-herramienta computacional para la estimacion del balance hidrologico de largo plazo utilizando...

V Congreso Internacional de Ingeniera Civil, Universidad Santo Toms Seccional Tunja

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HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA LA ESTIMACIN DEL BALANCE HIDROLGICO DE LARGO PLAZO

UTILIZANDO ARGIS 10.1

Autor: MANUEL ALEJANDRO GRIMALDOS MOJICA

Trabajo de tesis para optar al ttulo de

Magister en Ingeniera Civil

Director

WILLIAM RICARDO AGUILAR PIA

Ingeniero Especialista

ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERA JULIO GARAVITO

MAESTRIA EN INGENIERA CIVIL

BOGOT D.C

2013

Palabras clave: ArgGIS, Balance Hidrolgico, Herramienta Computacional, Software.

(Recibido: 25 de Junio de 2014; Aprobado: 04 de Julio de 2014)

Antecedentes Actualmente se adelantan distintos trabajos hidrolgicos, para resolver problemticas de ingeniera bajo diversas tecnologas. Una de las ms conocidas es la consultora, la cual hace uso de los sistemas de informacin geogrfico (SIG)- segn sea el caso - aplicando diferentes plataformas y desarrollo de lenguajes de programacin. La casa ESRI, la ms utilizada y distribuida a nivel mundial; por ejemplo, ha generado ArcGIS; que es una plataforma para el diseo y gestin de soluciones a travs de la aplicacin de los conocimientos geogrficos; para la creacin y el uso de mapas; elaboracin de datos geogrficos; anlisis de la informacin asignada; difusin y descubrimiento de informacin geogrfica, en una amplia gama de aplicaciones y gestin de la informacin geogrfica en una base de datos. Esta herramienta ArcGIS es de carcter comercial y tiene un costo de licenciamiento. En paralelo, otras entidades y empresas han ofrecido sistemas similares sobre plataformas de acceso libre, por ejemplo: MapWindow, GvSIg, o Quantum SIG ofrecen soluciones geomticas libres para la sostenibilidad de los proyectos que se desarrollen. Los sistemas de informacin geogrfica se han dispuesto como herramientas en tecnologas que dinamizan la solucin de problemas y generan conocimiento nuevo, partiendo de informacin geogrfica conocida y han visto su aplicacin a diferentes campos del desarrollo humano en muchas disciplinas del saber. La hidrologa, al relacionar datos geogrficos, topogrficos, geolgicos, de drenajes, climatolgicos, entre otros, ha visto en esta herramienta una lnea de desarrollo e investigacin con aplicaciones al manejo de recursos hdricos. Los SIG ofrecen herramientas mucho ms precisas y rpidas con las cuales se estiman la distintas variables hidrolgicas (longitud de la cuenca, rea de captacin, pendiente promedio, numero de curva CN, tiempo de concentracin, etc); por ejemplo, en el caso del ArcGIS se ha desarrollado modelo de datos geoespaciales y, temporal, llamado ArcHydro1, desarrollado para las aplicaciones de recursos de agua y obtiene datos para simulaciones hidrolgicas; elaborado por el centro de investigaciones en recursos de agua (CRWR) de la Universidad de Austin Texas. ArcGIS utiliza componentes de la extensin Spatial Analyst de ArcGIS. ArcHydro, une el anlisis espacial con los recursos de agua para trabajar juntos en un modelo de datos geoespaciales. Mediante este avance progresivo se han generado otros procedimientos y herramientas especficos para manejo de recursos hdricos: la Modelacin Geoespacial Hidrolgica, extensin (HEC-GEOHMS) que ha sido desarrollada como un conjunto de herramientas de la hidrologa geoespacial para ingenieros e

