XIX CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA – CÓRDOBA 2000

HIDRO-SIG : UNA HERRAMIENTA PARA EL ANÁLISIS DE INFORMACIÓN HIDROLOGICA. UN CASO DE APLICACIÓN EN COLOMBIA

Oscar Mesa, Germán Poveda, Jaime I. Vélez, Janet Barco, Blanca Botero,

Adriana Cuartas, Carlos Hoyos, Ricardo Mantilla, John F Mejía, María Montoya.

Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín.

RESUMEN En el marco del proyecto Balances Hidrológicos de Colombia se desarrollo HIDRO-SIG, un sistema de información geográfico (SIG) para la estimación, despliegue, análisis y consulta interactiva de las variables más importantes del ciclo hidrológico en Colombia, tales como precipitación, evaporación potencial y real y escorrentía, tanto a nivel anual como mensual. Es un SIG flexible y versátil para el estudio hidrológico en cuencas con y sin medición, ya que permite estimar los caudales promedios de largo plazo en cualquier punto de la hidrografía Colombiana, usando la metodología de balances hidrológicos de largo plazo. Durante el proyecto se elaboraron mapas digitales de muchas variables climáticas tales como presión atmosférica superficial, temperatura, radiación solar de onda corta y de onda larga incidente y neta, zonas de vida, etc., necesarias para la estimación de las variables básicas del ciclo hidrológico. Esta completa base de datos manejada por HIDRO-SIG se convierte en una herramienta muy útil en tareas que van desde el estudio y planificación socio-económica y ambiental del país hasta la enseñanza a cualquier nivel académico de su hidroclimatología.

ABSTRACT In the scope of the project Water Balance of Colombia we developed HIDRO-SIG, a geographic information system (GIS) to display, estimate and analyze interactively the most important hydrological information of Colombia, such as annual and monthly precipitation, evaporation and runoff. We have developed a flexible and versatile GIS for studying gauged and ungauged basins because is possible to estimate the long term mean discharge on any point of the Colombian river network using the water balance methodology. During the project we also developed digital maps of many other climatic variables such as atmospheric pressure, temperature, outgoing longwave radiation, incident shortwave radiation, net radiation, life zones, etc., needed to the estimation of basic variables of the hydrologic cycle. This complete database joint to HIDRO-SIG’s tools becomes a very useful tool for planning and environmental management and also for hydroclimatologic educational purposes in all academic levels.

INTRODUCCIÓN La creciente necesidad de un conocimiento de la hidrología Colombiana en áreas como el planeamiento territorial, la evaluación del potencial de aprovechamiento hidráulico, la planeación agrícola, entre otros, ha motivado el estudio de la distribución espacial sobre Colombia del comportamiento de largo plazo de las variables hidrológicas de mayor importancia (precipitación, evaporación, escorrentía). Entre 1996 y 1999, la Unidad de Planeación Minero/Energética del Ministerio de Minas y Energía y Colciencias patrocinaron el estudio “Balances Hidrológicos de Colombia” [1999], cuyo principal objetivo era la estimación del caudal medio en cualquier punto de la red hidrográfica de Colombia. La metodología escogida para enfrentar este tema fue la de balances hidrológicos de largo plazo, para la cual es necesaria la construcción de mapas digitales de precipitación, evaporación y otras variables necesarias para los cálculos a escala nacional. Los grandes volúmenes de información que debían ser manejados hicieron evidente la necesidad del uso de un sistema de información geográfica (SIG) para la visualización, el análisis y la presentación final de los resultados generados. Se optó por el desarrollo de un programa propio en el lenguaje IDL, teniendo en cuenta las necesidades del proyecto, la facilidad de programación, la versatilidad requerida para manejar información de cuencas y series de tiempo y la necesidad de implementar técnicas de búsqueda basadas en la toponimia o búsquedas para la localización de zonas con un grupo de condiciones climáticas, topográficas y/o de suelos y vegetación particulares. Los sistemas comerciales fueron descartados por costos y por ser poco flexibles a las necesidades del proyecto.

FIGURA 1. Pantalla principal de HIDRO–SIG, la cual enlaza todos los módulos secundarios.

En el desarrollo del artículo se presentará un resumen sobre las principales características del sistema llamado HIDRO–SIG (FIGURA 1), la información que puede ser visualizada y las técnicas de análisis implementadas. También se mostrarán las posibilidades del módulo CUENCAS cuyo diseño esta enfocado al análisis de modelos digitales de terreno (MDT) , la extracción de las redes de drenaje a partir de estos y la estimación del balance hidrológico sobre cualquier cuenca del país. El objetivo principal del programa es convertirse en una herramienta de consulta versátil y fácil de manejar en todos los proyectos en los que se requieran conocer las características climáticas e hidrológicas de una región, su potencial hidrológico y/o sus características topográficas. Además se han incluido herramientas que permiten al usuario exportar los resultados del programa a una gran variedad de formatos gráficos y de formatos de datos para aumentar la conectividad con otros paquetes de uso tradicional.

