largo del año. Esto significa que en los meses de escasez se hace necesario el almacenamiento del recurso para su utilización.. Como resumen de todo lo anteriormente descrito, respecto a las características hidrológicas de las tres cuencas, se puede mencionar los siguientes aspectos:. •. Las precipitaciones son marcadamente estacionales, presentándose escasez total de agua en varios meses en las cuencas Endorreica y del Plata. Las precipitaciones en estas dos cuencas difieren substancialmente de las de la cuenca Amazónica, donde el problema se presenta en los meses muy húmedos por las continuas inundaciones.. •. Dentro de las cuencas, existen zonas donde el problema es aún mayor. Al sur del Altiplano (Uyuni, Coipasa) las precipitaciones medias anuales no sobrepasan los 150 mm de agua.. •. La aleatoriedad de las precipitaciones es mayor en la cuenca Endorreica, y es casi similar en las cuencas del Plata y Amazónica, lo cual es. 20.

(25) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ consistente con el carácter de cuenca cerrada que tiene la cuenca Endorreica.. •. Históricamente, se presentan períodos de sequía críticos en las cuencas Endorreica y del Plata por efecto de la influencia de la corriente del Niño. Estos períodos de sequías tienen como contraparte grandes inundaciones en la cuenca Amazónica.. 1.2.4. Diagnóstico sobre usos y aplicaciones de los SIG en Bolivia. En la gestión 1999, durante un seminario realizado en las ciudades de La Paz y Santa Cruz, se realizó un relevamiento de la situación de la tecnología SIG y sus aplicaciones en Bolivia, cuyos resultados muestran que la cantidad de proyectos en ejecución en el país es sumamente baja en relación a las posibilidades que existen sobre la aplicación de esta tecnología.. El escenario boliviano de los Sistemas de Información Geográfica presenta características particulares en cuanto a su segmentación y es posible verificar que los segmentos que están haciendo mayor uso de la tecnología de los SIG en sus procesos de administración de datos geográficos y tomas de decisión, son por orden de importancia los siguientes:. 21.

(26) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ •. Medio ambiente. •. Planificación Rural y Regional. •. Servicios Básicos. •. Educación. •. Forestal. •. Recursos Naturales. •. Otros. Como se puede observar, la utilización de los SIG en aplicaciones hidrológicas específicamente, muestra un panorama desalentador, pues los proyectos y/o trabajos de investigación desarrollados con esta tecnología son muy pocos, y son elaborados en forma aislada y específica.. Uno de ellos corresponde al proyecto SIG-PELT (Proyecto Especial Lago Titicaca), cuyas acciones están referidas al desempeño activo en la evaluación, análisis, procesamiento y producción de información de los recursos naturales, procesos y condiciones ambientales, y las diferentes variables socioeconómicas. Sus aplicaciones están orientadas a la planificación y uso del territorio, todo ello en el marco del desarrollo sostenible de la cuenca altiplánica del lago Titicaca.. Entre sus aplicaciones se puede mencionar las siguientes:. 22.

(27) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. •. Inventario, Evaluación y Monitoreo de los Recursos Naturales, tales como ecosistemas de bofedales (afloramientos de aguas subterráneas en el altiplano) y totorales (vegetación arbustiva tipo bambú), los que son mostrados en la figura 1.8, y calidad de aguas.. Bofedales. Totorales. Figura 1.8. Bofedales y totorales en la cuenca lacustre. •. Ordenamiento ambiental (Zonificación ambiental y plan de ordenamiento del territorio).. •. Monitoreo de la vulnerabilidad (Prevención de desastres naturales). Existen algunos otros proyectos puntuales, como es el caso de la cuenca Molino Mayu, donde se realizó modelación hidrológica con el uso del modelo hidrológico HEC HMS y el sistema de información geográfica ILWIS para la. 23.

(28) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ determinación de caudales máximos, trabajo realizado por el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad de San Simón de la ciudad de Cochabamba (LH -UMSS) y el Programa de Manejo Integral de Cuencas (PROMIC).. Como se puede observar a lo largo de este acápite, la existencia de proyectos e investigaciones con aplicaciones de los sistemas de información geográfica, especialmente en el ámbito hidrológico, es muy reducida.. Finalmente, es de esperarse que en países como Bolivia, donde es todavía incipiente la utilización de los SIG con propósitos hidrológicos, esta vía sea cada vez más explorada.. 24.