1 ARCGIS RESOURCES CENTER. Hidrografa. Aguas superficiales. Estados Unidos. Disponible en Internet:

http://resources.arcgis.com/es/content//hydro/surface-water/about


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hidrlogos con experiencia en GIS limitado. HEC-GEOHMS utiliza ArcView y la extensin Spatial Analyst para desarrollar una serie de entradas de modelos hidrolgicos para el sistema de modelado hidrolgico del Centro de Ingeniera Hidrolgica, HEC-HMS. ArcView GIS y su extensin Spatial Analyst estn disponibles en el Environmental Systems Research Institute, Inc. (ESRI). HEC-GEOHMS analiza los datos digitales del terreno, transforma las lneas de drenaje y los lmites de cuencas en una estructura de datos hidrolgicos que representa la red de drenaje. Tambin encontramos el HEC-GeoRAS que ofrece un conjunto de procedimientos, herramientas y utilidades para el procesamiento de datos geoespaciales en ArcGIS mediante una interfaz grfica de usuario (GUI). La interfaz permite la preparacin de los datos geomtricos para la importacin en HEC-RAS2 y los resultados de simulacin de procesos exportados de HEC-RAS. Para crear el archivo de importacin el usuario debe tener un modelo digital del terreno existente (MDT) del sistema fluvial en el formato TIN ArcInfo. La herramienta computacional para la estimacin del balance hidrolgico de largo plazo utilizando ARGIS 10.1, que presento, tiene desarrollos y avances informticos acordes a las tecnologas actuales de la ciencias de la Geomtica, que estn a la vanguardia del desarrollo de los Sistemas de Informacin Geogrficos (SIG); en tal sentido, fue construida empleando un modelo de add-in para ArcGIS desktop, este modelo provee un framework declarativo (.esriAddIn). La herramienta corresponde a una extensin para ArcMap (ArcMap Add-in). Esto permite a los add-ins proporcionar una visin simple y ligera para las personalizaciones ms comunes de ArcGIS (botones, herramientas, cuadros combinados, barras de herramientas o de men, ventanas acoplables y extensiones para la aplicacin y el editor) y se pueden compartir mediante correo electrnico, carpetas compartidas en red y descargas pblicas. (ESRI). El add-in se gener con el lenguaje de programacin C# del framework .Net, empleando la librera de objetos COM de ArcGIS llamada ArcObjects, el SDK de ArcObjects incluye un asistente para generar y actualizar los componentes del Add-In. Para las ediciones, actualizaciones, adiciones, mejoras y desarrollos; complementa otras versiones consecutivas. Esta herramienta tecnolgica, brinda un avance cientfico slido en consecuencia con la teora de sistemas y la lgica de lenguaje, acorde con los requerimientos y necesidades actuales. Dentro del presupuesto de ventajas y bondades, la herramienta fue creada para facilitar clculos Hidrolgicos en el entorno de ArcGIS 10.1.Es una plataforma robusta, econmica en desarrollo de plan de negocios y por su gran aplicabilidad permite eficacia en trminos de edicin y visualizacin, representacin cartogrfica, administracin de datos, geoprocesamiento, servicios, mvil, extensiones, soluciones industriales. Tambin el add-in de Balance Hidrolgico desarrolla el software de la plataforma con facilidad, provee funcionalidades para automatizar los procesos de generacin de insumos intermedios tales como las grillas de evaporacin y direcciones de flujo y clculo de caudales medios por delimitacin de cuenca y/o por acumulacin. La HERRAMIENTA surgi de la apremiante necesidad de uso sobre plataforma ESRI , en entorno de escritorio (ArcMap) y desarrollo (lenguaje C# .Net con la API de ArcGis ArcObjects) , cuestin que no ofrece el HIDROSIG 4.0 y la plataforma libre Mapwindow, que tiene limitaciones de uso y requerira un estudio y avance mayor en este sentido. La universidad nacional, sede Medelln ha realizado aportes en esta materia pero an el HIDROSIG 4.0 Minimiza operatividad con tan solo una alternativa de uso. La herramienta computacional para la estimacin del balance hidrolgico de largo plazo utilizando ARGIS 10.1, oferta una nueva alternativa de modelacin hidrolgica en plataforma casa ESRI. Este trabajo contiene teoras, lgica de programacin y desarrollo de software para sistemas de informacin geogrfico aplicado a la hidrologa y el reto de la sinergia con los temas geogrficos y cartogrficos de hoy en da aplicados al ejercicio propio de rea: recursos hdricos y medio ambiente. As mismo describe las funcionalidades y caractersticas del Add-In Balance Hidrolgico, dando un enfoque tcnico terico sobre su implementacin. Como referente tcnico para la elaboracin de la herramienta, se utiliz el estudio realizado por la Universidad Nacional de Colombia sede Medelln, Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, la interfaz bsica HIDROSIG 4.0. A partir de lo anterior se cre y desarrollo la herramienta computacional para la

