analisis espaciotemporal precipitacion san buenaventura

8/2/2019 Analisis Espaciotemporal Precipitacion San Buenaventura

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ANL ISIS DE DISTRIBUCIN ESPACIO TEMPORAL DE LA PRECIPITACINUTILIZANDO HERRAMIENTAS PROCESAMIENTO ESPACIAL DE INFORMACIN

HCTOR PIZARRO DAZJOS MIGUEL GUTIRREZ A.

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERIA

ESPECIALIZACIN EN SISTEMAS DE INFORMACIN GEOGRFICAMEDELLN2006


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INTRODUCCINEl anlisis espacial de variables es de suma importancia para poder comprender el

comportamiento de fenmenos naturales que vara espacialmente influenciadas por el

medio fsico que las rodea, es una herramienta de gran utilidad para variadas

disciplinas y sirven para tomar decisiones que pueden afectan las actividades humanas.

En el rea del manejo de recursos hdricos el anlisis espacial de variables hace parte

de estado del arte actual ya que facilita la interpretacin de los procesos hidrolgicos

que se tienen en cuenta en la planeacin, diseo y construccin de obras hidrulicas.

Un caso especfico tiene que ver con la planeacin del recurso hdrico en las centrales

de generacin hidroelctrica, el conocimiento no solo de la cantidad sino tambin de su

disponibilidad en el tiempo se convierte en factor crtico de decisin sobre la cantidad

de energa que puede producirse y lo es an ms en un mercado energtico

competitivo como lo es el colombiano.

Este trabajo pretende hacer un aporte al anlisis de la variacin espacial y temporal de

la precipitacin en la cuenca del ro Guatap, cuenca que la utiliza Empresas Pblicas

de Medelln en la generacin hidroelctrica y que se encuentra ubicada en la regin de

mayor produccin de energa del pas.


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1. FORMULACIN Y JUSTIFICACION DEL PROBLEMA

Empresas Pblicas de Medelln tiene en el departamento de Antioquia varias centrales de

generacin de energa hidroelctrica, la cual debe ofrecerse en el mercado energtico

compitiendo con precio y disponibilidad de energa con otras empresas del sector elctrico,

estas dos caractersticas de la oferta dependen de variables econmicas, de mercado,

estratgicas, hidrolgicas etc. La ventaja competitiva de cada empresa en su oferta depende de

la informacin y del conocimiento que tenga de las variables, de las cuales una de gran

complejidad es la variable hidrolgica mediante la cual se estiman los caudales generados en

los ros que alimentan a los embalses de las centrales de generacin y por tanto la

disponibilidad hdrica en los mismos.

Para estimar los caudales de los ros diariamente el rea de Hidrometra e Instrumentacin

debe hacer, a partir de las precipitaciones diarias antecedentes, un pronstico sobre los

caudales que se registrarn durante los prximos 3 das, este pronstico es un insumo para queel rea Transacciones de Energa pueda realizar las ofertas de energa en el mercado donde se

negocia este valor.

El pronstico realizado se contrasta luego con el caudal realmente registrado en los das

siguientes en estaciones limnigrficas ubicadas en los ros. En esta gestin que realiza el rea

Hidrometra el problema que debe resolverse est relacionado con el modelo de pronstico de

caudales, puesto que previo a ste se hace otro pronstico muy emprico de las precipitaciones

que alimentan al modelo, contando solo con informacin sobre la precipitacin total antecedenteregistrada en algunas de las estaciones de la cuenca y con informacin meteorolgica a una

escala global. El pronstico de caudales debe ser lo ms acertado posible ya que esta

informacin es un insumo para la toma de decisiones en las ofertas diarias de venta de energa

que realiza Empresas Pblicas de Medelln E.S.P.


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Para dar respuesta al problema pueden estimarse los patrones de distribucin de la

precipitacin a partir de los registros horarios por medio de tablas que muestren cunta

precipitacin se registra en cada intervalo de tiempo, adems estas tablas pueden disponerse

en secuencia geogrfica, de tal manera que mediante un proceso dispendioso, por la grancantidad histrica de precipitacin, podra inferirse cmo vara la precipitacin tanto espacial

como temporalmente. El pronstico de caudales podra disminuir su nivel de incertidumbre si

se conociera diariamente cul es la tendencia o los patrones de la distribucin espaciales hora a

hora de la precipitacin dentro de las cuencas aportantes a los ros.

Un sistema de informacin geogrfico permitira, mediante rutinas de interpolacin y a partir de

registros puntuales de precipitacin, elaborar planos de distribucin espacial, el anlisis de esta

informacin grfica, repetida para diferentes intervalos de tiempo, permitira establecer patrones

de distribucin espacial que podran explicarse a partir de la entrada de humedad a la cuenca y

de la influencia de la topografa sobre el rgimen pluviomtrico.

El pronstico de caudales lo realiza Empresas Pblicas de Medelln E.S.P diariamente en todos

sus proyectos de generacin hidroelctrica que estn en operacin sin embargo, se ha

seleccionado como cuenca piloto la del ro Guatap que surte de caudales al proyecto

hidroelctrico de Playas, por que all dada la torrencialidad de la cuenca hay mayor

incertidumbre en la estimacin de caudales altos.


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2. OBJETIVOS2.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar la distribucin espacial y temporal de la precipitacin para ver si existen patrones que

se repitan y asociarlos con las caractersticas fsicas de las cuencas y con los mecanismos

meteorolgicos de mesoescala.

2.2 OBJETIVO ESPECIFICO2.2.1 Analizar grficamente la distribucin espacial de la precipitacin registrada en eventos

que hayan dado origen a crecientes mximas en la cuenca del ro Guatap.

