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Departamento de Ingeniera Civil Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas

Universidad de Chile

Diplomado Hidrogeologa Modulo II Hidrologa Superficial Laboratorio N1 Profesores: Mesenia Atenas, Carlos Espinoza y Ricardo Gonzlez. Auxiliares: Miguel Lagos y Eduardo Rubio

Balance Hdrico de una Cuenca El objetivo de este laboratorio es realizar el balance hdrico de una cuenca en particular. Para esto se utilizar el software WMS (Water Modeling System) para delimitar y determinar algunos parmetros de la cuenca. Una vez obtenido el esquema de la cuenca, con la ubicacin de las estaciones fluviomtricas y pluviomtricas, se deber determinar la precipitacin media de la cuenca con el mtodo gradiente de precipitacin en conjunto con la curva hipsomtrica de la cuenca. Finalmente se efectuar el balance de masa con la estadstica fluviomtrica, la precipitacin media obtenida y datos de evaporacin, que dependern del uso del suelo de la cuenca. Al final de la sesin se deber entregar un pequeo informe con las figuras generadas y resultados obtenidos.

1 REA DE ESTUDIO La cuenca en estudio se encuentra en la zona del ro del Aconcagua, y est determinada (punto de salida) por la estacin fluviomtrica Aconcagua en Romeral. La zona de estudio se caracteriza por tener una alta actividad minera y agrcola. Las estaciones meteorolgicas que utilizaremos para determinar el balance de masa son Riecillos, Vilcuya y los Andes. A continuacin se muestra una figura con la zona de estudio y la ubicacin de las estaciones:

Figura 1

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Las coordenadas de las estaciones que entrega la DGA estn en coordenadas planimtricas (UTM) y georeferenciadas con el datum PSAD 56/Chile. La conversin a coordenadas UTM Datum WGS 1969 se resumen en laTabla 1:

Tabla 1: Coordenadas Estaciones

Estacin Tipo Cdigo

BNA

Este UTM WGS 1984

(m)

Norte UTM WGS 1984

(m)

Altura

(m.s.n.m)

Aconcagua en Chacabuquito Fluviomtrica 05410002-7 358744 6364509 950

Aconcagua en Romeral Fluviomtrica 05423003-6 310836 6364580 365

Riecillos Meteorolgica 05403006-1 373589 6354824 1290

Vilcuya Meteorolgica 05410006-k 362578 6362070 1100

Los Andes Meteorolgica 05410007-8 350046 6365585 820

2 UTILIZACIN DEL SOFTWARE WMS WMS es un paquete computacional desarrollado para simular cuencas. Sus herramientas pueden ser utilizadas para: (1) Visualizar y delimitar cuencas y subcuencas, (2) Computar parmetros hidrolgicos y geomtricos para cada subcuenca, (3) Correr y visualizar resultados de diferentes modelos hidrolgicos, incluidos el HEC-1, HMS, TR-20, Mtodo racional, F0601 y el National Flood Frequency Method, (4) Importar y exportar datos de sistemas de informacin geogrfica (SIG). En el presente laboratorio llevaremos a cabo los puntos 1 y 2 descritos.

2.1 Modelo Digital de Elevacin (DEM) Parte del proceso de la delimitacin de una cuenca es contar con la informacin topogrfica de la zona de estudio a analizar. Si bien las aplicaciones actuales que existen en lnea no permiten obtener topografa con la resolucin de un levantamiento taquimtrico, existen pginas especializadas con informacin topogrfica (a nivel de ingeniera bsica) con resoluciones suficientes para la delimitacin de un sistema. Dicha informacin se encuentra disponible en modelos digitales de elevacin o DEMs (Digital Elevation Model). Los DEMs son una estructura de datos que contiene un arreglo bidimensional de elevaciones cuya discretizacin en x e y es contante. En esta primera etapa usted aprender a utilizar DEMs que se encuentran disponibles en la web, con el objetivo de delimitar la cuenca de la zona de estudio y as realizar el balance hdrico. Para descargar cualquier DEMs visite la pgina: http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp/. Estos DEMs fueron obtenidos mediante el satlite ASTER, operado en conjunto por el gobierno de Japn y la Nasa, y cuentan con una resolucin espacial de 30x30 [mxm] en cada pixel. En esta pgina deben registrarse en primera instancia y buscar la regin de inters con el botn Search. Existen cuatro opciones de bsqueda, seleccin directa, mediante polgono dibujado por el usuario, mediante archivos Shapes y por ltimo por coordenadas. Esta informacin variar segn la ubicacin y la magnitud del proyecto en estudio. Una vez seleccionados los DEMs de inters, debe ingresar en la pgina el propsito de su estudio y podr descargar los archivos que necesite.