2 DEPARTMENT OF THE ARMY CORPS OF ENGINEERS INSTITUTE FOR WATER RESOURCES. Hydrologic Engineering Center. 609 Second

Street Davis, CA 95616-4687. Disponible en Internet: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/


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estimacin del balance hidrolgico de largo plazo versin 1.0. Esta herramienta fue creada para facilitar clculos Hidrolgicos en el entorno de ArcGIS, a travs del addin de Balance Hidrolgico, el cual provee funcionalidades para automatizar los procesos de generacin de insumos intermedios y clculo de caudales. Se tomaron como parmetros los siguientes aspectos:

Diseo ventana acoplable del Balance Hidrolgico. Selector de Mapas. Integrador sobre polgonos. Algoritmo de Acumulacin. Formulas del balance hidrolgico de largo plazo.

Y se utilizaron formulas del balance hidrolgico de largo plazo para la estimacin de caudales (medios y extremos). En la primera fase de obtencin de la herramienta se analiz, dise y estructur el cdigo de programacin en lenguaje C# .Net con la API de ArcGis ArcObjects.

ESPECIFICACIN EXTENSION BALANCE HIDROLOGICO A continuacin se presenta la descripcin de la Extensin del modelo de clases el cual se divide en 10 Package.

1. Package AddIn 2. Package ArcGIS 3. Package Flow 4. Package Form 5. MapAlgebra Form 6. Package Operator 7. Package Polygon 8. Package Tracer 9. Package Util 10. Package Validate

Para la determinacin de los CAUDALES MEDIOS: EL MTODO DEL BALANCE HIDROLGICO DE LARGO PLAZO, sobre la estimacin de caudales medios se utiliza el mtodo del balance hidrolgico a largo plazo, donde se supone que en un perodo de tiempo largo (dcadas), la variacin en el almacenamiento del suelo y la atmsfera es despreciable. El caudal medio en una cuenca se calcula como:

reaCuenca

dAyxEyxPMedioCaudal ,,

Donde, P(x,y) es la precipitacin que recibe el punto (x,y) en el perodo considerado, E(x,y) es la lmina de agua que se pierde por evapotranspiracin en el punto (x,y) en el mismo perodo, y dA es un diferencial de rea de la cuenca.

CAUDALES EXTREMOS: EL MTODO DE ANLISIS DE FRECUENCIA DE EVENTOS EXTREMOS3 Los caudales extremos (mnimos o mximos) en una cuenca hidrogrfica para diferentes periodos de retorno, pueden calcularse mediante la ecuacin

TrTr KQ

3 ESCUELA DE GEOCIENCIAS Y MEDIO AMBIENTE. UNIVERSIDAD NACIONAL. HigroSIG 4.0. Medelln Colombia. Disponible en Internet:

http://www.medellin.unal.edu.co/~hidrosig/


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Donde, K es el factor de frecuencia que depende de la funcin de distribucin de probabilidad de valores

extremos elegida y del periodo de retorno Tr , es la media de los caudales extremos considerados (mximos o mnimos) y es la desviacin estndar asociada al evento extremos considerado. La media y la desviacin estndar de los caudales mximos o mnimos dependen del rea (A), la precipitacin (P) y la evaporacin (E), y pueden calcularse como:

AEPc )(

AEPc )(

Donde los parmetros C_media ( c ), C_desv ( c ), Fi_media (

), Fi_desv ( ), Teta_media ( ) y

Teta_desv ( ), son parmetros regionalizados y diferentes para caudales mximos o para mnimos. Cabe resaltar y adicional a ello se realizo la obtencin de las grillas o capas en formato raster, mediante la programacin de lnea de cdigo fuente de HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA LA ESTIMACIN DEL BALANCE HIDROLGICO DE LARGO PLAZO UTILIZANDO ARGIS 10.1 a travs de algebra de mapas de: temperatura, evapotranspiracin mtodo de Turc, direcciones de flujo, acumulacin o agregacin de flujo, con su respectiva optimizacin y automatizacin de procesos que sugieren la disminucin de tiempo para adelantar este proceso y las ventajas caractersticas del entorno ArcGIS 10.1. Para el clculo el mapa promedio anual de temperatura superficial del aire (T en C) utilizando la siguiente relacin con la altura (H en m sobre el nivel del mar):

HT 0061.042.29

Para el clculo del mapa de evapotranspiracin real promedio anual (ETR en mm/ao) empleando el mtodo de Turc, el cual se describe a continuacin:

2

2

9.0L

P

PTRE

Si P/L > 0.316.