HERRAMIENTAS DE VISUALIZACIÓN Se han implementado herramientas de edición del gráfico en 2D y el gráfico en 3D que proporcionan una amplia gama de posibilidades de visualización del mapa, a través de las cuales es posible hacer mejores interpretaciones de la información y de su rango de aplicabilidad. La opción de 2D permite que los campos que se despliegan simultáneamente con el mapa puedan ser vistos como gráficos de isolíneas con o sin relleno y en forma discreta. Esta gama de formas de visualización es útil por la gran cantidad de variables y de resoluciones que hay en la base de datos (FIGURA 2).

FIGURA 2. Diferencias entre algunos de los posibles tipos de visualización bidimensional. Gráfico de isolineas (izquierda), isolineas rellenas (central) y fondo discreto (derecha), en este ultimo se aprecia la dimensión real de la resolución de los datos. Acá se despliegan los datos de radiación neta tomados por el proyecto TOGA [6], la resolución de la grilla es 1º x 1º.

Las opciones de visualización 3D son de gran ayuda en el momento de ilustrar rasgos topográficos o variabilidad espacial de los datos. Este menú también posee varias opciones de visualización con el fin de dar posibilidades al usuario (FIGURA 3).

FIGURA 3. Vista tridimensional del modelo digital de elevaciones del departamento de Chocó, Colombia (Datos de GTOPO30 del USGS).

FIGURA 4. La selección de un rectángulo para determinar la zona que se desea ampliar es una de las herramientas más comunes entre los sistemas de presentación de información. Mapa de precipitación media anual proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7], resolución 5 minutos de arco.

Se han diseñado rutinas que permiten seleccionar un área de interés, por ejemplo la selección de una región rectangular (FIGURA 4.a) o de un departamento (FIGURA 4.b. Otra herramienta que permite analizar la información de la base de datos es la visualización de múltiples variables con la cual se pueden ver por ejemplo todos los mapas de una variable determinada (FIGURA 5) que han sido tomados de distintas fuentes y/o calculados con diferentes métodos.

FIGURA 5. Algunos de los mapas del campo de evaporación sobre el territorio Colombiano (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

Otra de las técnicas implementadas y que se presenta como una de las principales ventajas del programa es el vinculo a las bases de datos georreferenciadas de toponimia. En la FIGURA 6 se presenta un ejemplo en el cual se han ubicado sobre el mapa de topografía algunos municipios cercanos al río Atrato, el cual, a su vez fue localizado usando el modulo de toponimia de ríos y por ultimo se localizaron algunas estaciones climáticas de la zona.

FIGURA 6. Bases de datos de toponimia vinculadas a los mapas. En la Figura se observa la localización de municipios, ríos y estaciones meteorológicas del IDEAM.

El programa esta diseñado principalmente para trabajar con datos anuales y mensuales, por lo cual cuenta con un modulo que permite desplegar de manera simultanea los12 mapas asociados a los promedios mensuales de una variable determinada usando una tabla de colores común, lo que facilita la observación de rasgos de la climatología intraanunal.

FIGURA 7. Despliegue simultáneo de los 12 mapas de precipitación correspondientes a cada uno de los meses del año (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS DE DATOS En el programa se implementaron herramientas que permiten al usuario analizar la información contenida en la base de datos. Una de las herramientas implementadas es el modulo de visualización del ciclo anual que permite conocer, en cualquier punto del mapa, el valor mensual de la variable que se esta analizando. Esta herramienta es de gran utilidad para el control de calidad de la información mensual ya que generalmente el usuario tiene conocimientos sobre la variabilidad intra-anual de la variable en cuestión.

FIGURA 8. Interfaz para la visualización y control de calidad de la información mensual. Acá es posible determinar el ciclo anual de la precipitación en cualquier parte del mapa (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

Otra herramienta de gran utilidad es la rutina implementada para localizar regiones con condiciones climáticas particulares, ésta permite combinar los mapas en la base de datos para detectar regiones que cumplen con un conjunto de restricciones dado. En la

FIGURA 9.b se presenta un ejemplo en el que se combinan los mapas de topografía y precipitación de Colombia con las restricciones (1) altura mayor de 500 m y (2) precipitación media anual mayor que 4000 mm, las cuales podrían ser favorables desde el punto de vista agrícola para algún cultivo particular.

