sistema de informaciÓn hidrolÓgica para la...
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SISTEMA DE INFORMACIÓN HIDROLÓGICA PARA LA
CUENCA DEL RÍO SANTIAGO, MÉXICO.
Jaime Rivera
1, Jaime Velázquez
1
1 Coordinación de Hidrología, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.
Paseo Cuauhnáhuac No. 8532. Jiutepec, Morelos. 62550, México.
y
David Báez2
2 Proveedor de Servicios de Tecnología de Información.
México, D.F.
RESUMEN
Un sistema de información hidrológica (SIH) es un sistema de
cómputo que se compone de una base de datos geográfica sobre
el recurso hídrico de un área de interés y de herramientas para
consulta, actualización y procesamiento de la información
espacial y numérica almacenada en la base de datos. En este
trabajo se describe la implementación de un sistema de este tipo
que fue desarrollado para apoyar la organización de la
información del recurso hídrico superficial en la cuenca del Río Santiago, en México.
El SIH fue implementado en el software ArcGIS® versión 9.3 y
se compone de una base de datos geográfica con estructura del
modelo de datos ArcHydro en su versión completa, y de un
menú que contiene opciones para consultar los datos almacenados en la base a partir de una selección espacial.
El SIH desarrollado es una tecnología de información
geográfica útil para apoyar y proporcionar la información
requerida en los estudios dirigidos al diagnóstico, planeación y
disponibilidad de agua superficial en esta región hidrológica de México.
Palabras clave: Sistema de información hidrológica, base de
datos geográfica, modelo de datos ArcHydro, recurso hídrico,
Río Santiago
1. INTRODUCCIÓN
Para lograr una adecuada planificación hídrica es necesario
tener total conocimiento del recurso hídrico disponible en una
cuenca o región hidrológica, tanto en cantidad como en calidad.
Se requiere conocer las características topográficas, orográficas,
hidrológicas, climáticas y físicas, asentamientos urbanos, usos
de suelo, entre otros temas [2]. Todo este conocimiento permite
evaluar la disponibilidad del recurso hídrico en una cuenca o
región, y con ello obtener una planificación hídrica oportuna y real.
Los sistemas de información geográfica (SIG) son herramientas
donde se realiza el procesamiento de la información espacial
asociada con el recurso hídrico y con ello apoyar estudios
dirigidos al diagnóstico y planeación del recurso hídrico, de
actualización de la disponibilidad de agua superficial, de inventarios, caracterización y delimitación de áreas naturales.
En la última década han surgido nuevas tecnologías para
almacenar la información espacial y temporal asociada con el
recurso hídrico dentro de una plataforma de sistemas de
información geográfica. Una de estas tecnologías es el concepto
de Sistema de Información Hidrológica (SIH), el cual se define
como un sistema de cómputo que integra información espacial y
temporal para apoyar el análisis y modelación hidrológica, así
como para la toma de decisiones [5]. Este sistema se compone
de una base de datos geográfica con la estructura del modelo de
datos ArcHydro, la cual contiene datos espaciales y series de
tiempo asociadas con el recurso hídrico, y de herramientas para
actualización y consulta de estos datos.
En este trabajo se presenta un sistema de información
hidrológica para la cuenca de Río Santiago, localizada en la
región hidrológica No. 12 Lerma-Santiago-Pacífico, que fue
desarrollado para organizar la información del recurso hídrico y
apoyar la gestión del agua en esta región.
2. OBJETIVOS
Los objetivos planteados en el desarrollo de este trabajo fueron
los siguientes:
Desarrollar una base de datos geográfica de aguas
superficiales en la región.
Crear un sistema de información hidrológica.
3. ÁREA DE ESTUDIO
La cuenca del Río Santiago abarca un área aproximada de
75,750 km2 aproximadamente, lo que equivale a 4% de la
extensión territorial del país (Figura 1). Se localiza en la parte
central de la República Mexicana y comprende parcialmente los
territorios de los siguientes estados: Aguascalientes (7%),
Durango (5%), Jalisco (38%), Nayarit (15%), Guanajuato (2%) y Zacatecas (32%).
Figura 1. Localización geográfica de la cuenca del Río
Santiago.
El sistema hidrológico de la cuenca del Río Santiago está
constituido por el río Santiago que es el colector principal del
sistema, con poco más de 700 km de longitud, este río tiene su
origen en la salida del Lago de Chapala, en donde se localiza el
río Zula y la planta de bombeo Ocotlán, en el estado de Jalisco;
y termina en la desembocadura al Océano Pacífico, en el estado
de Nayarit. Sus principales afluentes son el Río Verde, el río
Juchipila, el río Bolaños y el río Huaynamota.
