Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Civil

INFORME DE HIDROLOGÍA CI5101 – Hidrología

Tarea 3 Delimitación de una Cuenca y Análisis de Precipitaciones

Integrantes: Nicolás Aceituno

Profesor: James McPhee

Auxiliares: Sebastián Fernández

Ayudante: Juan Carlos Richard

Fecha entrega: 28/05/2014

INTRODUCCIÓN

Cuantificar la precipitación no es una tarea simple, dado que su distribución no

siempre es uniforme al ser demasiado extensa la superficie donde ocurre. La mayoría de

los procesos hidrológicos derivan de las precipitaciones, por lo que la medición de éstas es

en extremo importante para poder cuantificar otros procesos hidrológicos.

Para poder medir la precipitación se utilizan diversos instrumentos hidrológicos, los

que utilizan tecnologías desde básicas hasta avanzadas. En particular, una forma de

estimar la precipitación en un área es midiendo el caudal que escurre en dicha cuenca a

través de un curso particular de agua. En este informe, se estudiarán las precipitaciones a

través de una delimitación de cuenca y medición de caudal del Río Cautín, río particular de

la provincia de Cautín, con una longitud de 174 km y área de cuenca aportante de 3100

𝑘𝑚2 en la totalidad del río uniéndose al imperial.

Para la realización de este informe y actividad práctica se solicita realizar un análisis

de precipitaciones en una zona de la cuenca de Curacautín, donde se utilizará el software

Global Mapper, que permite integrar información geográfica especializada con

información hidrológica, además de permitir realizar cálculos de información

geomorfológica de un lugar. Además, se delimitará dicha cuenca a través de herramientas

computacionales idóneas, calculando características geomorfológicas y propiedades

hidrográficas de la zona.

METODOLOGÍA Y CÁLCULOS

Con el objetivo de analizar las características geomorfológicas delimitando una

cuenca y realizar un análisis de precipitaciones se realizan el siguiente desarrollo teórico y

práctico solicitado:

P1 Delimitación de la Cuenca:

Se solicita determinar las características geomorfológicas de dicha cuenca, tales como:

Área total, cota máxima y mínima, longitud del cauce principal y curva hipsométrica en la

cuenca mostrada en la figura 1, además se solicita entregar un mapa con escala de

elevación de la cuenca, vale decir, de curvas de nivel.

Para realizar los cálculos anteriores se utiliza el programa Global Mapper. En primer

lugar se buscan los mapas coordenada correspondiente a la ciudad de Temuco, cercana al

Río Cautín para poder encontrar la zona de estudio, a continuación se detallan los pasos

para generar la cuenca aportante al punto donde se calculará el caudal:

1. Descargar los mapas correspondientes a las zonas de estudio desde la

página http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/index.jsp, a través de ésta

se obtienen los archivos DEM que permiten conocer las características

geomorfológicas.

2. Dado que se quiere conocer el caudal en un punto del Río Cautín, se

localiza geográficamente éste en Google Earth, obteniendo que se

encuentra en la coordenada Geográfica:

𝐿𝑎𝑡 = −38.749293°

𝐿𝑜𝑛𝑔 = −72.587426°

3. A través de la Herramienta Digitizer de Global Mapper se señala la opción

de ingresar un punto a través de sus coordenadas, se ingresan las

coordenadas geográficas en el puente ferroviario y se halla el punto en el

mapa.

4. En torno al punto anterior se señala, desde la pestaña Analysis la opción

“Create Watershed”, para crear la cuenca, se otorgan valores a la

resolución de las celdas que conforman la cuenca y así como también se

otorgan una serie de parámetros característicos al proceso de generación

de la cuenca. Se obtiene la cuenca mostrada en la figura 1.

Figura 1. Cuenca Aportante a Río Cautín en Cruce Ferroviario, Global Mapper.

5. A través de la delimitación de cuenca y la opción en la pestaña Analysis

Generate Contours, se crean las curvas de nivel, siendo resumidas en la

figura 2 como el mapa de curvas de nivel solicitado en el enunciado (mapa

de escala de elevación del cuenca).

Figura 2. Mapa de Escala de Elevación de la Cuenca, Global Mapper

6. Las propiedades geomorfológicas siguientes se calculan como se explica:

a) Área Total: Se selecciona el contorno de la cuenca, se hace click

derecho y a través de la opción Anylisis/Measurement, se

selecciona Measure y se obtiene el área total de la cuenca:

𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2931 𝑘𝑚2

b) Cota Máxima y Mínima: Realizando un análisis Visual de las curvas

de nivel de la figura 2 es posible obtener las cotas máximas y

mínimas, sabiendo además que de la definición de cuenca el

punto donde se calcula el caudal es la cota mínima de éste.

𝐶𝑜𝑡𝑎𝑀𝑎𝑥 ≈ 2900 𝑚. 𝑠.𝑛.𝑚

𝐶𝑜𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛 = 85 𝑚. 𝑠.𝑛.𝑚

c) Longitud del Cauce Principal: Para calcular la longitud del cauce

principal en primer lugar se define el cauce principal en la figura 1,

lo anterior se muestra en la figura 3, la suma de los tramos que

componen el cauce principal dan el largo total.