(29) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. 2.. JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS. 2.1.. Identificación del problema. Sobre la base del diagnóstico anterior se han detectado una serie de dificultades y limitaciones respecto a la utilización de los sistemas de información geográfica en aplicaciones ingenieriles, y por tanto, hidrológicas, sin embargo, el origen de todas ellas se genera por la falta información georreferenciada o el acceso a ella, y el incipiente uso de las tecnología SIG en aplicaciones hidrológicas.. El problema, como se puede deducir, radica fundamentalmente en los dos aspectos antes mencionados: por un lado, la falta de un sistema de información geográfica, y por otro, la información hidrológica procesada a nivel nacional, que permita a los usuarios del mismo, la posibilidad de tomar decisiones sobre la base de los resultados obtenidos a través de este sistema.. Por tanto, el problema principal que pretende resolver con este trabajo, es la carencia de este sistema acoplado.. 25.

(30) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ 2.2.. Justificación. La implementación del SIG hidrológico está plenamente justificada, debido fundamentalmente a dos aspectos: el primero, relacionado con las características del escenario bajo el cual se desarrollan proyectos o estudios a lo largo y ancho del territorio nacional, con la utilización de los SIG, especialmente en el ámbito hidrológico, y el segundo, por la necesidad de un manejo integral del agua debido a la situación irregular en la distribución de recursos hídricos que se presenta en las tres cuencas del país.. En lo que respecta al primer aspecto, se resumen a continuación algunos aspectos de importancia que justifican plenamente la necesidad de implementar el SIG hidrológico.. •. Carencia de personal capacitado en el manejo de nuevas tecnologías destinadas. a. la. generación. y. administración. de. información. georreferenciada.. •. Disponibilidad. oficial. de. información. georreferenciada. limitada. principalmente a ofertas del Instituto Geográfico Militar (IGM) que comercializa la cartografía nacional topográfica a escala 1:50.000, 1:250.000 y 1:1000.000.. 26.

(31) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. •. Costo de información digital disponible en el IGM demasiado alto para los usuarios.. •. Limitaciones. presupuestarias. de. las. instituciones,. empresas. y. organizaciones para encarar proyectos con el uso de tecnología SIG.. •. Duplicidad en esfuerzos e inversiones y un frenado impacto de los beneficios de la tecnología SIG debido a la falta de intercambio de datos y coordinación entre las instituciones involucradas en el procesamiento de información geográfica.. •. Deficiencia crónica en cuanto a la disposición de datos de otras instituciones, accesibilidad a información vital e importante y una grave tendencia de no difundir y compartir datos elaborados en la propia institución.. •. Falta de información geográfica actualizada y confiable en formato digital.. •. Tendencia de mantener un equipo técnico capacitado demasiado reducido o insuficiente en las instituciones que trabajan con SIG.. 27.

(32) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ •. Inexistencia de información hidrológica regional y la consiguiente dificultad para establecer a priori, posibilidades de ejecución de diferentes tipos de proyectos.. •. Realización de estudios y proyectos en forma aislada y específica.. •. Estudios hidrológicos basados en general sobre cartografía impresa.. •. Incipiente utilización de los SIG con propósitos hidrológicos.. Respecto al segundo aspecto, es decir, al manejo racional de los recursos hídricos en las tres cuencas hidrográficas, se hace necesario realizar una evaluación de los mismos tanto a nivel espacial como temporal, de manera tal que ello permita realizar una planificación nacional sobre el uso de los recursos hídricos a corto y mediano plazo.. En el transcurso de los últimos cinco años, se ha observado un crecimiento acelerado antes no advertido, del interés de diferentes instituciones de investigación a nivel latinoamericano sobre temas en “Manejo Integral de los Recursos Hídricos”, “La Gestión del Agua y las Cuencas”, “Manejo de Cuencas Hidrográficas”, “Ordenamiento Territorial” y otras similares, cuyo sentido principal es enfocar la atención del Estado en cada nación. 28.

(33) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ suramericana hacia una administración eficiente de los recursos naturales renovables (agua, vegetación, etc.).. En este aspecto, se han advertido las siguientes dificultades:. •. Carencia de una metodología que permita abordar de manera integral el manejo del agua. •. Ausencia de aplicaciones ingenieriles que ofrezcan soluciones veraces a los módulos de la administración del agua, tales como el monitoreo del recurso hídrico y el control de su aprovechamiento por parte de los diversos usuarios reales y potenciales. •. Ausencia de herramientas científicas que permitan abordar las diferentes fases del ciclo hidrológico desde los enfoques dinámicos y estocásticos.. De esta manera, los problemas detectados por las limitaciones en el uso de los SIG fundamentalmente en aplicaciones hidrológicas, y las características de la zona en estudio, justifican plenamente la necesidad de disponer de un SIG hidrológico que permita tanto el manejo de información georreferenciada como de información hidrológica al mismo tiempo.. 29.