PETR Si P/L < 0.316

305.025300 TTL Donde, P es la precipitacin media multianual (mm/ao) y T la temperatura promedio anual (C). Como se puede apreciar en las ecuaciones previas, para obtener el mapa de Evapotranspiracin Real es necesario saber si la relacin P/L es mayor o menor que 0.316.

Para el clculo de mapa direcciones flujo y acumulacin o agregacin de flujo el procedimiento se basa en sumar una variable discretizada en el espacio (precipitacin, evaporacin, caudales de demanda, etc), segn el mapa de direcciones de drenaje. Este procedimiento se esquematiza en la Figura siguiente, donde se muestran en orden descendente: el mapa de la variable discretizada a agregar, el mapa que representa la red de drenaje, el mapa de direcciones de drenaje y el mapa de la variable agregada (mapa resultado).


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Fuente: ArcGIS Resources Ayuda de ArcGIS 10.1 Acumulacin de flujo Modulo 3 - Curso de capacitacin manejo HigroSIG 4.0. Medelln Colombia. Proceso de agregacin de variables siguiendo la estructura de la red de drenaje. Modelacin distribuida

Fuente: TALLERES DE CAPACITACIN HIDROSIG 4.0 - (UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLN Escuela de Geociencias y Medio Ambiente Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidrulicos).

Ejemplo Grilla de Precipitacin

Fuente:http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/data/datapool/TRMM_DP/01_Data_Products/02_Gridded/ ArcGIS Explorer incluye un kit de desarrollador de software (SDK). El objetivo del SDK es servir de apoyo a los desarrolladores para utilizar la interfaz de programacin de la aplicacin ArcGIS Explorer (API) y construir add-ins compatibles con la aplicacin ArcGIS Explorer.


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Diagramas de las clases de ArcGIS Explorer API (el espacio para el nombre de ESRI.ArcGISExplorer): Los diagramas de clase muestran las distintas clases que se exponen en ArcGIS Explorer API. El modelo de clases el cual se divide en 10 Package, funciona y opera con la arquitectura y estructura de programacin que obedece a la relaciones, atributos y operaciones entre clases, entidades, como cuerpo y alma del sistema de informacin que se desarrolla, el modelo proporciona a los desarrolladores un marco declarativa basada en la creacin de bloques de funcionalidad personalizada en un solo archivo comprimido.

AddinImpl: Clase de implementacin de la ventana acoplable del add-in. Es responsable de la creacin y la eliminacin de la clase de interfaz de usuario de la ventana acoplable.

Type: Class ESRI.ArcGIS.Desktop.AddIns.DockableWindow Status: Proposed. Version 1.0. Phase 1.0. Package: AddIn Keywords: Relaciones AddinImpl TIPO FUENTE OBJETIVO NOTAS

Association

Source -> Destination Public AddinImpl

Private m_windowUI HydrologicalBalanceDockWin

Usa la clase de interfaz de usuario de la ventana acoplable para crearla y eliminarla.

Atributos AddinImpl ATRIBUTO LIMITACIONES Y ETIQUETAS

m_windowUI HydrologicalBalanceDockWin

Private

Default: Por defecto

Operaciones Addinlmpl

MTODO PARMETROS

AddinImpl() Public

Dispose() void Protected

bool [in] disposing

OnCreateChild() IntPtr Protected

Aplicaciones ArcGIS4 se construyen sobre un marco comn y extensible conocido como

