Post on 07-Nov-2015
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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