Universidad de ChileFacultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Civil INFORME DE HIDROLOGÍA CI5101 – Hidrología Tarea 3 Delimitación de una Cuenca y Análisis de Precipitaciones Integrantes: Nicolás Aceituno Profesor: James McPhee Auxiliares: Sebastián Fernández Ayudante: Juan Carlos Richard Fecha entrega: 28/05/2014 INTRODUCCIÓN Cuantificar la precipitación no es una tarea simple, dado que su distribución no siempre es uniforme al ser demasiado extensa la superficie donde ocurre. La mayoría de los procesos hidrológicos derivan de las precipitaciones, por lo que la medición de éstas es en extremo importante para poder cuantificar otros procesos hidrológicos. Para poder medir la precipitación se utilizan diversos instrumentos hidrológicos, los que utilizan tecnologías desde básicas hasta avanzadas. En particular, una forma de estimar la precipitación en un área es midiendo el caudal que escurre en dicha cuenca a través de un curso particular de agua. En este informe, se estudiarán las precipitaciones a través de una delimitación de cuenca y medición de caudal del Río Cautín, río particular de la provincia de Cautín, con una longitud de 174 km y área de cuenca aportante de 3100 2 en la totalidad del río uniéndose al imperial. Para la realización de este informe y actividad práctica se solicita realizar un análisis de precipitaciones en una zona de la cuenca de Curacautín, donde se utilizará el software Global Mapper, que permite integrar información geográfica especializada con información hidrológica, además de permitir realizar cálculos de información geomorfológica de un lugar. Además, se delimitará dicha cuenca a través de herramientas computacionales idóneas, calculando características geomorfológicas y propiedades hidrográficas de la zona. METODOLOGÍA Y CÁLCULOS Con el objetivo de analizar las características geomorfológicas delimitando una cuenca y realizar un análisis de precipitaciones se realizan el siguiente desarrollo teórico y práctico solicitado: P1 Delimitación de la Cuenca: Se solicita determinar las características geomorfológicas de dicha cuenca, tales como: Área total, cota máxima y mínima, longitud del cauce principal y curva hipsométrica en la cuenca mostrada en la figura 1, además se solicita entregar un mapa con escala de elevación de la cuenca, vale decir, de curvas de nivel. Para realizar los cálculos anteriores se utiliza el programa Global Mapper. En primer lugar se buscan los mapas coordenada correspondiente a la ciudad de Temuco, cercana al Río Cautín para poder encontrar la zona de estudio, a continuación se detallan los pasos para generar la cuenca aportante al punto donde se calculará el caudal: 1. Descargar los mapas correspondientes a las zonas de estudio desde la página http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/index.jsp, a través de ésta se obtienen los archivos DEM que permiten conocer las características geomorfológicas. 2. Dado que se quiere conocer el caudal en un punto del Río Cautín, se localiza geográficamente éste en Google Earth, obteniendo que se encuentra en la coordenada Geográfica: = −38.749293° = −72.587426° 3. A través de la Herramienta Digitizer de Global Mapper se señala la opción de ingresar un punto a través de sus coordenadas, se ingresan las coordenadas geográficas en el puente ferroviario y se halla el punto en el mapa. 4. En torno al punto anterior se señala, desde la pestaña Analysis la opción “Create Watershed”, para crear la cuenca, se otorgan valores a la resolución de las celdas que conforman la cuenca y así como también se otorgan una serie de parámetros característicos al proceso de generación de la cuenca. Se obtiene la cuenca mostrada en la figura 1. Figura 1. Cuenca Aportante a Río Cautín en Cruce Ferroviario, Global Mapper. 5. A través de la delimitación de cuenca y la opción en la pestaña Analysis Generate Contours, se crean las curvas de nivel, siendo resumidas en la figura 2 como el mapa de curvas de nivel solicitado en el enunciado (mapa de escala de elevación del cuenca). Figura 2. Mapa de Escala de Elevación de la Cuenca, Global Mapper 6. Las propiedades geomorfológicas siguientes se calculan como se explica: a) Área Total: Se selecciona el contorno de la cuenca, se hace click derecho y a través de la opción Anylisis/Measurement, se selecciona Measure y se obtiene el área total de la cuenca: = 2931 2 b) Cota Máxima y Mínima: Realizando un análisis Visual de las curvas de nivel de la figura 2 es posible obtener las cotas máximas y mínimas, sabiendo además que de la definición de cuenca el punto donde se calcula el caudal es la cota mínima de éste. ≈ 2900 . . . = 85 . . . c) Longitud del Cauce Principal: Para calcular la longitud del cauce principal en primer lugar se define el cauce principal en la figura 1, lo anterior se muestra en la figura 3, la suma de los tramos que componen el cauce principal dan el largo total. Para esbozar el cauce principal se utilizó el registro de Isoyetas que otorga la DGA, donde además vienen todos los cauces del río cautín y se conoce el principal y en programa Global Mapper se creó una línea que la siguiera y entregara la longitud. Figura 3. Longitud de Cauce principal en marcador azul punteado, Global Mapper. = 130.53 d) Curva Hipsométrica: Para crear la curva hipsométrica lo que se hace en primer lugar es calcular el área entre las distintas curvas mediante el empleo de la función Measurement y el cálculo del área, luego de eso se asocia cada área al promedio de cotas, así entonces se obtiene el área que tiene cierta altura promedio, posteriormente se suman las áreas para obtener un área acumulada, que es transformada a porcentaje y se relativizan las alturas a la menor, correspondiente a 100 m. El proceso anterior se muestra en la tabla 1. Tabla 1. Resumen de datos para cálculo de Curva Hipsométrica Altura [m] Área [km^2] Área acumulada [km^2] Altura relativa Área relativa [%] Altura relativa [%] 100 270 3636.05 3636.05 0 1 0 200 412 3366.05 3366.05 100 0.925743595 0.0625 300 440 2954.05 2954.05 200 0.812433822 0.125 400 392 2514.05 2514.05 300 0.691423385 0.1875 500 330 2122.05 2122.05 400 0.583614087 0.25 600 585 1792.05 1792.05 500 0.492856259 0.3125 700 35 1207.05 1207.05 600 0.331967382 0.375 800 71 1172.05 1172.05 700 0.322341552 0.4375 900 62 1101.05 1101.05 800 0.302814868 0.5 1000 52 1039.05 1039.05 900 0.285763397 0.5625 1100 426 987.05 987.05 1000 0.271462164 0.625 1200 208 561.05 561.05 1100 0.154302059 0.6875 1300 115 353.05 353.05 1200 0.097097125 0.75 1400 105 238.05 238.05 1300 0.065469397 0.8125 1500 72 133.05 133.05 1400 0.036591906 0.875 1600 66 61.05 61.05 1500 0.016790198 0.9375 Total 3641 0 1600 0 1 Con los datos de la tabla 1 se construye la Curva Hipsométrica, mostrada en la figura 4 y hecha graficando las columnas 6 y 7 de la tabla 1. Figura 4.Curva Hipsométrica cuenca en estudio de figura 1 P2 Análisis de Precipitaciones: Con el objetivo de obtener las magnitudes del precipitación media anual sobre la cuenca de la figura 1 y poner en práctica los conocimientos dados a conocer en las clases de cátedra se plantean los siguientes procedimientos a realizar: 1. Análisis de consistencia mediante curvas doble acumuladas. 2. Extensión y relleno de pluviometría mensual, en caso de ser requerida. 3. Determinación de precipitación media anual sobre la cuenca utilizando los siguientes métodos: a. Aritmético b. Polígonos de Thiessen c. Isoyetas Comentar además si existe un comportamiento orográfico de las lluvias para la cuenca seleccionadas. Para realizar los procedimientos anteriores se debe tener en cuenta que el orden a realizar es inverso, vale decir se realiza la actividad 2 y luego la 1. En primer lugar se transforman las coordenadas UTM de las estaciones pluviométricas a coordenadas geográficas, de esta manera pueden ser situados estos puntos en el archivo de Global Mapper adjuntado en la entrega. Lo anterior se resumen en la tabla 2. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 A l t u r a R e l a t i v a [ % ] Área relativa [%] Curva Hipsométrica Tabla 1 Tabla 1. Resumen Coordenadas estaciones pluviométricas Código BNA Nombre Estación Long. [°] Latitud [°] H [msnm] 09130001-K CHERQUENCO --38.684538 --71.999841 500 09122001-6 CURACAUTIN --38.448148 -71.896268 500 08350002-6 LAGUNA MALLECO --38.217581 --71.814041 890 09124001-7 LAUTARO -38.51844 --72.43754 210 09120003-1 MALALCAHUELLO --38.470926 --71.575424 950 09120002-3 MANZANAR --38.463702 Eliminado ausencia excesiva de datos --71.699321 Eliminado ausencia excesiva de datos 790 09129005-7 PUEBLO NUEVO (TEMUCO) -38.73499 -72.52948 100 09123002-K RARI-RUCA --38.425647 --72.010397 455 09122003-2 TOLHUACA Eliminado ausencia excesiva de datos Eliminado ausencia excesiva de datos 1350 09131002-3 VILCUN --38.667875 --72.010397 290 Insertando los puntos en el mapa raster adjuntado se pueden establecer las posiciones geográficas de los pluviómetros para posteriormente utilizar las herramientas que permitan generar los polígonos de thiesen y realizar los otros métodos de cálculo de precipitaciones medias. La imagen que muestra la distribución espacial de las estaciones en la cuenca se muestra en la figura 5. Figura 5.Distribución espacial de estaciones relevantes en cuenca analizada, Global Mapper Es importante considerar que se descartaron dos estaciones, la de Manzanar y la de Tolhuaca, lo