ArcObjects. Puede agregar componentes personalizados para aplicaciones de ArcGIS, ampliando el marco de ArcObjects. Estos componentes personalizados pueden interactuar con otros componentes ArcObjects y aadir nuevas funcionalidades a las aplicaciones de ArcGIS. Ejemplos de los componentes personalizados que se pueden crear son herramientas, extraccin de grasas, los smbolos cuentan, capas, personalizaciones editor, extensiones clase geodatabase y plug-in de fuentes de datos. El componente personalizado se crea mediante el desarrollo de componentes de.NET (C # y VB.NET) o Java utilizando la interfaz de programacin de aplicaciones ArcObjects apropiado (API). Los componentes personalizados deben estar COM visible y registrado a categoras especficas de componentes Esri. Adems, la instalacin de componentes personalizados requiere privilegios administrativos. Las siguientes son las ventajas de los componentes personalizados:

4 ArcGIS. Resources - ArcObjects Ayuda para NET - http://resources.arcgis.com/en/help/arcobjects-net/conceptualhelp/index.html#AddIns


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Puede crear componentes personalizados que son especficas de sus datos, de dominio o de

organizacin, aprovechando el amplio espectro de las API de ArcObjects.

Puede crear personalizaciones especficas de dominio y extensiones avanzadas. Algunas de las extensiones de ArcGIS, como la lnea de produccin de herramientas (PLTS) para ArcGIS son ejemplos de extensiones de aplicaciones avanzadas creadas por la ampliacin del marco ArcObjects.

Se puede entregar con facilidad a los usuarios finales a travs de programas de instalacin personalizados.


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El diagrama de flujo declara la relacin de los procesos con las relaciones de clase entidad relacin con sus atributos y operaciones. Para establecer el diagrama de flujo de la herramienta computacional es necesario definir el modelo de clases, que permita las herramientas condicionales de geoprocesamiento.


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VALIDACIN DE LA INFORMACIN DE ENTRADA: Este proceso valida la estructura de la

informacin en cuanto a: Formato (Raster y vector) Sistema de referencia (Raster y vector) Resolucin Espacial (Raster) Extensin Espacial (Raster y vector)

Validacin de Extensin Espacial.

Fuente: ArcGis Resources - Extensin espacial de salida.

CREACIN DEL DEM REACONDICIONADO Y CAPAS AUXILIARES Este proceso se realiza usando una implementacin del mtodo AGREE desarrollado por el Centro de Investigacin en Recursos Hdricos de la Universidad de Texas en Austin. Se encuentra implementado en la extensin ArcHydro de ArcGIS.

REACONDICIONAMIENTO

Mtodo matemtico bilineal Mtodo matemtico de reacondicionamiento del DEM Realizar correccin del Dem Correccin de sumideros Correccin de picos


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CAPAS AUXILIARES

Interpolacin del raster de precipitacin (spatial analyst) Clculo del raster de temperatura (BARN, Alicia. Modelos geoespaciales de la distribucin de las variables climatolgicas en el territorio colombiano.

Meteorol. Colombia-Universidad Nacional)

Clculo del raster de evapotranspiracin Mtodo de Turc) Polgono de delimitacin de cuencas Grilla de estimacin de caudales por polgono de cuenca Grilla de estimacin de caudales por acumulacin de flujo

Modelo digital de elevacin (DEM MDT)

Fuente : Propia MDT.

Fuente: Propia MDT 3D Grilla de Direcciones de Flujo FDR

32 64 128 7 8 9 4 3 2 7 0 1

16 0 1 4 0 6 5 NaN 1 6 2

8 4 2 1 2 3 6 7 8 5 4 3

ARCGIS/HYDROSHEEDS HIDROSIG MAPWINDOW GRASS

Fuente: ArcGis Resources - Direccin del flujo (Spatial Analyst) 5

5ArcGIS. Resources - ArcObjects Ayuda para NET - http://resources.arcgis.com/en/help/arcobjects-net/conceptualhelp/index.html#AddIns


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DESCRIPCIN GENERAL DE LA SOLUCIN DEL DISEO EL MODELO DE ADD-IN PARA ARCGIS

DESKTOP 10.1.