FIGURA 9. Resultados de la búsqueda de regiones con condiciones climáticas particulares. (a) Zonas cuya altura es mayor que 1000 m y (b) Zonas cuya altura es mayor que 500 m y con precipitación mayor que 4000 mm (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

Uno de los módulos más destacables del programa es el de manejo de registros de estaciones climáticas (FIGURA 10), el cual cuenta con un conjunto de herramientas que le permiten desplegar la información y realizar algunos análisis típicos de series de tiempo tales como el cálculo del espectro de Fourier [1], el cálculo del ciclo anual y del cambio en la distribución mensual. El módulo permite exportar a formato postscript los gráficos que resultan del análisis y también exporta los datos a formato ASCII para quien desee realizar cálculos adicionales sobre los datos.

FIGURA 10. Interfaz del módulo de análisis y manejo de información registrada en estaciones hidrometeorológicas (Se muestra la serie de precipitación en la estación Alto Viento, IDEAM).

Los datos están vinculados a la interfaz de los mapas, de tal manera que es posible comparar los valores dados por los mapas con los registrados por las estaciones. Los resultados gráficos del análisis de la serie de precipitación en la estación Alto Viento del

IDEAM mostrados en la FIGURA 11. En él se revelan rasgos claves de la hidroclimatología de la región en la que esta ubicada la estación, tales como la importancia del ciclo semi-anual y anual debidos a la migración de la ZCIT sobre el territorio Colombiano, y la influencia de ciclos de gran escala y baja frecuencia como el fenómeno ENSO.

FIGURA 11. Resultados típicos del análisis de series de tiempo usando el módulo mostrado en la Figura anterior. Se muestran la serie de tiempo, el ciclo anual, la distribución mensual y el espectro de Fourier (Análisis de la serie de precipitación en la estación Alto Viento, IDEAM).

Otra herramienta de consulta de la base de datos disponible en el software es la opción de consulta de información para un par de coordenadas geográficas dado. Esta herramienta permite analizar de manera simultanea las condiciones climáticas y geofísicas de un punto en el mapa.

FIGURA 12. Ilustración de la herramienta de cálculo de los modos anual y semi-anual para el campo de precipitación sobre Colombia (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

HERRAMIENTAS DE BALANCE HIDROLÓGICO Y ANÁLISIS GEOMORFOLÓGICO El módulo CUENCAS (FIGURA 13) está diseñado para el análisis de cuencas hidrográficas que obtiene a partir de modelos digitales de terreno, y para la extracción de información hidrológica a escala de cuenca, con el objeto de estimar los balances hidrológicos.

FIGURA 13. Interfaz principal de la versión final del módulo CUENCAS. Se observa la topografía digital de Colombia en una escala de 2 minutos de arco (Proyecto GTOPO 30, USGS).

El programa está basado en el análisis de la matriz de direcciones, la cual se crea usando la información contenida en el modelo digital de terreno usando el algoritmo de flujo en la dirección de drenaje. Con la información de la matriz de direcciones es posible determinar la cuenca hidrográfica de cualquier pixel del mapa, la estructura de su red de drenaje y los parámetros geomorfológicos básicos derivados de ésta, tales como la función de ancho [3] y los números de Horton [2] (FIGURA 16). En particular es posible determinar el área de drenaje de todos los pixeles de la red de drenaje y la longitud del canal principal que drena hasta dicho punto, los cuales se despliegan de manera interactiva durante la ejecución del programa. CUENCAS se constituye en la principal herramienta para la validación y uso del estudio, ya que el usuario podrá, con sólo identificar la salida de la cuenca que está estudiando, tener un estimado del caudal basado en los resultados del balance y además tendrá acceso a la información de caudal en estaciones limnigráficas o limnimétricas en la zona de estudio que le permitirán validar y evaluar la confianza de los resultados obtenidos.

EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL PROGRAMA Se hará todo el proceso de la extracción de la cuenca y el balance hidrológico para la cuenca del río Sogamoso, se aprovechará además la existencia de una estación limnigráfica en este punto (El Tablazo), la cual servirá como parámetro de comparación y como un indicador de la confianza y precisión que tiene el método del balance hidrológico para la estimación del caudal. El primer paso es determinar las coordenadas de la salida: Latitud: 7º 02’ Norte y Longitud: 73º 22’ Oeste y el determina la cuenca y la red de drenaje (FIGURA 14).

FIGURA 14. Cuenca y red de drenaje del río Sogamoso (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

Inmediatamente después se despliega la ventana con los resultados (FIGURA 15) con la siguiente información:

FIGURA 15. Interfaz de los resultados del Balance Hidrológico y de la estimación del ciclo anual de caudales para la cuenca del río Sogamoso en la estación El Tablazo, IDEAM (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

En primer lugar aparece la información de la cuenca (En este caso el área medida es 21052 km2). La segunda parte de la interfaz contiene las dos listas desplegables en las que se puede seleccionar el mapa de precipitación y el mapa de evaporación con los que se desea realizar el balance. El caudal se calcula mediante la ecuación de balance hidrológico de largo plazo y el ciclo anual de caudales se obtiene usando un modelo de tanques [#]. Los resultados obtenidos para esta cuenca son:

Precipitación usando el Mapa de Oster 1960 [4]: 1445 mm Evaporación Método Penman Aproximado [5]: 775 mm Precipitación indirecta por rocío [7]: 39 mm Caudal estimado: 474.195 m3/s

El valor observado en la estación es de 459.6 m3/s. En general se obtienen errores que oscilan entre el 1% y el 15%.