(34) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Este trabajo reviste fundamental importancia, por cuanto la disponibilidad de información hidrológica que se pueda generar por este sistema a nivel nacional, permitirá a diferentes organismos e instituciones relacionadas con la problemática de la evaluación de los recursos hídricos, acceder a este sistema para los fines que considere conveniente.. Es necesario puntualizar, que a la fecha no existe en el país un sistema de información hidrológica con cobertura nacional de uso público, como tampoco existen instituciones (universidades, organismos oficiales, no gubernamentales, etc) que hayan implementado este tipo de trabajos a nivel nacional.. 2.3.. Objetivos. Objetivo general. Implementar un SIG hidrológico de dominio público para la República de Bolivia sobre la base del software HidroSIG Java. Objetivos específicos. •. Procesar el Modelo Digital de Elevación de Bolivia.. 30.

(35) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ •. Estructurar y sistematizar una base de datos de la información hidrometeorólogica e hidrométrica perteneciente a todas las regiones del país.. •. Generar mapas de variables hidrometeorológicas.. •. Desarrollar una aplicación regional utilizando el HidroSIG y un modelo conceptual.. 31.

(36) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. 3.. MARCO TEÓRICO. El desarrollo del presente trabajo, está sustentado teóricamente sobre dos pilares: los sistemas de información geográfica y la información hidrológica, y el acople de ambos.. Sin embargo, antes de entrar en el desarrollo del sustento teórico propiamente dicho, es necesario nuevamente hacer referencia al uso de los SIG en aplicaciones hidrológicas.. Los SIG ocupan hoy en día un lugar prominente entre las herramientas computacionales modernas y constituyen un apoyo invaluable en la toma de decisiones de problemas con una dimensión espacial.. Como punto de partida se establece una visión global de los esfuerzos realizados en el pasado y las tendencias actuales observadas a la hora de aplicar estos sistemas al análisis hidrológico.. Desde el modelo de Stanford (Crawford y Linsley, 1966), muchos han sido los esfuerzos que se han realizado para representar numéricamente los procesos hidrológicos que tienen lugar en una cuenca hidrográfica.. 32.

(37) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Concretamente en el ámbito hidrológico, el número de modelos que se acoplan a un SIG o viceversa, crece cada vez más y es predecible que en un futuro la ingeniería hidrológica aproveche la enorme funcionalidad y potencialidad de los SIG en beneficio de una simulación más apegada a las características físicas de los problemas.. Los SIG y la Hidrología son dos campos de trabajo que comparten muchos intereses. Por esa razón, cada vez más investigadores se ayudan de los SIG para la construcción de modelos hidrológicos, especialmente cuando es necesaria la representación espacial de redes de drenaje.. Este trabajo pretende mostrar justamente la potencialidad de los SIG en el ámbito hidrológico, utilizando el software desarrollado por el Programa de Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín, denominado HidroSIG Java, por haber sido desarrollado bajo este lenguaje.. 3.1.. HidroSIG Java. HidroSIG Java es un sistema de información geográfica con herramientas especiales que permiten realizar estimaciones y análisis de variables hidrológicas, climáticas y geomorfológicas.. 33.

(38) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Para este efecto, utiliza tres tipos de información. •. Información raster de modelos digitales de elevación y variables hidrológicas distribuidas espacialmente.. •. Información puntual de sitios de interés y estaciones de medición hidroclimatológica.. •. Información en formato vectorial.. Respecto al primer tipo de información, es decir, formato raster, se encuentran los modelos digitales de terreno y las variables hidrológicas, información que puede ser importada desde los software Idrisi, Ilwis y Arc View. Los primeros describen la variación espacial de la altitud del terreno respecto al nivel medio del mar, y los segundos muestran la distribución espacial del resto de variables de interés en el estudio.. La información puntual está relacionada con la ubicación de capitales de departamento y municipios, así como de las estaciones hidrometerorológicas de diferentes tipos, con sus respectivos registros de variables.. 34.