Un add-in es una personalizacin, como un conjunto de herramientas de una tabla de herramientas que se integra en una aplicacin de ArcGIS for Desktop (es decir, ArcMap, ArcCatalog, ArcGlobe y ArcScene) con el fin de proporcionar funciones complementarias para la realizacin de tareas personalizadas. La herramienta para la estimacin del balance hidrolgico de largo plazo fue construida empleando el

modelo de add-in para ArcGIS desktop, este modelo provee un framework declarativo para crear una

coleccin de personalizaciones empaquetadas dentro de un archivo comprimido (.esriAddIn). Especficamente la herramienta corresponde a una extensin para ArcMap (ArcMap Add-in).

El add-in se gener con el lenguaje de programacin C# del framework .Net, empleando la librera de

objetos COM de ArcGIS llamada ArcObjects, el SDK de ArcObjects incluye un asistente para generar y actualizar los componentes del Add-In. A continuacin se listan el software empleado en la implementacin:

Microsoft Visual Studio 2010 ArcObjects SDK for the Microsoft .NET Framework 10.1 ArcGIS for Desktop (Con la extension Spatial Analyst)

DESARROLLO CON RASTER EN ArcGIS A continuacin se enuncian los casos de desarrollo relacionados con informacin raster empleados en la implementacin del add-in Balance Hidrolgico.

Accediendo y desplegando informacin raster: workspace - (RasterWorkspaceFactory) - (FileGDBWorkspaceFactory) - Mtodo OpenWorkspace de la clase Raster- Metodo AddRasterLayer de

la clase Map.

Creando rasters usando pixel blocks: objeto de tipo IRasterWorkspace2 - Metodo CreateRaster de la clase Raster

Procesando datos raster:mediante el lgebra de mapas - Clase CaudalAlgebra DESARROLLO DE SIG APLICADOS A LA INGENIERIA DE RECURSOS HIDRICOS Y AMBIENTAL

6:

El Conjunto herramientas y actividades que actan coordinada y sistemticamente para recolectar, almacenar, validar, actualizar, manipular, integrar, analizar, extraer, y desplegar informacin, tanto grfica como descriptiva de los elementos considerados, con el fin de satisfacer mltiples propsitos.

6 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLN Escuela de Geociencias y Medio Ambiente Posgrado en Aprovechamiento de

Recursos Hidrulicos. Talleres de capacitacin Hidrosig 4.0


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COMPARATIVO DE HIDROSIG 4.0 y el ADD-IN

ADD-IN ARCGIS

Funcionalidades del men Balance Hidrolgico

BOTON NOMBRE FUNCIN

Balance Hidrolgico

Muestra/oculta la ventana acoplable del Balance Hidrolgico

NOMBRE FUNCIN

Validar Informacin

Informa sobre posibles errores o advertencias en la informacin de entrada de las dems funcionalidades del men.

Nuevo Raster Temperatura

A partir de informacin de elevacin genera un raster de Temperatura.

Nuevo Raster de Evapotranspiracin

Genera un raster de Evapotranspiracin por el mtodo de Turc.

Nuevo Raster de Direcciones de Flujo

Genera un raster de Direcciones de Flujo con una estructura determinada para el uso en la extensin Balance Hidrolgico.


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Acumulador de Flujo

Genera un raster que contiene los valores acumulados de caudales medios.

ESTUDIO DE CASO CUENCA ARROYO LAS ANIMAS DEPARTAMENTO DEL CESAR

El estudio de caso es el mecanismo y la manera en que el elemento o Herramienta Computacional Para La Estimacin Del Balance Hidrolgico De Largo Plazo, se somete a prueba de validacin sobre funcionalidad y demuestra su uso en sistemas de informacin geogrfico a travs del desarrollo de software en plataforma ESRI en el Addin Balance Hidrolgico ArcGIS 10.1. Para ello se utilizo una seria de pruebas de agitacin ensayo - error, para depurar el desarrollo del cdigo fuente de programacin (Diseo ventana acoplable del Balance Hidrolgico, Selector de Mapas, Integrador sobre polgonos, operador, mapa de algebras, flujos, Algoritmo, Formulas y relaciones del balance hidrolgico de largo plazo, entre otros). Hasta su consecucin, en 7 versiones de lnea de cdigo hasta llegar viabilizada.