FIGURA 16. Resultados del análisis geomorfológico de la red de drenaje extraída de la cuenca del río Sogamoso en la estación El Tablazo, IDEAM. Se presentan la función de ancho [3] y el análisis de Horton-Strahler [2] (Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia [7]).

CONCLUSIONES Se ha desarrollado HIDRO-SIG, un Sistema de Información geográfico para la estimación, despliegue y análisis de las variables más importantes del ciclo hidrológico en Colombia. El SIG ha sido creado utilizando el lenguaje IDL. Es un SIG flexible y versátil para la estimación hidrológica en cuencas con y sin medición. Además de las variables de precipitación, evaporación y escorrentía, el proyecto ha elaborado mapas digitales de

muchas otras variables climáticas tales como presión atmosférica superficial, temperatura, radiación solar de onda corta y de onda larga, zonas de vida, etc., necesarias para la estimación de las variables básicas del ciclo hidrológico. Los resultados obtenidos serán de mucha utilidad en tareas de como: ��Estudios de prefactibilidad de proyectos de generación de energía eléctrica. En

particular para la estimación de energía firme y posibilidad de regulación de caudales. Proyectos y actividades relacionadas con asignación de mercedes de agua por parte de autoridades ambientales.

��Proyectos relacionados con riesgos naturales, crecientes, inundaciones y caudales extremos asociados a distintas probabilidades de ocurrencia y períodos de retorno, ya que la geometría, la topología y la morfología de las cuencas hidrográficas ofrecen posibilidades de estimar tal tipo de información

��Proyectos de desarrollo agrícola y ganadería. ��Proyectos en el sector de Salud publica. Relacionados con enfermedades de

transmisión por vectores y de origen hidrológico. ��Proyectos de diseño y construcción de obras publicas, operación y mantenimiento de

carreteras, taludes, puentes, etc. ��En general, se ganó mucho terreno en el entendimiento de la geografía y la

hidroclimatología de Colombia, lo cual tiene múltiples beneficios, que trascienden en mucho a las aplicaciones prácticas.

AGRADECIMIENTOS La Unidad de Planeación Minero-Energética (UPME), COLCIENCIAS y la Universidad Nacional de Colombia han aportado los recursos necesarios para el desarrollo de este trabajo. Se agradecen los aportes de Eduardo Machado, Interventor del proyecto y de Alvaro Jaramillo de Cenicafé. Igualmente se reconoce la información recibida de IDEAM, EPM, CENICAFE y diversas instituciones del exterior como NOAA, NASA y CIRES de la Universidad de Colorado. REFERENCIAS [1] Briggs, W. L., y V. H. Henson, 1995. DFT, An owner’s manual for the Discrete Fourier

Transform. SIAM, 434 pp. [2] Horton, R. E. Erosional development of streams and their drainage basins:

Hydrophysical approach to cuantitative geomorphology. Geol. Soc. Am. Bull. 56. 275-370. 1945

[3] Mesa, O. J. y Mifflin, E.R. On the relative rolle of hillsope and network geometry in hydrologic response. En: Scale problems in hidrology. Editado por Gupta, Iturbe, y Wood. 181-190. 1988.

[4] Oster, R. Las Precipitaciones en Colombia. Revista Colombia Geográfica, Instituto Geográfico Agustín Codazzi, Bogotá, Vol. VI, No. 2, 1979.

[5] Penman, H.L. Natural Evaporation from Open Water, Bare Soil and Grass. Proc. Roy. Soc. A, No 193, 120-146, 1948.

[6] Sellers, P.J. , B.W. Meeson, J. Closs, J. Collatz, F. Corprew, D. Dazlich, F.G. Hall, Yl Kerr, R. Koster, S. Los, K. Mitchell, D. Myers, J. McManus, K.-J. Sun, P. Try. An overview of the ISLSCP Initiative I Global Data Sets. On: ISLSCP Initiative I-Global Data Sets for Land-Atmosphete Models, 1987-1988. Volumes 1-5. Published on CD by NASA. Volume 1: USA_NASA_GDAAC_ISLSCP_001, OVERVIEW.DOC, 1995.

[7] Unidad de Planeación Minero Energética –UPME-, Colciencias y Posgrado de Recursos Hidráulicos. (1999) Proyecto Balances Hidrológicos de Colombia. Informe final.