(39) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Finalmente, la información vectorial relacionada con límites territoriales (departamentales, nacionales e internacionales), cuencas y ríos.. Toda esta información es almacenada en una base de datos, la cual se constituye en la estructura principal del SIG hidrológico.. 3.2.. Modelos digitales de terreno. Los modelos digitales de terreno o MDT’s, son herramientas muy utilizadas para el almacenamiento y procesamiento de información topográfica. La representación de la topografía se la realiza en mallas rectangulares regulares, en la cual la distribución de cotas se aproxima con un arreglo rectangular denominado píxel.. El uso generalizado de los MDT’s tiene una estrategia común que consiste, en primer lugar, en estimar las direcciones de flujo sobre la superficie del terreno y, posteriormente, ubicar la trayectoria de los cauces para definir la red de drenaje y sus características geomorfológicas.. Para estimar las direcciones de flujo, un MDT debe ser procesado. Este procesamiento consiste en estimar la dirección de flujo del agua sobre la superficie del terreno que el MDT representa, a través de algoritmos incorporados en el SIG.. 35.

(40) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. En el caso específico del HidroSIG, éste tiene incorporado el modelo de direccionamiento D8, que reproduce muy bien la red de drenaje en cuencas de área tributaria grande y corrientes bien formadas (Martz y Garbrecht, 1992).. El procesamiento de un MDT7 a través del HidroSIG, contempla diferentes pasos, que pueden ser resumidos en los siguientes:. •. Interpolación a partir de curvas de nivel.. •. Direcciones de drenaje. •. Correcciones. Interpolación de curvas de nivel. La interpolación de curvas de nivel se desarrolla bajo los siguientes pasos:. •. Generación de un archivo vectorial de curvas de nivel proveniente de un CAD.. •. Creación de grilla con resolución deseada y asignación de cotas en las esquinas.. 7. VI Congreso Colombiano de Meteorología, Santa Fe de Bogotá, mayo de 2002. 36.

(41) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ •. Rasterización de las curvas de nivel.. •. Interpolación entre curvas a través del software Idrisi.. •. Interpolación usando TIN entre puntos sobre las curvas (Surfer).. Direcciones de drenaje. Las direcciones de drenaje se obtienen calculando la máxima pendiente en cada píxel y asignándole una de ocho direcciones posibles.. Este procedimiento se esquematiza en la figura 3.1. 1. 2. 3. 4. ?. 6. 7. 8. 9. Figura 3.1. Direcciones posibles de drenaje8. En este proceso se presentan problemas que deben ser resueltos antes de la estimación de las direcciones de drenaje, y aparecen cuando una celda no tiene una celda adyacente más baja hacia la cual drenar. Estos problemas 8. Manual HidroSIG Java. 37.

(42) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ ocurren en todos los MDT’s y se suponen asociados a errores de medición, fallas en la interpolación, y problemas de resolución, y son conocidos como pits, bifurcaciones, zonas planas y sumideros.. Correcciones. Los pits y bifurcaciones son problemas locales que se presentan con frecuencia, pero son relativamente fáciles de corregir.. Los pits se presentan cuando la máxima pendiente es negativa y se los corrige ajustando la cota de la celda a la cota mínima de las adyacentes, como se ilustra en la figura 3.2.. Figura 3.2. Esquema de pits9. Las bifurcaciones se presentan cuando dos o más celdas comparten la máxima pendiente (>0) y se las corrige calculando una dirección equivalente 9. Manual HidroSIG Java. 38.

(43) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ entre las celdas que llegan, según una operación binaria preestablecida. Esta situación se observa en la figura 3.3. Figura 3.3. Bifurcaciones10. Las zonas planas y los sumideros son difíciles de corregir.. Las zonas planas son difíciles de identificar. Se corrigen de manera tal que el drenaje vaya de las partes altas hacia la salida de la zona plana, realizando dos correcciones diferenciales de cota en cada celda, dependiendo de la distancia a la salida de la zona plana y de la distancia desde la parte alta circundante, debiendo calcularse el máximo incremento.. La figura 3.4 muestra esta corrección 10. Manual HidroSIG Java. 39.

(44) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Figura 3.4. Corrección de zonas planas11. El tipo de problema más grave se conoce con el nombre de “sumideros” y consiste en grupos cerrados de celdas con la misma cota y que están rodeados por celdas más altas. Para la corrección de los sumideros se ha usado generalmente la metodología del “llenado” o “flooding algorithm” propuesto por Jenson y Domingue (1988), y más recientemente, el algoritmo de rompimiento propuesto por Garbrecht y Martz (1999).. 11. Manual HidroSIG Java. 40.