4. METODOLOGÍA
Para la implementación del SIH se construyó la base de datos
geográfica de agua superficial de la cuenca y posteriormente se
desarrolló el módulo con las opciones de consulta de la
información almacenada en la base de datos. A continuación se describe la metodología empleada.
Implementación del modelo de datos ArcHydro de aguas
superficiales
ArcHydro es un modelo de datos geográfico, desarrollado por el
Centro de Investigación y Recursos Hídricos (CRWR) de la
Universidad de Texas, que propone una estructura para
almacenar en una base de datos geográfica, implementada con
el software ArcGIS, la información asociada con los recursos
hídricos de un área determinada. En particular, un modelo de
datos geográfico es una representación del mundo real que
puede ser usada en un sistema de información geográfico (SIG) para almacenar, consultar y analizar información espacial [5].
El modelo ArcHydro proporciona dos tipos de estructuras de
datos para almacenar y representar un sistema de recursos
hídricos: la versión compacta (Framework) y la versión
completa. La versión compacta organiza la información en una
sola componente denominada ArcHydro, mientras que la
versión completa del modelo ArcHydro organiza los datos del
recurso hídrico en cinco componentes dentro de la base de datos de geográfica (Figura 2).
Las capas consideradas en la versión compacta son la red
hidrográfica (capa HydroEdge), las estaciones de monitoreo
donde se miden variables relacionadas con la cantidad y calidad
del agua (capa Monitoring point), cuerpos de agua (capa
waterbody), delimitación de cuencas (capa watershed) y una
capa de puntos de interés sobre la red hidrográfica para propósitos de la modelación (capa HydroJunction).
(a)
(b)
Figura 2. Elementos del modelo ArcHydro en su versión
Framework (a) y completa (b) [5].
Los cinco componentes de la versión completa del modelo
ArcHydro son: Network, Drainage, Hydrography, Channel y
TimeSeries. Cada componente es un conjunto de capas. El
componente Network almacena las capas relacionadas con las
cuales la red hidrográfica se modela como una red geométrica.
El componente Drainage permite almacenar áreas de drenaje
definidas por criterios topográficos o administrativos, y líneas
de corriente obtenidas a partir de modelos digitales de
elevación. El componente Channel proporciona capas para
modelar canales. El componente Hydrography incluye las capas
definidas en la versión Framework y capas adicionales para
representar (como puntos, líneas o polígonos) otros rasgos de la
superficie terrestre de interés para la modelación como presas, puntos de descarga, puntos de retiro, etcétera.
Recopilación y procesamiento de información. La
información espacial y de series de tiempo que se consideró
para implementar el modelo se muestra en la tabla 1. El sistema
coordenado que se utilizó para almacenar la información
geográfica fue la proyección cónica conforme de Lambert con
los parámetros propuestos por el Instituto Nacional de
Estadística y Geografía (INEGI) para el país y el datum
ITRF92. El software utilizado para implementar la base de datos fue ArcGIS, en nivel ArcInfo, versión 9.3.
Tabla 1. Capas consideradas y fuentes de datos usadas en la implementación del modelo ArcHydro de aguas superficiales.
Nombre de la
capa en el
modelo
ArcHydro
Temas que
contiene
Fuente
HydroEdge Líneas de corriente INEGI - escala 1:50,000 [3]
HydroJunction Puntos de interés
dentro del sistema
hidrológico
Definidos con la
Comisión
Nacional del
Agua (CONAGUA)
Tabla 1. Capas consideradas y fuentes de datos usadas en la
implementación del modelo ArcHydro de aguas superficiales (Cont.)
Nombre de la
capa en el
modelo
ArcHydro
Temas que
contiene
Fuente
MonitoringPoint Estaciones
hidrométricas y climatológicas
CONAGUA
WaterBody Cuerpos de agua
correspondientes a
presas, lagos y lagunas
INEGI - escala 1:50,000 [3]
Watershed Límites de cuencas
hidrológicas
Obtenidos con
MDE de INEGI,
con resolución de 50 m.
Dam Ubicación de
presas y
características generales
CONAGUA
WaterWithdrawal Puntos de
extracción de agua
(Aprovechamientos
superficiales)
CONAGUA
TimeSeries
(Series de tiempo)
Datos diarios o
mensuales de gasto
medio diario,
precipitación,
evaporación,
temperatura max.,
min. y ambiente, y
datos de
almacenamientos.