Es importante resaltar y mencionar que para la comprobacin del cien por ciento (100%) de la herramienta desarrollada y teniendo presente que para el estudio de caso no se tena la

informacin de los parmetro regionalizados de C_media ( c ), C_desv ( c ), Fi_media ( ),

Fi_desv ( ), Teta_media ( ) y Teta_desv ( ), se realizo dicha comprobacin utilizando la HERRAMIENTA COMPUTACIONAL PARA LA ESTIMACIN DEL BALANCE HIDROLGICO DE LARGO PLAZO UTILIZANDO ARGIS 10.1 , y los Datos del Modulo 3 - Estimacin de Caudales Hidrosig 4.0. Ello con el fin de lograr y comprobar por este medio la estimacin de caudales Mximos para esas grillas o capas.

A. CUENCA ARROYO LAS ANIMAS DEPARTAMENTO DEL CESAR

La Cuenca arroyo LAS ANIMAS7 localizada en el municipio de Chiriguan departamento del Cesar se

caracteriza por tener un relieve con pendientes que van desde planas hasta onduladas, sobre las cuales descansan innumerables cinagas y pantanos, caractersticas que permiten en la zona condiciones climticas muy homogneas. Caractersticas generales de las estaciones climticas del municipio segn el IDEAM.

ESTACIN TIPO CDIGO CORRIENTE COORDENADAS ELEVACIN MSNM

Chiriguan Co 2502525 Ariguan 0923 N 7336 W 40

Poponte Pm 2502069 Q. La Mula 0925 N 7320 500

La hidrologa en el territorio municipal se encuentra surcado por los afluentes que conforman la cuenca del Ro Cesar y aquellos que conforman la subcuenca de los ros la Mula, Anime, Arroyo San Antonio, Cao Similoa, Paraluz y Cinagas, las cuales en su conjunto forman parte del complejo cenagoso. Las cuencas hidrogrficas en el municipio pertenece a la red hidrogrfica de la margen oriental del ro Cesar, la cual est formada por un sistema de cinagas, cuencas y subcuencas que nacen y captan sus aguas en la vertiente occidental de la cordillera oriental drenando la zona noreste del municipio. Tomando como punto de partida la informacin cartogrfica digital dispuesta para el estudio de caso de esta regin en particular, lo primero que se realiza es la configuracin de la Herramienta Computacional correctamente Para La Estimacin Del Balance Hidrolgico De Largo Plazo - HydrologicalBalance.

Balance Hidrolgico a largo plazo estudio de caso Las nimas: Se estimo caudales medios empleando el mtodo del balance hidrolgico de largo plazo a la salida de una cuenca previamente trazada. Tiene como insumos los raster de precipitacin y evapotranspiracin. Para cada uno de estos se realizan anlisis estadsticos (sumatoria de la variable, valor medio, mnimo y mximo) para los pixeles que se encuentran dentro del rea que delimita la cuenca de entrada. Con las estadsticas calculadas se realiza la estimacin del caudal medio dada la siguiente frmula:

7INSTITUTO DE HIDROLOGA, METEOROLOGA Y ESTUDIOS AMBIENTALES DE COLOMBIA. IDEAM. Sistema Biofsico. Chiriguan. Disponible

en Internet: http://cdim.esap.edu.co/BancoMedios/Documentos%20PDF/biof%C3%ADsico_chiriguan%C3%A1_(88_pag_234_kb).pdf


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3.171E-05 * BasinArea * (Precipitation.mean - Evaporation.mean)8

Ventana desplegable Balance Hidrolgico

Para el estudio de caso, de la cuenca del arroyo Las Animas se identificaron 3 puntos diferentes indicando en la siguiente tabla las coordenadas (x, y, z); luego se realiza el balance hidrolgico con las grillas suministradas por la Escuela Colombiana Ingeniera y se efecta el clculo completo utilizando HidroSIG y el Add-in. Se presenta una tabla de comparacin de los resultados obtenidos para los puntos.

Resultados ADD-IN ARCGIS

Fuente: Propia.

8 UNIVERSIDAD NACIONALSEDE MEDELLIN. Curso de Capacitacin Hidrosig 4.0 Modulo 3- estimacin de caudales.


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Resultado HIDROSIG 4.0 Fuente: Propia.

Las diferencias se basan sobre los datos de acumulacin de cada punto despus de realizar el balance hidrolgico obtenido de AddIn Vs Hidrosig 4.0.

