APLICACIONES SIG EN MODELOS HIDROLGICOS E

HIDRULICOS

Alejandra M. Rojas Gonzlez, PhD

Investigadora-Docente

Escuela de Ingeniera Agrcola Universidad de Costa Rica

Introduccin

lUsando Sistemas de Informacin Geogrfica (SIG) y modelos hidrolgicos-hidrulicos es posible obtener y evaluar espacialmente las caractersticas y comportamiento de una cuenca o ro.

lSe generan pronsticos y aplicaciones

en el manejo de recursos hdricos y calidad de agua.

Problemtica Actual en Costa Rica l La GIRH y las Inundaciones son un problema

serio en Costa Rica.

Fuente: United Nations Office for the Coordination of Humanitarian Affairs ReliefWeb, www.reliefweb.int

Fotos: Peridico la Nacin.

Escenario de lluvia Abril-Junio 2013

Informacin Requerida para un anlisis del Recurso Hdrico

lInformacin: Topografa y Modelo de Elevacin Digital

(DEM) Informacin de Uso de Terreno o Tipo de

Cobertura Mapa de suelos del rea de estudio. Caractersticas de los suelos. Fotografas areas o de Satlite. Informacin de las estaciones meteorolgicas

o de aforo. Otros datos: Hidrografa, Lmites, Carreteras,

etc.

Informacin Requerida para un anlisis en Recursos Hdricos

Drenaje

Sensitividad a la Agregacin de Pendiente

l Agregar el DEM influencia: Pendiente Densidad de la red de

ros. Largo del ro y el rea

de la cuenca.

l Pendiente Promedio calculada por: 3 Tcnicas de Resample. 2 diferentes caminos:

Up-scaling el DEM y calcular pendiente.

Calcular pendiente y luego un up-scaling de la pendiente.

Clculo de exceso de precipitacin o abstracciones

l El Nmero de Curva (CN) del Servicio de Conservacin de Suelos: Tipo de suelo segn su clasificacin

Hidrolgica (A, B, C, D o N) Uso del Terreno o Prctica de

Conservacin. Condicin antecedente de humedad.

Exceso de precipitacin: Green-Ampt

lEcuacin de Infiltracin (Green-Ampt): Tipo de suelo Conductividad hidrulica saturada. Porosidad efectiva Cabeza de succin en el frente hmedo.

Fuentes de Precipitacin

lMedidas puntuales en las estaciones pluviomtricas. Polgonos de Thiessen Interpolacin

Fuentes de Precipitacin lLluvia distribuida

Radar: Servicio Nacional del Tiempo, USA Algoritmos desarrollados para calcular lluvia

a partir del satlite GOES.

Mediciones por Radar l Desde 1998, el National Weather Service opera los

radares WSR-88D (NEXRAD) l Limitaciones:

Curvatura terrestre, Precipitacin a baja altura no es detectada por el radar.

Variabilidad de la reflectividad Bloqueo Atenuacin de la seal

Mediciones por Radar lEnerga electromagntica medida como

reflectividad lSe transforma a intensidad de lluvia

usando relaciones empricas Z-R que depende de: Distribucin de las gotas de lluvia Zonas Climatolgicas. Tipo de lluvia (Convectiva, estratificada, etc.)

lEcuacin Tropical: Z=250R1.2

l Crear una red de radares de bajo poder con mejor resolucin (50 m, Doppler y polarimtricos).

l Usar disdrmetros y estaciones pluviomtricas para verificar la relacin ZR, calibrar y validar los radares.

Total de Tormenta promedio (mm)

Sensibilidad a Mtodos de Interpolacin 11-16 de Noviembre, 2003

Exponential Weighted Inverse Distance Weighted

Mapas de Precipitacin Total

IDW EW Radar Aasco 122.7 114.7 77.67

Guanajibo 230.6 237.1 199.8

Radar Nivel 3

Ro Grande de Aasco near San Sebastin

0

100

200

300

400

500

600

700

800

11/10/200312:00

11/11/20030:00

11/11/200312:00

11/12/20030:00

11/12/200312:00

11/13/20030:00

11/13/200312:00

11/14/20030:00

11/14/200312:00

11/15/20030:00

11/15/200312:00

Flow

(m^3

/s)

Thiessen AverageEW InterpolationIDW InterpolationObserved

Pixel y Subcuenca como Laboratorio

l Pixel 4X4 km2 del satlite GOES-HE l Area=3.48 km l Pendiente Promedio= 29% l Se instal una red de estaciones para

validar los radares PR-1, IP-1 de CASA y NEXRAD; y algoritmos de lluvia como el Hidro-Estimador (Harmsen et al. 2007). 16 estaciones pluviomtricas (NASA

EpScoR) 12 estaciones pluviomtricas (CASA)

Tormenta en Junio 27, 2007 a 5-minutos a 2:27, 2:37, 3:32 and 4:22 PM.

