aplicaciones sig de modelos hidrulico-hidrolgico
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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
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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.
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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.
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Escenario de lluvia Abril-Junio 2013
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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.
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Informacin Requerida para un anlisis en Recursos Hdricos
Drenaje
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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.
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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.
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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.
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Fuentes de Precipitacin
lMedidas puntuales en las estaciones pluviomtricas. Polgonos de Thiessen Interpolacin
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Fuentes de Precipitacin lLluvia distribuida
Radar: Servicio Nacional del Tiempo, USA Algoritmos desarrollados para calcular lluvia
a partir del satlite GOES.
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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
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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
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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.
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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
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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)
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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
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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.
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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
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HEC-HMS
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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
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Modelos Hidrulicos lHEC-RAS
Velocidades Elevacin del agua Planicie inundable Anlisis de alternativas
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Integracin parmetros en Modelos Hidrulicos l Hidrulico 2 D: Clculo de Niveles de Inundacin y
Definicin de Areas Inundables.
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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.
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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)
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Erosin del Suelo: rea de estudio l Cuenca del Ro Grande de Arecibo aguas
arriba del Reservorio Dos Bocas.
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Cuenca del Virilla Tonny Carrillo Paniagua
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Cuenca drena a Represa La Garita Rebeca Carvajal Carballo
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Represa Cachi
Vernica Alfaro
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Cuenca Pacayas
10-50 50-200 >200
Adriana Rojas Rishor
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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.
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Gracias
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