(CLICOM,2002),
(BANDAS,2007) y CONAGUA
Basin Límite general de la cuenca
Obtenido con
MDE de INEGI,
con resolución de 50 m. [1]
El primer paso para implementar el modelo fue elaborar los
mosaicos de información vectorial de hidrografía y cuerpos de
agua y del Modelo Digital de Elevación (MDE) para cada una
de las cuencas del estudio, considerando un buffer de 10 km
alrededor de ellas para tener una mejor definición de las cuencas
(Figura 3). La cuenca del Río Santiago queda comprendida en 124 cartas de datos vectoriales en escala 1:50,000.
(a)
(b)
Figura 3. Mosaico vectorial (a) y de tipo raster (b) de la región
hidrológica del Río Santiago.
El segundo paso consistió en editar la red hidrográfica de cada
cuenca para que ésta cumplieran con las características que se
requieren para formar la red geométrica: totalmente conectada,
sin ciclos y con dirección de flujo asignada. La edición de los
ríos se realizó apoyándose en las siguientes fuentes de
información: MDE, cartas topográficas digitales, Google Earth
e imágenes de satélite tomadas del acervo existente en el
Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), ver figura
4.
1. Carta topográfica 2. Raster de líneas de drenaje
3. Ortofoto/ Imagen de satélite
Figura 4. Proceso de edición de la red hidrográfica.
El siguiente paso consistió en definir los parteaguas de las 33
cuencas que conforman la cuenca del Rio Santiago utilizando la
red hidrográfica y la información de tipo raster. La obtención
del parteaguas se realizó en varios pasos, que incluyeron la
obtención de los rasters de dirección y acumulación de flujo, y
un raster de área de aportación para cada corriente (catchments),
entre otros. La figura 5 muestra los parteaguas de las cuencas
que conforman toda la cuenca del río Santiago al finalizar el
proceso de delimitación.
Figura 5. Delimitación de las cuencas de la región del Río
Santiago utilizando ArcHydro.
Debido a que el volumen de datos que representa el MDE de
cada cuenca es muy grande y se dificulta el procesamiento si se
desea hacerlo para toda la región, el proceso de definición de
cuencas se procesó de forma individual. Al finalizar el proceso
de delimitación de todas las cuencas de la región, se unieron los
resultados de todas ellas para tener la región hidrológica
completa a través del proceso llamado Regionalización [4].
El cuarto paso consistió en integrar los datos descriptivos de las
estaciones hidrométricas y climatológicas en una sola tabla,
dejando una columna para indicar el tipo de estación (campo
FType). Esta tabla pasa a formar la feature class Monitoring
Point dentro de la base de datos geográfica. Los datos
descriptivos, como el nombre y coordenadas, entre otros, fueron tomados de catálogos disponibles en la CONAGUA.
El penúltimo paso consistió en adecuar las series de tiempo de
hidrometría, climatología y datos de almacenamientos en el
formato de cuatro columnas que maneja el modelo ArcHydro,
donde se almacena la clave de la estación donde se mide el
valor, la clave de la variable, la fecha y el valor medido. Se
consideró conveniente agregar una dimensión (columna) más, para indicar el origen de los datos.
Como último paso se creó la base de datos geográfica, la cual se
implementó del tipo FileGeodatabase con la aplicación
ArcCatalog de ArcGIS y consistió de los siguientes pasos:
primero se creó una FileGeodatabase vacía y posteriormente se
aplicó el esquema del modelo de datos ArcHydro. Finalmente,
se cargó toda la información espacial y de series de tiempo que
fue generada e integrada en los pasos descritos anteriormente.
También se integró en la base de datos información de contexto
relacionada con localidades rurales y urbanas, división política
estatal y municipal, edafología y uso de suelo.
Implementación del sistema de información hidrológica
(SIH)
Dentro de la plataforma ArcGIS se implementó un menú con
opciones de consulta para acceder a la información almacenada
en la base de datos geográfica. El menú se desarrolló a través de
una serie de procedimientos informáticos mediante Microsoft
Visual Basic for Applications (VBA), que es el lenguaje nativo
de la plataforma ArcGIS, para que a través del menú de consulta
se visualice la información descriptiva y numérica asociada a cada capa geográfica por medio de ventanas de diálogo.