Para esbozar el cauce principal se utilizó el registro de Isoyetas

que otorga la DGA, donde además vienen todos los cauces del río

cautín y se conoce el principal y en programa Global Mapper se

creó una línea que la siguiera y entregara la longitud.

Figura 3. Longitud de Cauce principal en marcador azul punteado, Global Mapper.

𝐿𝑜𝑛𝑔𝑐𝑎𝑢𝑐𝑒 𝑝𝑝𝑎𝑙 = 130.53 𝑘𝑚

d) Curva Hipsométrica: Para crear la curva hipsométrica lo que se

hace en primer lugar es calcular el área entre las distintas curvas

mediante el empleo de la función Measurement y el cálculo del

área, luego de eso se asocia cada área al promedio de cotas, así

entonces se obtiene el área que tiene cierta altura promedio,

posteriormente se suman las áreas para obtener un área

acumulada, que es transformada a porcentaje y se relativizan las

alturas a la menor, correspondiente a 100 m. El proceso anterior

se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Resumen de datos para cálculo de Curva Hipsométrica

Altura [m] Área [km^2] Área acumulada [km^2] Altura relativa Área relativa [%] Altura relativa [%]

100 270 3636.05 3636.05 0 1 0

200 412 3366.05 3366.05 100 0.925743595 0.0625

300 440 2954.05 2954.05 200 0.812433822 0.125

400 392 2514.05 2514.05 300 0.691423385 0.1875

500 330 2122.05 2122.05 400 0.583614087 0.25

600 585 1792.05 1792.05 500 0.492856259 0.3125

700 35 1207.05 1207.05 600 0.331967382 0.375

800 71 1172.05 1172.05 700 0.322341552 0.4375

900 62 1101.05 1101.05 800 0.302814868 0.5

1000 52 1039.05 1039.05 900 0.285763397 0.5625

1100 426 987.05 987.05 1000 0.271462164 0.625

1200 208 561.05 561.05 1100 0.154302059 0.6875

1300 115 353.05 353.05 1200 0.097097125 0.75

1400 105 238.05 238.05 1300 0.065469397 0.8125

1500 72 133.05 133.05 1400 0.036591906 0.875

1600 66 61.05 61.05 1500 0.016790198 0.9375

Total 3641 0 1600 0 1

Con los datos de la tabla 1 se construye la Curva Hipsométrica, mostrada en la figura 4

y hecha graficando las columnas 6 y 7 de la tabla 1.

Figura 4.Curva Hipsométrica cuenca en estudio de figura 1

P2 Análisis de Precipitaciones:

Con el objetivo de obtener las magnitudes del precipitación media anual sobre la

cuenca de la figura 1 y poner en práctica los conocimientos dados a conocer en las clases

de cátedra se plantean los siguientes procedimientos a realizar:

1. Análisis de consistencia mediante curvas doble acumuladas.

2. Extensión y relleno de pluviometría mensual, en caso de ser requerida.

3. Determinación de precipitación media anual sobre la cuenca utilizando los

siguientes métodos:

a. Aritmético

b. Polígonos de Thiessen

c. Isoyetas

Comentar además si existe un comportamiento orográfico de las lluvias para la cuenca

seleccionadas.

Para realizar los procedimientos anteriores se debe tener en cuenta que el orden a

realizar es inverso, vale decir se realiza la actividad 2 y luego la 1.

En primer lugar se transforman las coordenadas UTM de las estaciones pluviométricas

a coordenadas geográficas, de esta manera pueden ser situados estos puntos en el archivo

de Global Mapper adjuntado en la entrega. Lo anterior se resumen en la tabla 2.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Alt

ura

Re

lati

va [

%]

Área relativa [%]

Curva Hipsométrica Tabla 1

Tabla 1. Resumen Coordenadas estaciones pluviométricas

Código BNA Nombre Estación Long.

[°]

Latitud [°]

H [msnm]

09130001-K CHERQUENCO --38.684538 --71.999841 500

09122001-6 CURACAUTIN --38.448148 -71.896268 500

08350002-6 LAGUNA MALLECO --38.217581 --71.814041 890

09124001-7 LAUTARO -38.51844 --72.43754 210

09120003-1 MALALCAHUELLO --38.470926 --71.575424 950

09120002-3 MANZANAR

--38.463702 Eliminado ausencia excesiva de datos

--71.699321 Eliminado ausencia excesiva de datos

790

09129005-7 PUEBLO NUEVO (TEMUCO) -38.73499 -72.52948 100

09123002-K RARI-RUCA --38.425647 --72.010397 455

09122003-2 TOLHUACA

Eliminado ausencia excesiva de datos

Eliminado ausencia excesiva de datos

1350

09131002-3 VILCUN --38.667875 --72.010397 290

Insertando los puntos en el mapa raster adjuntado se pueden establecer las posiciones

geográficas de los pluviómetros para posteriormente utilizar las herramientas que

permitan generar los polígonos de thiesen y realizar los otros métodos de cálculo de

precipitaciones medias. La imagen que muestra la distribución espacial de las estaciones

en la cuenca se muestra en la figura 5.