(45) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ La corrección consiste en encontrar una abertura o vertedor (V), cortar o llenar. En cada V se puede cortar, cortar-llenar ó llenar, según criterios de altura y número de celdas a llenar, y siempre queda, al menos, una zona plana.. 3.3.. Estimaciones Hidrológicas.. La estimaciones hidrológicas están fundamentadas sobre los métodos y técnicas utilizadas en la construcción de mapas de las diferentes variables hidrometeorológicas, como ser precipitación, evaporación, nubosidad, radiación y otras, que pueden ser incorporados al HidroSIG.. Estos. mapas. son. construidos. sobre. la. base. de. información. hidrometeorológica medida o generada, si es el caso, por lo tanto, la calidad de los mismos está ligada directamente a la disponibilidad y tipo de información utilizada, así como a los métodos de construcción.. Un caso particular es el de la evapotranspiración real, que debe estimada cuando no se dispone de información de evaporación real medida.. Para el caso en estudio, a fin de realizar la generación de caudales en cuencas de la zona en estudio, se requiere de la elaboración de mapas de. 41.

(46) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ precipitación media mensual y anual, así como mapas de evapotranspiración real, por cuanto no se dispone de información de evaporación real.. Construcción de mapas de precipitación y evapotranspiración real. Los mapas de precipitación se generan directamente sobre la base de la información puntual medida en las diferentes estaciones de registros, información. que. debe. ser. sometida. a. un. análisis. cualitativo. fundamentalmente, mientras que los mapas de evapotranspiración real requieren en primera instancia de la estimación de la misma.. La estimación de la evapotranspiración real puede realizarse por diferentes métodos, dependiendo de la disponibilidad de información existente, que puede ser medida o generada.. Entre los métodos más utilizados, se encuentran los métodos de Thornthwaite – Matter, Budyko y Turc.. a). Método de Thornthwaite - Matter. La estimación de la evapotranspiración real a través de este método puede ser realizada partiendo del conocimiento de las precipitaciones medias. 42.

(47) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ mensuales y de la evapotranspiración potencial mensual estimada, mediante un balance del agua en el suelo a lo largo del año.. Este método requiere previamente por lo tanto, la estimación de la evapotranspiración potencial mensual, la cual también puede ser obtenida a través de diferentes métodos en función a la disponibilidad de información.. Entre los métodos más conocidos se pueden citar Thornthwaite, Blaney y Criddle, Hargreaves y Penman, métodos que requieren de información específica en cada caso.. La estimación de la evapotranspiración potencial utilizando formulaciones empíricas depende de la fuente de datos disponible y del ajuste del método a las condiciones locales. En general, estas formulaciones están basadas en temperatura y radiación.. Dentro de las basadas en la temperatura se encuentran las ecuaciones de Thornthwaite y de Hargreaves como aquellas más utilizadas. La única justificación. para. utilizar. estas. fórmulas. en. la. estimación. de. la. evapotranspiración potencial es el requerimiento mínimo de datos y una secuencia a nivel mensual.. 43.

(48) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ De estos dos métodos, el más simple en cuanto a requerimiento de información es el de Thornthwaite, cuyo sustento teórico se fundamenta básicamente en la temperatura media mensual.. La relación de Thornthwaite se basa en los índices térmicos mensuales, que se calculan a partir de las temperaturas medias mensuales de la zona, por tal motivo, es un método muy difundido, ya que la medición de este parámetro es la más común.. Para la estimación de la evapotranspiración potencial, el método utiliza la siguientes relaciones: 1.514. ⎛t⎞ i=⎜ ⎟ ⎝5⎠ 12. I = ∑i i =1. a = 0.000000675I 3 − 0.0000771I 2 + 0.01792 I + 0.49239 ⎛ 10t ⎞ e = 16⎜ ⎟ ⎝ I ⎠. a. ETP = k * e donde: t. = Temperatura media mensual multianual del aire en el respectivo. mes. i. = índice térmico de calor mensual. 44.

(49) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ I. = índice térmico de calor anual, calculado como la suma de los índices. térmicos mensuales e. = evapotranspiración potencial teórica mensual. k. = factor de corrección en función al mes y a la latitud. ETP. = evapotranspiración potencial mensual. De esta forma se obtiene la evapotranspiración potencial para cada mes, para cada una de las estaciones utilizadas en el estudio.. Definida la potencial, la evapotranspiración real puede ser estimada a partir de un balance de agua en el suelo, según el cual se va perdiendo agua para poder generar la evapotranspiración potencial hasta agotar la reserva.. Para realizar este balance hídrico mensual12, se requiere definir los siguientes parámetros:. P. = precipitación media mensual. ETP. = evapotranspiración potencial. P-ETP= diferencia entre la precipitación y la evapotranspiración potencial R. = reserva de agua en el suelo. VR. = variación de la reserva de agua. ETR = evapotranspiración real 12. Almorox, A.J.. 45.