Las opciones para la consulta que contiene el menú son
“Selección por cuenca” que muestra la información descriptiva
de cada capa geográfica por cuenca, y la opción “Consultas”
que muestra los datos históricos asociados con estaciones de
medición y presas, así como información puntual de aprovechamientos superficiales.
Las opciones de consulta de la información descriptiva permiten
la generación de un reporte en formato PDF de Adobe Reader.
La consulta de información relacionada con las series de tiempo
incluye las siguientes opciones: consultar los datos de una
estación de monitoreo especificando la variable y un periodo de
tiempo, exportar los datos a un archivo de Microsoft Excel y visualizar de forma gráfica los datos.
5. RESULTADOS
Base de datos con la estructura ArcHydro
La figura 6 muestra la estructura de la base de datos geográfica
que se implementó para la cuenca del Río Santiago, tal como se
visualiza con la aplicación ArcCatalog del software ArcGIS. La
figura muestra todos los componentes del modelo de datos de
ArcHydro en su versión completa. La base de datos contiene
siete features datasets, tres están definidos por el modelo
ArcHydro (Drainage, Hydrography y Network); cuatro más se
agregaron para almacenar información de contexto. Dentro de la
información de contexto que se almacenó en la base de datos se
encuentran mapas de uso del suelo, edafología, localidades urbanas y rurales y división política, entre otros datos.
Además de los feature datasets, la base de datos contiene tablas
y relaciones propias del modelo ArcHydro, y otras que fueron consideradas necesarias para dar mayor claridad a los datos.
Figura 6. Estructura de la base de datos geográfica
implementada para la cuenca hidrológica Río Santiago.
Sistema de información hidrológica (SIH)
La figura 7 muestra la ventana principal del sistema de
información hidrológica ejecutándose en el módulo ArcMap
como un proyecto de ArcGIS. En la ventana principal del
sistema se observa el menú de consultas implementada para la información descriptiva y de las series de tiempo.
El menú de consultas del sistema de información geográfica
para la cuenca del Río Santiago dentro de la plataforma ArcGIS
se desarrolló mediante programación en Visual Basic for
Applications (VBA). Las opciones del menú permiten consultar
la información descriptiva y numérica asociada con capas
geográficas específicamente de la cuenca del Río Santiago. Las
consultas se realizan seleccionando una capa geográfica o
seleccionando una cuenca hidrológica.
Figura 7. Ventana principal del sistema de información
hidrológica para la región hidrológica No. 12 Río Santiago.
Opción “Selección por cuenca”. La opción “Selección por
cuenca” muestra la información descriptiva para cada una de las
cuencas hidrológicas que forman parte de toda la cuenca del Río
Santiago. Para consultar la información se selecciona la opción
Selección por cuenca y se da un clic con el mouse sobre una cuenca de la capa geográfica de cuencas hidrológicas.
Esta opción realiza una selección de la información descriptiva
de las capas geográficas de Estaciones hidrométricas y
climatológicas, Presas de almacenamiento, Cuerpos de agua,
Registro Público de Derechos de Agua (REPDA), Edafología,
Uso de Suelo, Localidades urbanas y rurales. La información
descriptiva que se muestra en las pestañas incluidas dentro de la
ventana de dialogo corresponde únicamente a la información
que se localiza dentro de la cuenca hidrológica seleccionada.
La figura 8 muestra la ventana de diálogo con el resultado de la
consulta de datos descriptivos de estaciones de monitoreo
ubicadas en la cuenca Presa el Cuarenta. Los temas incluidos en
la ventana de diálogo corresponden a “Estaciones Hidrométricas
y climatológicas”, “Presas”, “Cuerpos de agua”, “registros
REPDA”, “Edafología”, “Uso de suelo” y “Localidades
Urbanas y Rurales”. Cada pestaña muestra información
descriptiva de cada tema para la cuenca seleccionada. Una vez
que se han extraído, los datos se pueden exportar a un archivo
en formato PDF, ver figura 9.
Figura 8. Consulta de la información descriptiva utilizando la
opción Selección por cuenca. Estaciones climatológicas.
El reporte en formato PDF muestra el nombre de la cuenca, su
área en km2 y una lista de las estaciones climatológicas, la
cuenca y municipio donde se localizan y sus coordenadas
geográficas.
Figura 9. Resultados de la consulta de estaciones de medición
en formato “PDF”.