Punto1.0 (2.471193, 2.470222) m3/s

Punto 2.0 (2.307074, 2.305735 ) m3/s

Punto 3.0 (2.338800, 2.337440) m3/s

Su diferencia radica en el raster de direcciones suministrado tiene algunos pixeles con valores "no data", entonces se control la acumulacin en el Addin en dichos pixeles sea cero.

Caudal Mximo Y Mnimo Estudio De Caso Las Animas: Para la estimacin de este tem, se establece que no se suministro las grillas (Las Animas) requeridas por los cual lo realizamos utilizando los datos de la capacitacin para el manejo y uso de HIDROSIG 4.0 Modulo 3 Estimacin de Caudales. A continuacin se presentan los procedimientos y procesos para el desarrollo del ejemplo. Para estimar caudales mximos y mnimos para diferentes periodos de retorno en diferentes cuencas hidrogrficas se debe considerar lo siguiente. Nota 1: Para este clculo es necesario que se encuentre calculado el caudal medio previamente. Se presenta a continuacin Caudal Extremos Usando La Herramienta Computacional Balance Hidrolgico Arcgis 10.1.Estimacin De Caudal Mximo, Distribucin Gumbel Para Periodo De Retorno 100 Aos.

Se presenta a continuacin Caudal Extremos Usando La Herramienta Computacional Balance Hidrolgico Arcgis 10.1.Estimacin De Caudal Mximo, Distribucin Gumbel, LogNormal Para Periodo De Retorno 100 y 10 Aos.


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Se presenta a continuacin Caudal Extremos Usando La Herramienta Computacional Balance Hidrolgico Arcgis 10.1.Estimacin De Caudal Mnimo, Distribucin Gumbel Para Periodo De Retorno 100 Aos.

Se presenta a continuacin Caudal Extremos Usando La Herramienta Computacional Balance Hidrolgico Arcgis 10.1.Estimacin De Caudal Mnimo, Distribucin Gumbel, LogNormal Para Periodo De Retorno 100 y 10 Aos.

CONCLUSIONES

La herramienta para la estimacin del balance hidrolgico de largo plazo (cdigo HydrologicalBalance) es una herramienta computacional que se cre con el apoyo de la ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERA JULIO GARAVITO, a nivel de maestra en Ingeniera Civil, con nfasis En Recursos Hidrulicos Y Medio Ambiente en el Centro De Estudios Hdricos, con el propsito de realizar una propuesta de desarrollo en sistemas de informacin geogrfico (SIG) aplicado a la ingeniera civil para optimizar y automatizar procesos de manejo de recursos hidrolgicos y geogrficos, accesible a no programadores, a ingenieros que manejan temas de avanzar en futuras investigaciones de recursos hdricos, y no tienen una amplia experiencia y manejo de SIG ,especficamente en el manejo de ArcGIS en versin 10.1 en adelante. Evidentemente el punto de partida de experiencias exitosas de la herramienta propuesta, fue fundamentado e influenciado por la Universidad Nacional sede Medelln, Escuela de Geociencias y medio ambiente a travs de Hidrosig 4.0.


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Este trabajo ofrece una propuesta inicial de desarrollo en la plataforma ESRI, con el firme propsito de avanzar en nuevas implementaciones, tomndolo como rbol de necesidades para los consecutivos mdulos que se acoplen a este. Teniendo como insumo el aporte de la teora lgica de programacin y el cdigo generado. La herramienta computacional creada, supera las limitaciones informticas ms apremiantes, es una aplicacin de avances tecnolgicos, para enfrentar y atender otros retos tericos actuales geomticos. Adems constituye una mejora notable en automatizacin y optimizacin de procesos como por ejemplo la teora algebra de mapas y geoestadistica incorporados en esta propuesta y declaradas en las lneas de cdigo HydrologicalBalance. El cdigo fuente de la Herramienta Computacional Para La Estimacin Del Balance Hidrolgico De Largo Plazo Versin 1.0, en ArcGis 10.1 est abierto a todas las modificaciones, actualizaciones, desarrollos y mejoras, tales como la inclusin de mtodos alternativos para la generacin de grillas de evapotranspiracin, temperaturas entre otros aspectos de inters.

BIBLIOGRAFA

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