2.2.2 Analizar estadsticamente la distribucin temporal de la precipitacin en los mismos

eventos anteriores.

2.2.3 Explicar la distribucin espacial de la precipitacin con base en las caractersticas fsicas

en la cuenca del ro Guatap y en los mecanismos meteorolgicos y observar si existen

patrones repetitivos.

2.2.4 Explicar la distribucin temporal de la precipitacin con base en los mecanismos

meteorolgicos y observar si existen patrones repetitivos.

2.2.5 Mostrar algunas caractersticas fisiogrficas de la cuenca (Aspecto, iluminacin, red de

drenaje, relieve y pendiente) utilizando herramientas de ArcGis.


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3. MARCO TORICO

La variabilidad espacial del clima en Colombia est afectada por los siguientes factores:

Oscilacin del frente intertropical de convergencia, entrada de humedad desde la amazona

hacia el interior del pas, influencia de la humedad proveniente de los ocanos Atlntico y

Pacfico y de las cordilleras oriental, central y occidental que se presentan como barreras a la

entrada de humedad y que la distribuyen en los valles interandinos. Todos estos factores a su

vez se conjugan con la fisiografa propia de cada regin lo cual aumenta ms la variabilidad.

Se ha observado que en la zona tropical los complejos convectivos de mesoescala son los

responsables de la precipitacin en un 90% (Houze, 1993), estos son grandes sistemas de

nubes y precipitacin con circulacin asociada que incluye un grupo de cumulonimbus durante

la mayor parte de la vida del sistema (Zipser, 1982).

Las masas de aire que transportan los complejos convectivos de mesoescala sufren variaciones

en su dinmica por la presencia de la altura y orientacin de la orografa, la cobertura vegetal y

al interaccin suelo-atmsfera. Esto ocasiona variabilidad en la forma como se distribuye

espacial y temporalmente la precipitacin y en forma ms general sobre los procesos del ciclo

hidrolgico.

Para mayor claridad respecto a los complejos convectivos de mesoescala se dan las siguientes

definiciones:

Convencin: movimiento vertical del aire provocado principalmente por el efecto de

calentamiento que ocasiona la radiacin solar en la superficie terrestre. Este fenmeno origina

la formacin de nubes de tipo cmulos, los cuales pueden convertirse en cumulonimbus

(Nubes de tormentas) si la conveccin es muy fuerte. Ver Figura # 1


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Figura # 1 Procesos de conveccin.

Fuente: www.jmarcano.com/planeta/meteo.html

Cmulo: Nube aislada y densa, que se desarrolla verticalmente con protuberancias, no produce

lluvias. Este tipo de nube se muestra en la Figura # 2.

Cumulonimbus: Nube densa y potente, de considerable desarrollo vertical que produce lluvias y

tormentas elctricas. Ver figura # 3.

Mesoescala: Un fenmeno de mesoescala es aquel que tiene una duracin desde horas hasta

dos o tres das o una extensin horizontal desde decenas hasta 2500 Km o una altura entre 1

y 10 Km. Ejemplo de estos fenmenos son las tormentas convectivas, tornados, brisa de mar,

etc.

Dentro del ciclo hidrolgico existen algunos procesos que ocurren en la superficie de la tierra

luego que la precipitacin cae sobre ella. Inicialmente parte de la precipitacin queda detenida o

almacenada en la cobertura vegetal, en los cuerpos de agua (Lagos, embalses) y en el interior


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del suelo. A continuacin se explicar cmo es cada uno de estos procesos en el ciclo

hidrolgico.

Figura # 2 Nube tipo cmulo.


Figura # 3 Nube tipo cumulonimbus



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La cantidad de agua almacenada en la cobertura vegetal da origen a un proceso hidrolgico

llamado intercepcin, esta cantidad depende del tipo de vegetacin, de su estado de

maduracin y de su cobertura espacial. Experimentalmente la cantidad de agua almacenadamediante este proceso hidrolgico puede conocerse colocando pluvimetros bajo cada tipo de

cobertura vegetal y otros a campo abierto, la diferencia de la medida entre ambos tipos de

pluvimetros indicar la cantidad de agua interceptada, este mtodo de medicin es difcil de

realizar por la gran cantidad de pluvimetros que tendran que ubicarse en el terreno, por lo

tanto, existen valores tericos que indican la capacidad de intercepcin para diferentes

coberturas vegetales.

Los cuerpos de agua presentes en las cuencas almacenan agua y su cantidad depende de laprofundidad y del rea superficial de estos cuerpos, el agua almacenada all puede regresar a la

atmsfera y cargarla de humedad mediante el proceso hidrolgico llamado evaporacin o puede

recargar la humedad del suelo mediante el proceso de infiltracin. El agua que logra

evaporarse puede estimarse a partir de las medidas que se realizan en los evapormetros

colocados en la zona de estudio. La cantidad de agua precipitada que puede infiltrarse depende

de la humedad antecedente del suelo, de la intensidad y duracin de la precipitacin y del tipo

de suelo, experimentalmente la tasa de infiltracin del terreno puede medirse en laboratorios o

en parcelas experimentales del terreno, su aplicacin en cuencas de gran tamao se hace

impracticable.

Finalmente el agua luego de almacenarse, evaporarse e infiltrase puede escurrir superficial o

subterrneamente hacia las corrientes de agua produciendo una onda que se conoce como

crecida o creciente.

En resumen el agua que se precipita desde la atmsfera sufre procesos hidrolgicos que hacen

que vare la escorrenta superficial que llega a las fuentes de agua, adicionalmente la cantidad y

la forma cmo esta llega a las corrientes vara con la distribucin espacio-temporal de la

precipitacin.