Figura 5.Distribución espacial de estaciones relevantes en cuenca analizada,

Global Mapper

Es importante considerar que se descartaron dos estaciones, la de Manzanar y la de

Tolhuaca, lo anterior dado que en el archivo entregado existe una cantidad excesiva de

vacíos en los datos de precipitación mensual en muchos años, por lo que no es coherente

realizar un relleno o extensión de datos.

El relleno de los datos se realiza considerando la receta enseñada en clases,

consistente en:

---Relleno primero el año.

---Relleno el mes asumiendo el año, luego sumo los sumos los valores mensuales,

comparo con el anual fijo y distribuyo y compenso los errores de valores mensuales

rellenados.

El análisis de consistencia de datos se realiza ya teniendo el relleno de datos

mensuales terminado, el procedimiento se muestra en el archivo Excel “Precipitaciones

Nicolás Aceituno.xls”, a continuación se presentan los gráficos obtenidos de este análisis,

que genera una relación entre los datos de una estación con respecto a otra.

Figura 6. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Malalcahuello y

Cherquenco.

Figura 7. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna Malleco

y Curacautín

y = 0.573x + 978.0R² = 0.485

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1000 2000 3000 4000

Malalcahuello/Cherquenco

mall/cher

Lineal (mall/cher)

y = -0.023x + 1637.R² = 0.002

0

500

1000

1500

2000

2500

0 2000 4000 6000

Laguna Malleco/Curacautin

laguna malleco/curacautin

Lineal (laguna malleco/curacautin)

.

Figura 8. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna Malleco

y Malalcahuello

Figura 9. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna Malleco

y Rari-Ruca

y = 0.571x + 407.4R² = 0.400

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 2000 4000 6000

Laguna malleco/Malalcahuello

laguna malleco/malalcahuello

Lineal (laguna malleco/malalcahuello)

y = 0.005x + 113.1R² = 0.009

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 2000 4000 6000

Laguna Malleco/Rari-Ruca

laguna malleco/rari-ruca

Lineal (laguna malleco/rari-ruca)

Figura 10. Análisis de consistencia entre mediciones de estaciones Laguna

Malleco y Malalcahuello.

Es importante notar que este análisis se hace en torno a la Laguna Malleco con

respecto a las otras estaciones. Importante es notar que en estos casos el análisis se hizo

se manera anual, vale decir se grafican precipitaciones anuales como la suma de las

precipitaciones que hubo en todos los meses en un año hidrológico.

Finalmente, para realizar el procedimiento 3 se utiliza nuevamente global Mapper, que

permite generar los polígonos de Thiessen de manera simple, lo anterior se muestra en la

figura 11.

y = 0.587x + 482.8R² = 0.546

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 2000 4000 6000

Laguna Malleco/Malalcahuello

laguna malleco/malalcahuello

Lineal (laguna malleco/malalcahuello)

Figura 11 Polígonos de Thiessen, Global Mapper

Por razones de tiempo no fue posible calcular las

DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

A partir de todo el análisis y la realización de los procedimientos anteriores es posible

reconocer inicialmente, que debido al uso en extremo complejo del software Grass, donde

hubo un gasto enorme de tiempo tan solo intentando instalarlo y luego tratando de

realizar lo solicitado dado que el programa arrojaba errores de manera constante y no

permitía realizar los procedimientos de manera natural se optó, a recomendación del

auxiliar utilizar el software Global Mapper, con éste se obtuvieron datos que en

comparación con quienes utilizaron Grass GIS 6.4 son muy similares.

Es importante notar que para generar la curva hipsométrica se utilizó un promedio de

altitud entre curvas de nivel inherente a cada área, que mediante un tratamiento

matemático simple permite graficar la curva hipsométrica, importante dado que puede

discriminar escenarios donde se pueden producir inundaciones al existir una cierta

cantidad de área donde se produce anegamiento, etc.

Con respecto a la escala de altura, esta se dibujó de manera simple utilizando el

programa Global Mapper.

Finalmente, con respecto a la utilización de los métodos para cálculo de precipitación

anual media y relleno de datos es posible concluir:

1- El relleno de datos se realiza siempre y cuando sea coherente y exista información

mínima para realizarlo, lo cual no se cumplió en dos pluviómetro, donde la inexistencia de

datos en rangos amplios hace imposible un relleno basado en los conocimientos

planteados por el profesor en cátedra.

2-Los métodos de cálculo de precipitación media, uno en distinción de otro,

discriminan distintos escenarios, vale decir, el aritmético por un lado cuantifica la cercanía

entre zonas, mientras el de polígonos toma en cuenta una área preponderándote donde

influye la precipitación, más el método final más correcto resulta ser el de las Isoyetas.