anterior dado que en el archivo entregado existe una cantidad excesiva de vacíos en los datos de precipitación mensual en muchos años, por lo que no es coherente realizar un relleno o extensión de datos. El relleno de los datos se realiza considerando la receta enseñada en clases, consistente en: ---Relleno primero el año. ---Relleno el mes asumiendo el año, luego sumo los sumos los valores mensuales, comparo con el anual fijo y distribuyo y compenso los errores de valores mensuales rellenados. El análisis de consistencia de datos se realiza ya teniendo el relleno de datos mensuales terminado, el procedimiento se muestra en el archivo Excel “Precipitaciones Nicolás Aceituno.xls”, a continuación se presentan los gráficos obtenidos de este análisis, que genera una relación entre los datos de una estación con respecto a otra. Figura 6. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Malalcahuello y Cherquenco. Figura 7. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna Malleco y Curacautín y = 0.573x + 978.0 R² = 0.485 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 1000 2000 3000 4000 Malalcahuello/Cherquenco mall/cher Lineal (mall/cher) y = -0.023x + 1637. R² = 0.002 0 500 1000 1500 2000 2500 0 2000 4000 6000 Laguna Malleco/Curacautin laguna malleco/curacaut in Lineal (laguna malleco/curacaut in) . Figura 8. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna Malleco y Malalcahuello Figura 9. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna Malleco y Rari-Ruca y = 0.571x + 407.4 R² = 0.400 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 2000 4000 6000 Laguna malleco/Malalcahuello laguna malleco/malalca huello Lineal (laguna malleco/malalca huello) y = 0.005x + 113.1 R² = 0.009 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 2000 4000 6000 Laguna Malleco/Rari-Ruca laguna malleco/rari- ruca Lineal (laguna malleco/rari- ruca) Figura 10. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna Malleco y Malalcahuello. Es importante notar que este análisis se hace en torno a la Laguna Malleco con respecto a las otras estaciones. Importante es notar que en estos casos el análisis se hizo se manera anual, vale decir se grafican precipitaciones anuales como la suma de las precipitaciones que hubo en todos los meses en un año hidrológico. Finalmente, para realizar el procedimiento 3 se utiliza nuevamente global Mapper, que permite generar los polígonos de Thiessen de manera simple, lo anterior se muestra en la figura 11. y = 0.587x + 482.8 R² = 0.546 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 2000 4000 6000 Laguna Malleco/Malalcahuello laguna malleco/malalca huello Lineal (laguna malleco/malalca huello) Figura 11 Polígonos de Thiessen, Global Mapper Por razones de tiempo no fue posible calcular las DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A partir de todo el análisis y la realización de los procedimientos anteriores es posible reconocer inicialmente, que debido al uso en extremo complejo del software Grass, donde hubo un gasto enorme de tiempo tan solo intentando instalarlo y luego tratando de realizar lo solicitado dado que el programa arrojaba errores de manera constante y no permitía realizar los procedimientos de manera natural se optó, a recomendación del auxiliar utilizar el software Global Mapper, con éste se obtuvieron datos que en comparación con quienes utilizaron Grass GIS 6.4 son muy similares. Es importante notar que para generar la curva hipsométrica se utilizó un promedio de altitud entre curvas de nivel inherente a cada área, que mediante un tratamiento matemático simple permite graficar la curva hipsométrica, importante dado que puede discriminar escenarios donde se pueden producir inundaciones al existir una cierta cantidad de área donde se produce anegamiento, etc. Con respecto a la escala de altura, esta se dibujó de manera simple utilizando el programa Global Mapper. Finalmente, con respecto a la utilización de los métodos para cálculo de precipitación anual media y relleno de datos es posible concluir: 1- El relleno de datos se realiza siempre y cuando sea coherente y exista información mínima para realizarlo, lo cual no se cumplió en dos pluviómetro, donde la inexistencia de datos en rangos amplios hace imposible un relleno basado en los conocimientos planteados por el profesor en cátedra. 2-Los métodos de cálculo de precipitación media, uno en distinción de otro, discriminan distintos escenarios, vale decir, el aritmético por un lado cuantifica la cercanía entre zonas, mientras el de polígonos toma en cuenta una área preponderándote donde influye la precipitación, más el método final más correcto resulta ser el de las Isoyetas.