La distribucin temporal hace variar la intensidad de la precipitacin dependiendo de la cantidad

de agua que cae en el intervalo de tiempo, adems la horas del da en la cual se presenta la


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precipitacin es necesario conocerla para programar los procesos que utilizan el recurso

hdrico, o para programar actividades humanas que pueden afectarse por la presencia de

precipitacin como el transporte, la agricultura, la realizacin de obras civiles, etctera.

La distribucin espacial determina la rapidez con la cual la escorrenta superficial llega a las

corrientes de agua, esto se aprecia grficamente en los ondas de las crecientes o hidrogramas,

una tormenta que cubra solamente una parte de la cuenca producir menor escorrenta que

otra que cubra un rea mayor.

Por las razones expuestas es importante conocer, para estimar los caudales producidos en un

ro, no solo la cantidad de precipitacin si no tambin su distribucin espacial y temporal.


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4. METODOLOGA PROPUESTA

Inicialmente se seleccionaron las dos crecientes mximas registradas anualmente, desde 1997hasta 2005, en la estacin limnigrfica RN-9B El Silencio ubicada en el cauce del ro Guatap a

la entrada del embalse de Playas, esta estacin est ubicada all precisamente para estimar el

recurso hdrico disponible para la generacin hidroelctrica. Luego se seleccionaron las

precipitaciones que dieron origen a las crecientes mximas anuales, estas precipitaciones

fueron registradas en nueve estaciones pluviogrficas ya mencionadas y ubicadas en la cuenca

del ro Guatap.

Para analizar la distribucin espacial de la precipitacin se desarroll un pequeo modelo en

ArcGIS para hacer la interpolacin grfica de la precipitacin sobre la cuenca del ro Guatap

hasta el sitio de presa del proyecto hidroelctrico, y utilizando los datos puntuales de

precipitacin registrados en las estaciones pluviogrficas Con el modelo de interpolacin se

analizaron los 18 eventos de precipitacin, discretizando para su anlisis la precipitacin total

registrada cada media hora con el fin de observar si existe algn patrn de distribucin espacial

que se repita.

Con el anlisis propuesto se realizaron 18 mapas para los eventos discretizados cada media

hora. Estos mapas pueden observarse en el Anexo 2. Se construyeron mapas con la cantidad

de precipitacin registrada cada media hora, que combinndolas nos permite ver cmo se

mueve el foco de precipitacin tanto espacial como temporalmente, pero adems y con el fin de

poder hacer la comparacin a una misma escala de la cantidad de precipitacin registrad cada

media hora, se hicieron mapas similares pero en unidades el porcentaje de precipitacin

registrado en cada estacin, el porcentaje se calcul respecto a la suma aritmtica de las

precipitaciones registradas cada media hora en todas estaciones. Estos mismos mapas se

muestran en elAnexo2.

Una vez dibujados los mapas se realiz un anlisis estadstico para saber cul estacin se

comporta como foco o punto de mxima precipitacin y cules son las horas del da cuando son

ms frecuentes los eventos de precipitacin.
http://c%7C/Documents%20and%20Settings/JOSE%20M/Mis%20documentos/TRABAJO%20DE%20GRADOS(CAUDALES)/Anexo%202.doc


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5. DESARROLLOLa cuenca del ro Guatap se encuentra ubicada al oriente del departamento de Antioquia en la

ladera oriental de la cordillera central, en jurisdiccin de los municipios de San Rafael y SanCarlos, comprendida entre las coordenadas 74 59 W, 75 06, 6 10 y 6 17. Hasta el sitio de

presa la cuenca drena un rea de 296 Km2. Est conformada por varios ros y quebradas siendo

los ms importantes los ros Guatap, Bizcocho, Arenales, Churimo y la quebrada Jaguas.

La cuenca presenta una pendiente muy escarpada hacia la parte occidental, donde nace el ro

Guatap aproximadamente en la cota 1900, hacia su parte occidental, donde se encuentra el

embalse de Playas. Aproximadamente el 60% de la cuenca esta cubierta por bosques

secundarios y rastrojos y el resto por potreros. Las temperaturas medias varan entre 17 C y23 C y la precipitacin media anual entre 3200 mm y 6000 mm, la variacin espacial de esta

ltima variable se muestra en la Figura # 4.

El ro Guatap alimenta al embalse de Playas en el cual se almacena el agua para generacin

hidroelctrica en la central de mismo nombre. El embalse de Playas tiene una capacidad til de

almacenamiento de 77.3 millones de m3, recibe las aguas del ro Guatap y adems las

descargas de las centrales hidroelctricas de Guatap y Jaguas. Luego de generar las aguas

son desviadas nuevamente al cauce del ro Guatap.

La central hidroelctrica de Playas entr en operacin en febrero de 1988, posee tres grupos de

generadores impulsados por turbinas Francis de eje vertical. La central tiene una capacidad

instalada de 204 megavatios y una cada neta de 176 metros.


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Figura # 4. Precipitacin media anual en la cuenca del ro Guatap

Fuente: realizada por investigador con las herramientas del ArcGis.5.1 INFORMACION UTILIZADA5.1.2 Informacin hidrolgica

Para este estudio se utiliz informacin hidrolgica suministrada por Empresas Pblicas de

Medelln e informacin geogrfica suministrada por esta misma empresa y por la Corporacin

Regional del Ro Nare (CORNARE).