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La pgina del satlite ASTER entrega los DEMs en formato .tiff; formato que no es compatible con WMS, es por ello que con un software como Global Mapper http://www.globalmapper.com/, se deben transformar estos DEM's y exportarlos en formato .dem que son reconocidos por WMS. Los DEM's necesarios para la realizacin de este ejercicio ya se encuentran procesados por lo que no es necesario realizar los pasos anteriores.

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2.2 Importar el DEM Una vez que se tiene el DEM guardado en el computador deber abrir el programa WMS. Abra desde el botn file el DEM (extensin .hdr). Cuando aparezca la ventana de dilogo delimite el DEM Coverage con las coordenadas que engloben su proyecto, mientras ms pequea sea esta ms se ahorra en capacidad y tiempo computacional, en este caso ingrese las coordenadas: Northern Boundary: - 32 Southern Boundary: - 33.5 Western Boundary: - 71.5 Eastern Boundary: - 69.5 Aparecer una ventana que da la opcin de editar las coordenadas geogrficas en las que viene el DEM (Datum WGS 1984) a planimtricas hacer click en aceptar. El programa WMS (y cualquier otro programa que delimite cuencas) para efectuar los clculos necesita que las coordenadas sean planimtricas. En la ventana de conversin de coordenadas que aparece, seleccione el botn Edit Project coordinate system, y defina las coordenadas actuales (convert from) como geogrficas Datum WGS 84 y cmbielas (convert to) por UTM - Datum WGS 84 zona 19 hemisferio sur.

2.3 Delimitacin de la cuenca

1. En la barra de la izquierda, seleccionar el mdulo Drainage

2. En la barra superior, seleccionar DEM/Compute TOPAZ Flow Data ok

3. Cambiar las unidades y apretar ok. Cuando aparezca Normal program termination presionar close. (WMS Utiliza los datos del TOPAZ para delimitar cuencas).

4. Seleccionar Create Outlet Point y emplazar el nodo en la coordenada de la estacin fluviomtrica Aconcagua en Romeral que determina el punto de salida de la cuenca (ver Tabla 1). Se debe verificar que el

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punto de salida est ubicado sobre algn punto de la red hdrica trazada. Para esto es necesario hacer un buen zoom de la zona.

5. Seleccionar el Frame macro 6. Seleccionar DEM/DEM Stream Arcs. Marcar ambas opciones

en la ventana de dilogo e imponer un Thereshold value de 10 ok.

7. Seleccionar DEM/Define Basins 8. Seleccionar DEM/Basins Polygons 9. Seleccionar DEM/Compute Basin Data seleccionar Drain Data Display Options elegir los parmetros

que quiera calcular de la cuenca (el rea ser necesaria para clculos posteriores) ok

OJO: mientras ms parmetros elija, ms tiempo tomar el programa en calcularlos

Tabla 2: Simbologa parmetros cuenca

Simbologa

A rea Km

BS Basin Slopes m/m

AVEL Mean Basin Elevation m

MFD Maximum Flow Distance m

MFS Maximum Flow Slope m/m

MSL Maximum Stream Length m

MSS Maximum Stream Slope m/m

CTOST Distance from centroid to Stream m

CSD Centroid Stream Distance m

CSS Centroid Stream Slope m/m

SL Stream Segment Length m

SS Stream Segment Slope m/m

2.4 Crear una subcuenca En este punto se deber crear una subcuenca cuyo punto de salida corresponde a la estacin fluviomtrica Aconcagua en Chacabuquito. Para hacer esto existen dos alternativas: agregar nodos de salidas en la red hdrica

de la cuenca principal (Create Outlet Point ) o convertir nodos existentes en la red en nodos de salidas:

1. Seleccionar Select Feature Point / Node tool 2. Hacer doble click en el nodo que se desea convertir en el punto de salida de la subcuenca ok 3. Seleccionar DEM/Define Basins 4. Seleccionar DEM/Basins Polygons 5. Seleccionar DEM/Compute Basin Data seleccionar Drain Data Display Options elegir los parmetros

que quiera calcular de la cuenca ok

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2.5 Guardar el proyecto Una vez delimitada la cuenca y calculado los parmetros de sta, se debe guardar el proyecto como .wpr. Tambin deber guardar el proyecto como .shp (seleccionando Arcs, Polygon y Point en la ventana que aparecer luego de darle nombre al archivo). El shape generado a partir del proyecto tendr la informacin de las cuencas delimitadas. La informacin generada en este laboratorio se utilizar en los siguientes laboratorios por lo que se recomienda guardarla en un dispositivo de almacenamiento externo, o enviarla al mail. * Recomendacin: guardar el proyecto con save as y escoger un directorio cuyo pathname sea relativamente corto (crear una carpeta en C: ), sin espacios ni smbolos.

2.6 Curva hipsomtrica La curva hipsomtrica es una relacin entre el porcentaje de rea de la cuenca y la cota o altura. Con esta curva es posible conocer, por ejemplo, la elevacin media de la cuenca para efectos de transposiciones de precipitacin y caudal, etc. Para determinar dicha relacin se utilizar el software WMS. Y se necesitar que usted ya haya efectuado la delimitacin de su sistema. Proceda de la siguiente manera:

1. Oprima el icono Hydrologic Modeling Module en la esquina superior izquierda del programa.

2. Luego haga click sobre el icono: Select Basin tal como se le indica en la Figura 2. Notara que aparece un pequeo cuadrado caf en el centro de gravedad de la cuenca trazada. Haga doble click en ese cuadrado.

Figura 2

3. Notar que se desplegar un cuadro de control denominado Edit HEC-1 Parameters. Haga click en la opcin Snow Melt Data tal como lo indica la Figura 3.

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Figura 3

4. Esto desplegar el men HEC 1 Snow Melt Data, Seleccione la casilla: Compute snow melt runoff. Con esto se activarn las opciones del men: Degree-day. WMS reconoce automticamente un nivel inicial o Base elevation zone 1 y tambin define el intervalo de la curva hipsomtrica o Zone elevation interval como la altura mxima de la cuenca, tal como se muestra en la Figura 4.

Figura 4

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Usted debe dar el nivel inicial de donde quiere partir su curva hipsomtrica, idealmente puede corresponder a la altura del punto de salida de esta. Para definir el intervalo debe tener en cuenta que WMS permite solo 10 intervalos, por lo que el tamao mnimo del intervalo corresponde a la divisin entre la diferencia de la altura mxima y el nivel inicial entre 10, esto es:

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.. InicialAltMximaAltIntervalo

5. Una vez efectuado esto presione el botn Define MA data. Observar que el programa abre un nuevo

cuadro de control llamado Define MA data y en este se presentan los intervalos de acuerdo a SU discretizacin. Ahora presione el botn Compute Areas, tal como se muestra en la Figura 5.

6. Una vez hecho esto aparecer un cuadro de dilogo similar al clculo de la cuenca donde se le pide que ratifique las unidades del clculo. Revise que el rea se determine en km2 y que las distancias se midan en metros. Despus solo pulse OK.

7. Como habr notado WMS entrega el rea ENTRE intervalos, por lo que se debe copiar los resultados del

clculo a una planilla de clculo para determinar el rea acumulada. Esta planilla ya ha sido preparada, y se denomina Curva Hipsometrica.xls

Figura 5

Teniendo la Curva Hipsomtrica se determina la elevacin media de la cuenca, o mejor dicho, la altura correspondiente al 50% del rea de la cuenca. Recuerde que para efectuar el clculo del balance es necesario conocer la precipitacin en un punto caracterstico de la cuenca, este punto tambin podra ser su centro de gravedad.