(50) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ F. = déficit. Ex. = excesos. Los parámetros antes mencionados pueden ser descritos como sigue:. P – ETP. Es el balance mensual de entradas y salidas de agua del suelo. La diferencia permite clasificar los meses en secos (P – ETP< 0) y en meses húmedos (P – ETP > 0) según las entradas superen o no a las salidas.. Reserva (R). Cuando en un mes se produzcan más entradas que salidas, (P > ETP) el agua sobrante pasará a engrosar las reservas del suelo; por el contrario, cuando las salidas sean mayores que las entradas se reducirá la reserva del suelo.. Sin embargo, cuando se alcance la capacidad de retención del suelo, el agua añadida en "exceso" escurrirá superficialmente o en profundidad. Por tanto, debe considerarse en este caso, el concepto de reserva máxima o cantidad de agua por unidad de superficie (mm) que el suelo es capaz de almacenar en su perfil.. 46.

(51) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Se toma normalmente el valor de 100 mm como referencia climática, de manera tal que ello permita realizar comparaciones entre distintas zonas (independientemente de suelo y vegetación).. Bajo estas consideraciones, la reserva del mes "i" (en función de la del mes anterior "i -1") será igual a:. R i -1 + (Pi - ETPi ). si. 0 < R i-1 + (Pi - ETPi ) < R máx. R máx. si. R i-1 + (Pi - ETPi ) > R máx. 0. si. 0 > R i-1 + (Pi - ETPi ). Los valores de la reserva se irán acumulando mes a mes en el período húmedo, según los incrementos P - ETP > 0, y disminuirán al llegar el período seco, decreciendo mes a mes según los valores mensuales P - ETP < 0. Como se puede observar, la reserva nunca tendrá como valor mayor que la reserva máxima, ni menor que cero.. Como se puede apreciar en la fórmula anterior, se precisa la reserva del mes anterior para comenzar el cálculo de la reserva, por ello, se le asigna un valor hipotético a un mes y se realizan ciclos anuales de cálculo hasta que la hipótesis de partida se confirme al final del ciclo.. 47.

(52) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Se suele suponer que después del período seco la reserva del suelo es nula, en consecuencia se empieza el cálculo de "R" con el primer mes húmedo y se asigna al mes anterior una reserva nula. Si, después de los cálculos, al final del período seco quedase agua en el suelo, se deberán recalcular las reservas agregando la reserva existente al final del período seco a las reservas del período húmedo.. Variación de la reserva (VR). Es la diferencia entre la reserva del mes y la del mes anterior, es decir:. VRi = Ri - Ri-1. Evapotranspiración real (ETR). Es el volumen de agua que realmente se evapotranspira en el mes, dependiendo de que haya suficiente agua disponible para evaporar y así llegar a la evapotranspiración potencial, por lo tanto, la ETPi es siempre mayor o igual a la ETRi).. El agua disponible para evaporar será la que cae como precipitación en el mes considerado y la que mantenemos en el suelo.. 48.

(53) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. En el período húmedo, al cubrir la precipitación la demanda potencial, la ETP real es igual a la potencial; es decir:. ETRi = ETPi.. En el período seco, el agua que se evapora será el agua de precipitación más la que se extrae del suelo ó variación de la reserva (la reserva que queda menos la que se tenía en el mes anterior); es decir:. ETRi = Pi + |VRi|. Déficit de agua (F). Es el volumen de agua que falta para cubrir las necesidades potenciales de agua (para evaporar y transpirar). Por tanto, la falta de agua será:. Fi = ETPi - ETRi.. Exceso de agua (Ex). Es el agua que excede de la reserva máxima y que se habrá perdido por escorrentía superficial o profunda. Por lo tanto:. 49.

(54) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Exi = [Pi - ETPi - VRi]. si. (Pi - ETPi) > 0. Exi = 0. si. (Pi - ETPi) ≤ 0. Como es lógico sólo puede haber exceso si la precipitación ha compensado previamente la ET, es decir, en los meses húmedos.. b). Método de Budyko. Este método utiliza como variables principales, la evapotranspiración potencial mensual y la precipitación mensual.. La relación empleada en la estimación de la evapotranspiración real, es:. ⎡ ⎛ ETP ⎞ ⎛ ETP ⎞ ⎞⎤ ⎛ P ⎞⎛ ETR = ⎢ETP * P * tanh⎜ ⎟⎜1 − cosh⎜ ⎟ + senh⎜ ⎟ ⎟⎥ ⎝ ETP ⎠⎝ ⎝ P ⎠ ⎝ P ⎠ ⎠⎦ ⎣. 0.5. donde:. ETR = evapotranspiración real. P. = precipitación mensual.. ETP. = es la evapotranspiración potencial mensual.. 50.