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Para la informacin Hidrolgica se utilizaron los registros de la estacin limnigrfica RN-9B El

Silencio y los registros de precipitacin de nueves estaciones pluviomtricas ubicadas en la

cuenca del ro Guatap aguas arriba del sitio de presa del proyecto hidroelctrico Playas. Estas

estaciones registran informacin continuamente y la envan cada cuatro horas va satlite a lasoficinas del rea Hidrometra e Instrumentacin de Empresas Pblicas de Medelln, una vez

llega all es almacenada en una base de datos de registros hidrometeorolgicos que permite su

administracin, anlisis y consulta.

En la Tabla # 1 se indican las caractersticas de las estaciones empleadas para el estudio y en

Tabla # 1. Caractersticas de las estaciones utilizadas en el estudioCdigo Nombre Coordenada X Coordenada Y Precipitacin media

anual (mm)Altura (msnm)

2308046 La Pradera 1186610 899760 3489 11002308061 El Bizcocho 1189710 888920 4501 10702308083 La Rpida 1181057 893626 4163 13802308084 Tocaima 1194003 885996 4613 15702308085 La Cascada 1181740 889860 5214 17002308086 Samaria 1185620 885166 5917 13502308790 Silencio 1188187 896277 3367 9792308523 Playas 1192310 902110 3212 12102308951 Jaguas 1194272 898973 3287 975

Fuente: realizada por el investigador

Las estaciones El Silencio y Jaguas registran los niveles del ro Guatap y de la descarga de la

central de Jaguas al embalse de Playas respectivamente, pero adems a partir de julio de 1998

comenzaron tambin a registrar la precipitacin en los mismos sitios de ubicacin de los

limngrafos.


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Figura # 5 Ubicacin de estaciones en la cuenca del ro Guatap

Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis.


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5.1.3 Informacin topogrfica digital

Las caractersticas fsicas de la cuenca como son su topografa y la distribucin de la red de

drenaje se analizaron en planos topogrficos digitales a escala 1:25000 de Instituto Geogrfico

Agustn Codazzi digitalizado y facilitados para este estudio por CORNARE, esta informacin fue

complementada por informacin similar que haba sido digitalizada por Empresas Pblicas de

Medelln.

5.1.4 Informacin meteorolgica

Los datos meteorolgicos y su anlisis se consultaron de la tesis de Postgrado titulado Anlisis

sinptico y de mesoescala de los eventos hidrometeorolgicos extremos que afectan las

cuencas de los ros Nare y Guatap los cuales alimentan a los embalses de El Peol y Playas,

respectivamente, en el oriente de Antioquia, Colombia presentado por la ingeniera Gloria

Estela Marn Corts para optar al ttulo de Magister Scientiae en ciencias de la atmsfera.

5.1.5 Metadatos

La documentacin sobre los datos utilizados para la realizacin de este estudio se presentan en

el formato FGDC propuesto por ESRI, en este formato se informa sobre el origen de los datos,

sus formatos, restricciones, confiabilidad, contenido, sistema de coordenadas, lenguaje y los

autores entre otros.

La documentacin de los datos se anexa en archivo magntico.5.2 ANLISIS DE SUPERFICIECon el fin de hacer una mejor descripcin de algunas caractersticas fsicas de la

cuenca se utilizarn herramientas de ArcGis que permiten realizar anlisis espacial de

superficies. Estas herramientas y el anlisis que permiten hacer se describen a

continuacin.


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5.2.1 Modelo digital del terreno.

Una manera de representar digitalmente la topografa del terreno es mediante un

arreglo vectorial de tringulos irregulares que ajustan un plano a tres puntos cercanos

no colineales que se adaptan a la superficie del terreno. En la Figura # 6 se muestra

este modelo digital de la cuenca del ro Guatap. En el puede apreciarse claramente las

partes de mayor altura en la cuenca hacia los nacimientos de los ros Guatap y

Bizcocho y en la parte baja la ubicacin del embalse que pareciera tener una extensin

mayor, esto debido a la escala de alturas empleada en la elaboracin del modelo digital.

Normalmente este tipo el modelo digital del terreno se conoce como TIN por sus siglas

en ingls (Triangulated irregular net).

5.2.2 Mapa de pendientes

Este es un mapa en formato raster que indica el mximo cambio de elevacin que existe entre

una celda y sus ocho vecinas. En este caso ser muestra el mapa de pendientes, expresando en

porcentaje. Como puede notarse del mapa en promedio la mayor parte del terreno tiene una

pendiente menor al 40 %, solo en zonas muy escarpadas la pendiente puede ser mayor al

100%. Ver Figura # 7

5.2.3 Mapa de aspectos

Este es tambin un mapa tipo raster que muestra un concepto geomofolgico que indica la

direccin de mayor pendiente en cualquier punto de una vertiente, se define a partir de una

celda y sus ocho vecinas circundantes. El aspecto se mide siguiendo la direccin de las

manecillas del reloj, los valores que toma esta variable va de 0 hasta 360, de tal manera que

un aspecto con valor 0 indica direccin norte. Ntese como hacia las laderas del lado sur de la

cuenca las mayores pendientes se orientan hacia el norte, en tanto que en las laderas del lado

norte de la cuenca las mayores pendientes se orientan hacia el sur, sureste y suroeste, que

esta de acuerdo con la orientacin de los cauces principales de la cuenca. Este mapa se

muestra en la Figura # 8


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Figura #6. Modelo digital de la cuenca. Figura #7. Mapa de pendientes.

Figura #8 Mapa de aspectos.



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5.2.2 Mapa de iluminacin.

Es un mapa tipo raster que representa la iluminacin hipottica de una regin geogrfica si

estuviera iluminada por la luz del sol proyectada hacia ella con determinado azimut (Direccin

angular del sol, siendo 0 el este, 90 el norte, 180 el oeste y 270 el sur) y la altitud del sol.