-67.125 -67.12 -67.115 -67.11 -67.105 -67.1

18.21

18.215

18.22

18.225

18.23

18.235

161820222426283032343638404244464850525456586062646668

P1

P3

P5P7

P10 P11

P13 P14 P15 P16

C1C2

C3

C4C5

C6

C7 C8 C9

C10

C11

C12

-67.125 -67.12 -67.115 -67.11 -67.105 -67.1

18.21

18.215

18.22

18.225

18.23

18.235

0 0.005 0.01 0.015 0.02

Distribucin Espacial de Lluvia en el Pixel

Evaluacin de sensores con la red de pluvimetros

l Se analiza la variabilidad espacial de la lluvia a escalas inferiores a 16 m2.

l MPE= Estimacin de Precipitacin con Multisensores. (1hr y 4x4km2)

l Se calcula el bias entre el MPE y la red de estaciones a diferentes escalas temporales (1hr y 1da) Rainfall Accumulation

0

500

1000

1500

2000

2500

Jan-07 Feb-07 Mar-07 May-07 Jun-07 Jul-07 Aug-07 Oct-07 Nov-07 Dec-07

mm Pixel 1

Pixel 2Pixel 3Pixel 4

Time Step Detecion Coincident

No RainRadar

No RainGuage Bias

STD Bias

% % % %Pixel 1 Hr 20.45 7.75 4.85 7.86 3.85 4.21Pixel 2 Hr 18.69 7.62 5.46 5.61 1.57 2.73All Pixels Hr 30.26 12.01 9.32 8.93 1.55 2.61All Pixels Day 82.56 70.03 12.26 0.27 1.23 1.64

19

Integracin de todos los parmetros en Modelos Hidrolgicos e Hidrulicos lHidrolgico: Prediccin de Inundaciones a Tiempo Real

y balances de agua para predicciones futuras.

Modelos hidrolgicos Generan pronsticos

en estaciones de aforo como en puntos de inters sin calibrar.

Simulan: Caudal Registro de humedad

del suelo Evapotranspiracin

Actual Recarga de acuferos Escenarios del ciclo

hidrolgico ante cambio climtico.

RIO GUANAJIBO HORMIGUEROS, PR

1

10

100

1000

Jan-90 Jan-91 Jan-92 Jan-93 Jan-94 Jan-95 Jan-96 Jan-97 Jan-98 Jan-99 Jan-00Time

Dai

ly d

isch

arge

(cm

s)

S imulated in Vflo+base flow real data

Saturation Guanajibo Basin

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

9/26/2003 0:00 10/6/2003 0:00 10/16/2003 0:00 10/26/2003 0:00 11/5/2003 0:00 11/15/2003 0:00 11/25/2003 0:00 12/5/2003 0:00

Corrida 1 Corrida 2 Corrida 3 Corrida 5 Corrida 6 Corrida Annual

HEC-HMS

Modelos Hidrulicos en 1D o 2D

Extraer informacin del terreno. Generar niveles de inundacin. Delimitar planicies inundables Analizar Riesgo: niveles, velocidad del

agua. Transporte de contaminantes Sedimentos

Modelos Hidrulicos lHEC-RAS

Velocidades Elevacin del agua Planicie inundable Anlisis de alternativas

Integracin parmetros en Modelos Hidrulicos l Hidrulico 2 D: Clculo de Niveles de Inundacin y

Definicin de Areas Inundables.

Prevencin de Inundaciones Estaciones en tiempo real Delimita las reas inundables para un periodo de

retorno de 100 aos. Nuevos desarrollos realizar un estudio H-H. No

aumento en el nivel de inundacin para los periodos de retorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 aos.

Se proponen medidas para mitigar caudal de excedencia.

Diseo de carreteras y puentes segn niveles de inundacin.

A= R*K*C*P*L*S Datos Lluvia

R Factor

Imgen de

Satlite

Cobertura Vegetal

C Factor P Factor

Map de Suelo

Clasificacin De Textura

K Factor

Contenido de Materia Orgnica

Digital Terrain Model

Clculo Pendiente

L Factor S Factor

Gestin de Cuencas Prdida del suelo (TON/Hec*yr)

Erosin del Suelo: rea de estudio l Cuenca del Ro Grande de Arecibo aguas

arriba del Reservorio Dos Bocas.

Cuenca del Virilla Tonny Carrillo Paniagua

Cuenca drena a Represa La Garita Rebeca Carvajal Carballo

Represa Cachi

Vernica Alfaro

Cuenca Pacayas

10-50 50-200 >200

Adriana Rojas Rishor

Conclusiones l El SIG es una herramienta vital para la evaluacin

a gran y pequea escala de los recursos naturales.

l Ante los escenarios para el siglo XXI es imperativo actualizar y generar una base de datos espaciales para facilitar la evaluacin de los ecosistemas y recursos naturales.

l Globalizacin y fcil acceso a las bases de datos generados por los principales organismos nacionales: Precipitacin, caudal, mediciones meteorolgicas,

caractersticas del suelo, uso del terreno, imgenes de satlite entre otras.

Facilita la investigacin, evaluacin y disminucin del tiempo de respuesta ante una posible amenaza.

Gracias