(55) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. c). Método de Turc. A diferencia de los dos anteriores métodos, la secuencia utilizada es anual. La relación que permite estimar la evapotranspiración real viene dada por:. P. ETR =. P² 0.90 + L². ETR = P. si. P/L > 0.316. si. P / L) < 0.316. L = 300 + 25 T + 0.05 T3. donde:. ETR = evapotranspiración real anual P. = precipitación del año considerado. T. = temperatura media anual en grados centígrados.. Definida la evapotranspiración real, es posible construir los mapas respectivos, con los cuales se pueden realizar las estimaciones hidrológicas con el HidroSIG, utilizando la técnica del balance hidrológico sobre cuencas, integrando de esta manera, la información de los mapas de variables hidrológicas con las direcciones de flujo estimadas en los MDT's.. 51.

(56) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Estas estimaciones consisten en balances de variables distribuidas sobre cuencas y polígonos arbitrarios, para la estimación de caudales medios usando mapas de precipitación y evapotranspiración real, caudales máximos y mínimos a partir de mapas de parámetros regionalizados, ciclo anual de caudales mediante modelo de tanques, así como tasas de erosión según la ecuación universal de pérdida del suelo.. 52.

(57) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. 4.. IMPLEMENTACIÓN DEL SIG HIDROLÓGICO. La metodología utilizada en este trabajo para la implementación del SIG hidrológico responde a la necesidad de sistematizar una base de datos, cuya cobertura abarque todo el territorio nacional y sobre la base de la cual sea posible obtener información hidrológica procesada que permita cumplir el objetivo final de un estudio hidrológico: la evaluación de los recursos hídricos.. Bajo este contexto, por tratarse de manejo de información abundante, la metodología está relacionada directamente con métodos de análisis cualitativo de información, por lo tanto, los resultados que pueda generar el SIG hidrológico dependerán fundamentalmente de la calidad de la información disponible en su estructura de datos.. 4.1.. Disponibilidad de información. Por las características del trabajo, ligado fundamentalmente al aspecto hidrológico, la información requerida consiste básicamente de registros de variables hidroclimáticas de todo el país.. 53.

(58) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Debido a esta situación, la principal fuente de información proviene del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI), organismo que tiene como función primordial, normar, administrar y centralizar la actividad hidrometeorológica en el país y cuidar del funcionamiento y mantenimiento de la Red Meteorológica e Hidrológica Nacional.. 4.2.. Recopilación de información. Por la necesidad de contar con la mayor cantidad posible de información, se recurrió no solamente al SENAMHI para la obtención de la misma, sino también a otras fuentes, tales como empresas consultoras nacionales y locales, consultores personales y finalmente, se obtuvo bastante información de internet.. La totalidad de información obtenida al respecto corresponde a un total de aproximadamente 200 estaciones de diferentes tipos, con registros mensuales en su totalidad, sobre la base de las cuales se ha realizado el análisis respectivo.. En lo que respecta a información geográfica, el modelo digital de elevación (DEM) fue obtenido de la página del U.S.G.S. (United States Geological Service), consistente en un modelo digital con una resolución de 60 arcseg.. 54.

(59) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ 4.3.. Metodología de trabajo. Para el cumplimiento de los objetivos específicos, y por tanto, del objetivo general del trabajo, la metodología desarrollada contempla básicamente los siguientes aspectos:. •. El análisis y procesamiento de la información hidrometeorológica.. •. La generación de mapas de variables hidrometeorológicas.. •. El procesamiento del modelo digital de elevación. •. Estructuración y sistematización de la base de datos. •. Finalmente, el desarrollo de una aplicación regional. 4.3.1. Análisis y procesamiento de la información hidrometeorológica. El análisis de la toda la información recopilada se dio inicio con la depuración de estaciones cuyos registros presentaban períodos muy cortos, períodos largos con poca o mínima información continua, así como intervalos continuos largos con falta de información.. Los criterios antes mencionados fueron utilizados para la selección de estaciones, por cuanto la posibilidad de realizar ajustes con estos registros era prácticamente incierto.. 55.