Este mapa es muy til para conocer a determinadas horas del da cmo reciben las laderas de

la cuenca la radiacin solar. Ms adelante se explicar cmo influye la radiacin solar en la

circulacin de las masas de aire entre el valle y las montaas.

El mapa resultante indica para cada celda la iluminacin que recibe de acuerdo con la ubicacin

del sol, para este caso azimut 0 y altitud 20, los valores de van desde 0 hasta 255, los colores

ms claros indican zonas intensamente iluminadas y las ms oscuras, sombras.Ver Figura # 9

Figura # 9 Mapa de Iluminacin.



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5.2.3 Red de drenaje.

En el estudio de la geomorfologa de las cuencas es muy importante conocer cmo se

distribuye su red de drenaje, tanto en cantidad como en configuracin espacial. Un mtodo para

estudiar la configuracin de la red de drenaje fue propuesto por Strahler, el mtodo que tan

drenada se encuentra una cuenca, para ello asigna un orden a cada drenaje o corriente de

agua de acuerdo con las siguientes reglas: Una corriente es de orden uno si aguas arriba de

cualquier punto de ella no recibe afluentes, cuando se unen dos corriente del mismo orden la

que continua aumenta en una unidad su orden, si se unen dos corriente de orden diferente la

que continua conserva el orden de la mayor. El ro principal de la cuenca, por lo tanto el de

mayor caudal es el que tiene el mayor orden que es el mismo que le corresponde a la cuenca.

Entre mayor sea el orden de la cuenca indica una red de drenaje muy bifurcada, esto es

caracterstico de drenajes que fluyen por terrenos poco permeables.

En el caso de la cuenca del ro Guatap, cuya red de drenaje se muestra en la Figura # 10, el

orden de la cuenca es de 8 que indica una red muy bifurcada. Infortunadamente no pudo

contarse con informacin topogrfica antes de la construccin del embalse de Playas, por esta

razn en la figura mencionada no es muy clara la conformacin de la red de drenaje en la zona

ocupada por el embalse o en sus cercanas.


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Figura # 10 Orden de la cuenca.



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5.3 PROCESO DE INTERPOLACINInicialmente se seleccionaron precipitaciones registradas cada media hora en las nueve (9)

estaciones pluviogrficas, esta informacin reposa en la base de datos hidrometeorolgicos delas Empresas Pblicas de Medelln y se muestra en elAnexo 1.

A continuacin se describen los pasos realizados para el proceso de interpolacin:

5.3.1 Consulta y extraccin de la informacin de la base de datos a formato txt. Mediante uno

de los mdulos que posee la base de datos se exportaron los registros de precipitacin a tablas

en formato txt

5.3.2 La informacin en formato txt se convierte a formato dbf para luego poderla cargar en

Arcmap

5.3.3 Se construy mediante la herramienta de modelamiento asistido (Model builder) un

modelo para realizar la interpolacin de los datos de precipitacin. El modelo asistido es una

herramienta del Arctoolbox, que permite crear un Toolbox y este a su vez permite crear el

modelo.

Figura # 11 Modelo utilizado para interpolar la precipitacin

http://c%7C/Documents%20and%20Settings/JOSE%20M/Mis%20documentos/TRABAJO%20DE%20GRADOS(CAUDALES)/Anexo1.xls


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5.3.4 Luego se procedi a cargar en ArcMap los datos de precipitacin desde la tabla dbf, se

cre un layer con la ubicacin de las estaciones pluviogrficas una vez que se les asignaron las

coordenadas X, Y.

5.3.5 Con el layer se realiz la interpolacin con el mtodo de interpolacin IDW (Inverse

Distance Weighted) el resultado de la interpolacin es un raster que pose los valores

interpolados de la precipitacin cada media hora.

Figura # 12. Mapa resultante de la interpolacin de los datos de precipitacin

Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis

Una vez dibujados los mapas se realiz un anlisis estadstico para saber cul estacin se

comporta como foco o punto de mxima precipitacin y cules son las horas del da cuando son

ms frecuentes los eventos de precipitacin.


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6. ANLISIS DE LA INFORMACIN.6.1 ANLISIS DE LA DISTRIBUCIN TEMPORAL.Como se mencion en el numeral anterior, se hizo un anlisis estadstico de los eventos deprecipitacin estudiados, tal como se explicar a continuacin. En la Tabla 2 se resumen las

caractersticas de estos eventos: se muestra la fecha del evento, sus horas de inicio y

finalizacin, y los focos horario, total e inicial que corresponden a la estacin donde se present

la mxima precipitacin horaria, la estacin de mxima precipitacin total y la estacin donde

ocurri la mxima precipitacin en la hora inicial respectivamente.

Tabla # 2. Caractersticas de los eventos analizados.Fecha Hora inici al Hora Final Duracin Foco horario Foco total Foco ini cialSep25-97 20 3 8 El Bizcocho El Bizcocho SamariaOct21-97 16 1 10 Playas Playas El BizcochoJul28-98 18 2 9 El Bizcocho El Bizcocho SamariaNov13-98 15 23 9 Jaguas La Rpida Tocaima

Abr29-99 18 2 9 El Bizcocho La Pradera SamariaJun19-99 22 5 8 El Bizcocho Tocaima SamariaJun24-00 17 23 7 Samaria Samaria La RpidaDic10-00 17 1 9 La Rpida Samaria SamariaMar31-01 18 23 6 La Cascada La Cascada El Bizcocho