Opción “Consultas”. Esta opción permite consultar los
datos históricos asociados con las capas geográficas de
estaciones hidrométricas y climatológicas, presas de
almacenamiento así como información puntual del Registro
Público de Derechos de Agua (REPDA) e información de disponibilidad de agua superficial por cuenca.
Para consultar los datos históricos se requiere seleccionar la
capa geográfica y dando clic con el botón derecho del mouse se
despliega una ventana de diálogo donde se muestran
gráficamente los datos. En la ventana de diálogo se puede
definir el intervalo de tiempo de los datos (diario o mensual), el
periodo de información y la clave de la estación seleccionada.
También se incluyó una opción para exportar la gráfica a un archivo de Microsoft Excel.
Los datos que se grafican son los gastos medios diarios y
mensuales de las estaciones hidrométricas. Las temperaturas
máximas, mínimas y observadas, precipitaciones y
evaporaciones de las estaciones climatológicas. De la capa de
presas de almacenamiento se pueden graficar las curvas de
elevación área capacidad y los datos de almacenamientos,
ingresos, evaporaciones, precipitaciones, extracciones, derrames y filtraciones.
La información numérica es la que se encuentra almacenada en
la tabla de series de tiempo (TimeSeries) y corresponde con los
datos diarios de “Evaporación”, “Precipitación”, “Temperaturas
máxima, mínima y observada” en el caso de estaciones
climatológicas y del “gasto medio diario” en el caso de estaciones hidrométricas.
La figura 10 presenta el resultado de la consulta de los datos de
precipitación para la estación climatológica “Guadalupe
Trancoso”. Se pueden consultar los datos de las variables
mostradas en la parte inferior de la ventana y se puede definir
un periodo sobre el que se desea consultar los datos. La misma
ventana se utiliza para presentar gráficamente la información de estaciones climatológicas e hidrométricas.
Figura 10. Despliegue gráfico de los datos de precipitación
reportados en estaciones climatológicas.
La información numérica de presas corresponde con sus
“volúmenes de Evaporación y Precipitación,
“Almacenamientos, Volúmenes de ingreso, Extracciones y
Derrames” registrados en un intervalo mensual. Además de
información histórica, las presas de almacenamiento contienen
información asociada con su curva de elevaciones-áreas-capacidades, si cuentan con ella.
La figura 11 muestra la gráfica de la variable de evaporación en
la Presa “Julián Adame Alatorre”. La información numérica
mostrada en las gráficas puede ser exportada a un formato de Microsoft Excel si el usuario así lo desea.
Figura 11. Despliegue gráfico de los datos de evaporación
reportados en presas de almacenamiento.
6. CONCLUSIONES
El SIH presentado en este trabajo permitió organizar los datos
asociados al recurso hídrico en una estructura estándar,
integrando datos espaciales y series de tiempo en un sólo
depósito de datos (base de datos geográfica), con lo cual se
redujeron los problemas asociados a la información. También
permite realizar consultas de la información geográfica y extraer
los datos registrados en las estaciones hidrométricas,
climatológicas y presas, así como conocer los periodos de registro de esta información.
El sistema de información constituye una herramienta útil que
proporciona información espacial y numérica para apoyar
estudios dirigidos a la gestión y planeación del recurso hídrico
en esta importante región del país.
7. REFERENCIAS
[1] Departamento de Geografía, INEGI. Modelos digitales de
elevación (MDE) escala 1:50,000. México.
[2] Hidalgo Toledo Jorge Arturo, Francisco Salinas Estrada,
Alberto Balancán Soberanís, Jaime Velázquez Álvarez,
Enrique Sánchez Camacho, Alberto Güitrón de los Reyes,
Armando Trelles Jasso, Ana Wagner Gómez y Ma. del
Carmen Barragán Barrios. Módulo IV, La planificación
hídrica. Diplomado en gestión integrada del agua. Instituto
Mexicano de Tecnología del Agua. México, 2004.
[3] Instituto Nacional de Estadística y Geografía, INEGI,
Conjunto de datos vectoriales y cartas topográficas imagen
digital, escala 1:50,000. México.
[4] Patiño, C., McKinney D., & Maidment D. (2007). Sharing
Water Resources Data in the Bi-National Rio Grande/Bravo
basin. Journal of Water Resources Planning and
Management. American Society of Civil Engineers. Volume
133/ Number 5. September/October 2007, pp 416 - 426.
[5] Maidment, David R. ArcHydro GIS for water resources.
ESRI Press. Redlands, California, USA, 2002.
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