(60) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Como resultado de esta depuración, se seleccionaron un total de 120 estaciones, clasificadas básicamente en cuatro tipos dependiendo del tipo de variables de cada estación: Estaciones pluviométricas (PM), estaciones climatológicas principales (CP), estaciones sinópticas principales (SP) y estaciones limnimétricas (LM), sobre las cuales se ha elaborado el presente trabajo.. La distribución espacial de estaciones sobre el territorio nacional, se muestra en la figura 4.1. Figura 4.1. Ubicación de estaciones utilizadas en el estudio. 56.

(61) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Como se puede observar en la figura anterior, existe una mayor concentración de estaciones justamente sobre la zona cordillerana del país y donde se encuentra asentada la mayoría de la población nacional, existiendo por lo tanto, información muy reducida tanto en la parte nor oriental como en la parte sur occidental.. La información en todos los casos corresponde a información a nivel mensual, no existiendo registros a nivel diario en ningún caso.. Las características de estas estaciones se resumen en el anexo 4.1.. Análisis estadístico de la información. Una vez seleccionadas las estaciones básicas para el trabajo, se realizó un análisis estadístico tanto de aquellas estaciones con registros completos, como de aquellas con registros incompletos fundamentalmente.. Para la realización de este análisis se utilizó el modelo CHAC (Cálculo hidrometeorológico de aportaciones y crecidas) versión PreALFA 03g, de octubre de 2002, desarrollado por el Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX) del Ministerio de Fomento de España.. 57.

(62) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________ Para el análisis de la información, el modelo requiere de una base de datos en formato Lema, consistente en archivos de tipo txt, por lo que la totalidad de los registros fueron transformados a este formato.. El modelo contiene básicamente tres módulos, el primero de análisis estadístico que permite realizar un análisis de consistencia de series por el método de Dobles Acumulaciones y el completado estadístico de datos a través de correlación lineal múltiple.. Un segundo módulo que permite realizar la estimación de caudales medios mensuales.. Finalmente un tercer módulo, para el cálculo de crecidas utilizando el método Racional Modificado.. Completado de datos. Para el completado de datos en aquellas estaciones con registros históricos incompletos, se realizó una agrupación de estaciones hidrometeorólogicas considerando fundamentalmente regiones topográficas y cercanía entre ellas, para lograr de esta manera la mejor homogeneidad posible, habiéndose establecido de esta forma, siete grupos de estaciones homogéneas, como se muestra en el anexo 4.2.. 58.

(63) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. Es necesario puntualizar que para el completado de datos, solamente se han utilizado aquellas estaciones con registros completos cuya series tenían una longitud igual o mayor a la de las estaciones a completar, comprendidas además en el mismo período de registros, de ahí que el número de estaciones de los siete grupos de completado es menor al total de estaciones utilizadas en el estudio.. Para el relleno de datos, se utilizó el módulo de completado de datos del modelo CHAC, a través de correlación lineal múltiple.. Considerando que el completado de datos normalmente genera distorsiones en las series, especialmente en periodos largos, se realizó un análisis sobre la bondad del modelo en el relleno de datos, para lo cual se consideraron dos situaciones que normalmente se presentan en las series de registros históricos: una primera consistente en ausencia de datos en diferentes meses y años, y una segunda, con falta de información en todos los meses a lo largo de varios años continuos.. Para este efecto, se utilizaron tres estaciones muy homogéneas (número mínimo de estaciones que requiere el modelo), con las cuales se procedió al análisis respectivo, como se describe a continuación:. 59.

(64) MIC 2004 – I – 35 _____________________________________________________________. •. Para la primera situación, es decir, completado de datos en diferentes meses y en diferentes años, de una de las estaciones se eliminaron al azar, doce valores mensuales de doce años diferentes, obteniéndose así una estación con valores faltantes en 12 años. Luego de rellenados estos valores faltantes, fueron contrastados con los valores originales, construyéndose una gráfica de dispersión (figura 4.2-a) para observar el comportamiento del modelo.. •. Para la segunda situación, se eliminaron registros de doce años continuos y se realizó el relleno en cuestión, construyéndose otra gráfica de dispersión (figura 4.2-b) entre valores rellenados y originales.. Los resultados obtenidos para ambas situaciones se ilustran en la figura 4.2. Primera situación. Segunda situación. 160.0. 250.0. y = 0.9988x R2 = 1. y = 0.9355x R2 = 0.9664. 200.0. Datos rellenados. Datos rellenados. 120.0. 80.0. 150.0. 100.0. 40.0. 50.0. 0.0. 0.0 0.0. 40.0. 80.0. 120.0. 160.0. 0.0. 50.0. Datos originales. (a). 100.0. 150.0. 200.0. 250.0. Datos originales. (b). Figura 4.2. Gráficas de dispersión. 60.