Abr24-01 19 23 5 Samaria Tocaima La Cascada Ago29-02 6 10 5 La Rpida Samaria SamariaOct17-02 19 23 5 Tocaima Samaria Samaria

Abri29-03 0 5 6 El Bizcocho Samaria SamariaSep06-03 0 4 5 Samaria La Cascada TocaimaSep29-04 20 24 5 La Pradera Playas La RpidaNov02-04 19 24 5 La Cascada La Cascada La CascadaJun28-05 22 2 5 La Cascada La Rpida La RpidaNov09-05 19 24 6 La Cascada La Cascada Tocaima

Fuente: realizados por investigador

Respecto a la distribucin temporal de la precipitacin puede notarse que la mayora de los

eventos se presentan al terminar la tarde o en las primeras horas de la noche y se prolongan

hasta el amanecer, en promedio estos eventos tiene una duracin aproximada de siete horas

desde que comienza en alguna estacin hasta su registro final.

Para conocer el ciclo diurno de la precipitacin se analizaron las precipitaciones totales

registradas cada seis horas en todas las estaciones y en los das de los eventos seleccionados.

En elAnexo 3 se muestran estas distribuciones, tanto en cantidad total como porcentualmente y
http://c%7C/Documents%20and%20Settings/JOSE%20M/Mis%20documentos/TRABAJO%20DE%20GRADOS(CAUDALES)/Anexo3.xls


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en la Tabla # 3 se muestran los porcentajes promedio de precipitacin cada seis horas para los

eventos analizados. Figura # 13 se muestra en forma resumida la distribucin horaria de los

eventos con respecto a la elevacin de las estaciones.

Tabla # 3. Distribucin horaria de la precipitacin cada seis horas.


En total se analizaron 176 eventos de precipitacin para las nueve estaciones seleccionadas los

cuales se muestran en el Anexo 1. Puede notarse de este Anexo y de la tabla anterior como

porcentualmente la mayor precipitacin se registra diariamente entre la 18 y las 24 horas y

luego en el perodo entre las 0 horas y las 6 de la maana, o sea que entre las 18 horas y las 6

de la maana del da siguiente ocurre casi el 90% de la precipitacin que originan grandescrecientes en el ro Guatap.

Se nota tambin de la tabla anterior como las estaciones Jaguas y Playas, que se encuentran

en la parte ms baja de la cuenca, presentan distribuciones diferentes a las del resto de la

cuenca, en estas estaciones la precipitacin se concentra en las primeras 6 horas de la

maana, pero en las 6 horas antecedentes a ellas tambin ocurre un porcentaje grande de la

precipitacin. Se podra concluir que en la parte alta de la cuenca la precipitacin tiende a

presentarse con ms intensidad en las ltimas 6 horas del da y que a medida que se desciende

en altura la precipitacin ms intensa tiende a concentrarse en las primeras horas de la

maana.

Estaci n 0:00-6:00 6:00-12:00 12:00-18:00 18:00-24:00El Bizcocho 23.8 4.8 9.5 61.9La Cascada 27.3 4.5 0.0 68.2Jaguas 50.0 6.3 0.0 43.8Playas 55.0 0.0 0.0 45.0La Pradera 35.0 5.0 0.0 60.0La Rpida 22.2 5.6 5.6 66.7Samaria 22.7 4.5 0.0 72.7El Silencio 35.7 7.1 0.0 57.1

Tocaima 39.1 4.3 0.0 56.5


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Figura #13 Variacin porcentual de la precipitacin con la altura, en intervalos de 6 horas

Periodo horario

Altitud

12-18 18-24 24-6 6-12

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

0

10

20

30

40

50

60

70

Fuente: realizada por el investigador con las herramientas del Matlab

De este anlisis se observa que el perodo de menor precipitacin se presenta entre el medio

da y las seis de la tarde por lo que puede decirse entonces que el ciclo diario es unimodal con

la mayor concentracin de precipitacin entre las seis de la tarde y la seis de la maana del da

siguiente, y que en el resto del da la precipitacin tiende a ser menor principalmente luego del

medioda.

El ciclo diurno de la precipitacin no solo est determinado por la circulacin atmosfrica de

gran escala, sino tambin por condiciones locales como las caractersticas de la circulacin

montaa-valle, las caractersticas orogrficas y la vegetacin predominante en la zona. En el

caso de la cuenca del ro Guatap es de especial inters para la explicacin del ciclo diurno de

precipitacin el mecanismo de circulacin montaa-valle, como se explica a continuacin.

El ro Guatap desemboca al ro Saman Norte y este a su vez lo hace al ro Magdalena, tal

como lo hacen los afluentes a este ro movindose por los valles interandinos de las cordilleras

central y oriental. Durante el da debido a la radiacin solar las masas de aire presentes en los

valles se calientan y se mueven desde el valle del ro Magdalena hacia los valles de sus

tributarios y desde estos hacia las partes altas de sus cuencas.


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En la cuenca del ro Guatap la direccin de las masas de aire que contiene humedad se

mueven hacia las partes altas de la cuenca en donde el aire es forzado a subir por una barrera

orogrfica muy pendiente en la cual se alcanzan alturas hasta de 2000 m.s.n.m, luego en las

primeras horas de la noche estas masas se enfran y originan precipitaciones sobre las laderasde la montaas, estas masas fras siguen su descenso hacia la parte baja de la cuenca y esto

explica por qu en las estaciones que se encuentran a menor altitud alrededor del embalse, la

precipitacin tiende a ser mayor al amanecer.

En la grfica siguiente se observa cmo es el mecanismo de calentamiento de los valles y las

montaas a lo largo del da. En la maana el sol calienta la ladera oriental de la montaa, el aire

se eleva sobre este costado produciendo la elevacin de las masa de aire sobre l. Al medioda

los rayos del sol calientan ambos costado de las montaas, pero igualmente el centro del valle

lo que hace reducir los flujos de aire desde el valle hacia las laderas de las montaas,

finalmente en las horas de la tarde el calentamiento del sol se da sobre la ladera occidental los

cual origina la circulacin valle-montaa sobre esta ladera y una circulacin inversa sobre la

ladera oriental.

Figura # 14. Circulaciones valle-montaa-valle producidas por la radiacin solar


.


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6.2 ANLISIS DE DISTRIBUCIN ESPACIAL Para estudiar la distribucin espacial de la precipitacin se analizarn los resultados resumidos

en la Tabla # 2 y los grficos que muestran la distribucin espacial en el Anexo 2. Se analizaron

cada uno de los eventos estudiados para detectar en ellos cul es la estacin donde se registrla mayor cantidad de precipitacin total, en cul estacin se registr la mxima cantidad de

precipitacin horariamente y en cul estacin se present en la primera hora la mayor cantidad

de precipitacin.

De acuerdo con el anlisis puede concluirse que la estacin en donde regularmente se presenta

mayor cantidad de precipitacin es Samaria, esto concuerda con la precipitacin anual que es la

mxima de las estaciones en estudio, luego le sigue La Cascada que es tambin donde se

presentan los mayores registros anuales de precipitacin. Casi en el 50 % de los eventosanalizados estas estaciones fueron los focos mximos de precipitacin.

En cuanto a la frecuencia de foco mximo horario de precipitacin se destaca la estacin El

Bizcocho y luego le sigue La Cascada, en la primera estacin el 27.8 % de los eventos horarios

se present all la mxima precipitacin y en la segunda el 22.2 %.

La estacin Samaria ubicada en la parte alta de la cuenca del ro Guatap recibe el influjo

directo de las masas que ascienden por la parte encaonada del ro, es por esta razn que enla mayora de los eventos analizados, el 44.4 % de las veces, all se present en la primera hora

la mxima cantidad de precipitacin, en las dems estaciones el porcentaje de ocurrencia fue

ostensiblemente menor y en tres de ellas nunca ocurri el mximo de precipitacin en la

primera hora, estas estaciones fueron Playas, Jaguas y La Pradera que son las estaciones que

se encuentran ubicadas en la parte ms baja de la zona en estudio, donde regularmente ocurre

la precipitacin en las primeras horas del da cuando en las otras estaciones de la cuenca la

precipitacin est disminuyendo.

Al analizar los mapas de la distribucin espacial horaria (Mapas del Anexo 2) puede notarse que

en la mayora de los eventos analizados la primera hora ms intensa de precipitacin ocurre en

las estaciones Samaria, El Bizcocho y Tocaima, la primera como ya se mencion ubicada en el


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can del ro Guatap y las otras dos en la cuenca del ro El Bizcocho que es una zona de

mucha precipitacin y donde se registran grandes creciente en este ro.

En general en las primeras horas de las tormentas los focos horarios de precipitacin saltanentre las estaciones Samaria, El Bizcocho y Tocaima y en algunas tormentas tambin en las

estaciones La Cascada y La Rpida. A medida que avanza la tormenta el movimiento del foco

es errtico, pero en las ltimas horas el foco tiende a ubicarse en las estaciones ms cercanas

al embalse como son El Silencio, La Pradera, Playas y Jaguas o se presentan focos

generalizados en varias estaciones lo que indica una distribucin ms uniforme de la

precipitacin sobre toda la cuenca.

Esta distribucin espacial obedece a los mismos mecanismos explicados en la distribucintemporal, es decir, a la circulacin valle-montaa y a la presencia de barreras orogrficas que

obligan a las masas de aire hmedo a ascender sobre sus laderas, produciendo la

condensacin de la humedad y eventualmente originando precipitacin sobre las laderas y

posteriormente sobre toda la cuenca.

Para tener una mejor explicacin de estos eventos desde el punto de vista meteorolgico se

busc informacin al respecto, pero infortunadamente no fue posible conseguirla, solo se pudo

tener informacin para el da 29 de abril de 1999. A continuacin se da una explicacin sobre

los mecanismos meteorolgicos que originaron las precipitaciones de ese da.

Segn el anlisis de mesoescala el da 29 de abril de 1999 a las 19:00 (Da 30 de abril hora

00:00 UTC: Universal time coodinated), se origin un complejo convectivo de mesoescala en la

cordillera central en la ladera derecho del valle del ro Medelln, con su centro en las

coordenadas en la latitud 6.24 N y en la longitud 75.51 W, con un rea de 281151 Km 2 y una

temperatura en su tope de 197.35 K (-75.65C).

Este complejo convectivo fue originado por vientos provenientes del Ocano Pacfico y los

Alisios del noreste, la convergencia de estas masas de aire originaron un movimiento en

direccin suroeste empujados por los vientos Alisios que predominaron hasta las 22:00 horas,

luego el complejo fue forzado por los vientos provenientes del ocano Pacfico llevndolo en

direccin sureste hasta la 01:00 del da 30 de abril. Finalmente a las 01:15 del 30 de abril el


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complejo choc contra la ladera occidental de la cordillera central, esto gener un ascenso y un

aumento de su tamao a 680964 Km2 y se traslad desde esa hora en direccin noroeste.

Figura # 15 Trayectoria del complejo convectivo de mesoescala los das29 y 30 de abril de 1999.

Fuente: Marn Corts, G.E.

En la figura anterior los crculos representan la ubicacin del centro de gravedad del complejo a

las 19:00 y 22:00 horas del 29 de abril y a la 01:00, 04:00, 07:00, 10:00 y 13:00 horas del 30 de

abril (0, 3, 6, 9, 12, 15 y 18 del 30 de abril). El tamao de los crculos no representa el tamaodel complejo.

Por las dimensiones de este complejo, por su ubicacin y trayectoria, este influy sobre las

precipitaciones registradas en las horas de la noche del da 29 de abril y en las primeras horas


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del da 30 de abril de 1999 en la cuenca del ro Guatap y en cuencas vecinas. Estas lluvias

generaron una creciente en el ro Guatap registrada en el estacin limnigrfica RN-9B, esta

alcanz un caudal mximo instantneo de 826.5 m3/s a las 23:00 horas del 29 de abril, de este

caudal 80.0 m

3

/s corresponde al caudal turbinado en la central de Guatap y desviado luego alro Guatap, es decir, el caudal natural generado por las precipitaciones fue de 746.5 m 3/s. La

creciente generada se observa en al Figura No 16, en la cual la hora de inicio corresponde a

las 20:00 del da 29 de abril y se prolong hasta las 22:00 del da 30 de abril de 1999.

Figura # 16. Creciente registrada en la estacin RN-9B entre los das 29 y 30 de abril de 1999.

C rec iente regis t rada en e l r o Guatap entre l osdas 29 y 30 de abr i l d e 1999

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 3 5 7 9 1 1 13 15 17 19 21 23 25 27H o r a

Ca

m3s



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7. CONCLUSIONESEl objetivo general de este estudio fue analizar algunos eventos de precipitacin que originaroncrecientes mximas en la cuenca del ro Guatap para ver si existen patrones de distribuciones

temporales y espaciales de la precipitacin en los eventos analizados.

Se pudo comprobar mediante un anlisis estadstico que para los eventos analizados, la

precipitacin que dio origen a las crecientes mximas comienza generalmente en las ltimas

horas de la tarde o en las primeras de la noche y se prolonga hasta el amanecer del siguiente

da.

El ciclo diurno de precipitacin se analiz dizcretizando la precipitacin en perodos de seis

horas, pudo notarse que este ciclo es unimodal con la cantidad mxima de precipitacin

concentrada en todas las estaciones entre las seis de la tarde y las seis de la maana del da

siguiente.

El ciclo diurno de precipitacin no vara con la altura, a pesar de que a la altura de 1200 m.s.n.m

se presenta un desplazamiento de la concentracin de la precipitacin hacia las primeras horas

del da, pero este comportamiento solo se observ en la estacin Playas, por lo tanto, no puede

concluirse que para esta altura el patrn de precipitacin sea diferente.

Una discretizacin de la precipitacin para intervalos horarios ms pequeos permitira

encontrar con ms precisin en qu horas del da la precipitacin tiende a ser mayor.

Espacialmente se encontr que en las tormentas analizadas la precipitacin comienza en las

partes altas del can del ro Guatap, all se encuentra ubicada la estacin Samaria sitio en el

cual comenz la precipitacin en la mayora de los eventos.

En general puede concluirse que los focos iniciales o puntos de mxima precipitacin de lastormentas comienzan en las estaciones ubicadas en las partes altas del can del ro Guatap

y en la cuenca del ro Bizcocho. A medida que se prolonga la tormenta el foco comienza a

desplazarse hacia la parte baja de la cuenca cerca la embalse Playas, aunque en muchas

tormentas se observ que la precipitacin tiende a ser ms uniforme o el foco se mueve

errticamente de un punto a otro.


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Tanto la distribucin espacial como temporal puede explicarse localmente por los patrones de

circulacin de masas de aire que se generan entre el valle y la montaa debido a la forma como

tanto el uno como el otro reciben la radiacin solar durante el da, especficamente por el patrn

de circulacin que se origina entre el valle del ro Magdalena y los valles interandinos de sustributarios entre los cuales se encuentra el ro Guatap.

Al menos en un evento, abril 29 y 30 de 1999, se comprob que un complejo convectivo de

mesoescala origin las precipitaciones registradas en las horas de la noche del 29 de abril y la

madrugada del 30 de abril.

Se comprueba que existen condiciones locales como la orografa, orientacin de los valles y la

vegetacin y condiciones meteorolgicas que cubren mayor rea que explican la generacin de

tormentas en la cuenca del ro Guatap.

Se comprob tambin que en los eventos analizados, que dieron origen a crecientes mximas

en la cuenca del ro Guatap, existen patrones temporales y espaciales de la precipitacin,

estos ayudarn a mejorar el pronstico de caudales en el mismo ro.

Se anota que estos patrones se encontraron para eventos mximos de caudales, para caudales

menores estos patrones pueden ser diferentes.

La metodologa empleada en este estudio puede replicarse en otras cuencas de inters no solopara Empresas Pblicas sino tambin para otras empresas o entidades que se encarguen del

manejo el recurso hdrico.

Finalmente se anota que la cantidad de precipitacin registrada temporal y espacialmente,

depende de la densidad de la red de estaciones y de la ubicacin de las mismas, ya que

posiblemente en otros puntos de la cuenca puedan registrarse mayores cantidades de

precipitacin horariamente.


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8. BIBLIOGRAFA Agudelo, P.A. et al. 2001: Caracterizacin del ciclo diurno de precipitacin en los Andes

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Mesa, O.J., G. Poveda y L.F. Carvajal, 1977: Introduccin al clima de Colombia. UniversidadNacional de Colombia, sede Medelln, Facultad de Minas, Postgrado en aprovechamiento

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www.jmarcano.com/planeta/meteo.html