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2.7 Determinacin de rea pluvial aportante (opcional) Como usted podr intuir, el balance hdrico sobre una cuenca, depender de las diferentes entradas y salidas del sistema que se est definiendo as como las variables de almacenamiento. En este sentido el definir los lmites del sistema hidrolgico, definirn las variables anteriormente escritas. Una forma de abordar este problema desde un enfoque ms apropiado es considerar la lnea de nieves que define la elevacin sobre la cual se tiene que caera precipitacin de forma slida (nieve) y bajo la cual se tienen eventos de precipitacin lquida (lluvia). Algunos antecedentes de la elevacin de la lnea de nieves corresponde a los estudios de Pea- Vidal y Escobar-Vidal, quienes a partir de un enfoque meteorolgico definieron la lnea de nieves promedio basados en una temperatura lmite de 1C a la cual se puede dar la presencia de nieve. Estas elevaciones se encuentran el estudio Manual de clculo de crecidas y caudales mnimos en cuencas sin informacin MOP (1995)

Tabla 3: Elevacin promedio de la lnea de nieves segn latitud

Segn la informacin anterior, se podra definir una cuenca que est acotada por la lnea de nieves, lo cual se puede hacer en un nuevo proyecto, cargando nuevamente el DEM realizando todos los pasos en 2.2 pero antes de delimitar la cuenca, puedo cortar el DEM a la elevacin de la lnea de nieves correspondiente a la latitud de la cuenca en estudio, en este caso aproximadamente en -32.5 de latitud es decir 2010 [msnm]. Para realizar esto debo situarme en la etiqueta DEM, y seleccionar la opcin TRIM->Elevation segn se muestra en la Figura 6.

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Figura 6: Corte del DEM segn elevacin de lnea de nieves

Al dar click en la opcin DEM->TRIM->Elevation segn lo expuesto anteriormente se debiera desplegar una Figura como la siguiente, donde usted deber ingresar la elevacin en cuestin.

De este modo su DEM debiera verse como en la Figura 7. Con este nuevo DEM usted est ahora en condiciones de realizar los pasos 2.3 a 2.6 para una nueva cuenca definida solamente por el rea pluvial aportante. Ha de sealarse que considerar la elevacin de la lnea de nieves como constante es un error conceptual ya que adems esta vara en el tiempo segn condiciones meteorolgicas y estacionales. Sin embargo como fines docentes y al tratarse de condiciones promedio, se tiene que es una buena estimacin.

2010

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Figura 7: Modelo Digital de Elevacin cortado segn elevacin de la lnea de nieves

2.8 Precipitacin media de la cuenca Para poder realizar un balance hdrico mensual de la cuenca se deben tener datos mensuales de precipitacin. Generalmente se utiliza un valor medio de precipitacin para toda la cuenca. Este valor medio debe ser determinado a partir de la estadstica de estaciones meteorolgicas disponibles. Para distribuir y trasladar datos puntuales de precipitacin a lo largo de la cuenca existen distintas metodologas: Polgonos de Thiessen, mapas de isoyetas e curvas isoporcentuales, gradiente de precipitacin, etc. Al observar la ubicacin de las estaciones meteorolgicas de la zona de estudio se comprueba que realizar una distribucin de precipitacin mediante polgonos de Thiessen no es una buena opcin, dada la mala distribucin espacial de las estaciones. En este laboratorio se utilizar la tcnica de gradiente de precipitacin para determinar, para cada mes, una expresin de precipitacin media mensual en funcin de la altura. As, para cualquier altura, se tendr un valor de precipitacin mensual. Para determinar estos gradientes se determina, para las tres estaciones, un valor promedio de precipitacin para cada mes, el resumen de estos clculos se puede ver en la planilla gradientePp_Aconcagua.xls. Este valor, asociado a la altura de cada estacin determina uno de los tres puntos del gradiente de precipitacin. Las expresiones para la precipitacin en funcin de la altura, para cada mes, se resumen en la Tabla 4. A partir de los gradientes mensuales de la Tabla 3 se debe determinar la precipitacin media de la cuenca, a partir de la altura correspondiente al 50% de rea de la cuenca (determinara en el punto 2.6 o 2.7 si trabaja con el rea pluvial).

Tabla 4: Gradiente mensual de precipitacin

Mes Ecuacin Precipitacin mensual (mm) en funcin de la altura z (m s.n.m.)

Enero Pp = 0.004x - 2.390

Febrero Pp = 0.006x - 4.751

Marzo Pp = 0.008x - 4.338

Abril Pp = 0.02x - 3.990

Mayo Pp = 0.085x - 36.57

Junio Pp = 0.118x - 31.60

Julio Pp = 0.078x + 6.605

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Mes Ecuacin Precipitacin mensual (mm) en funcin de la altura z (m s.n.m.)

Agosto Pp = 0.074x - 24.51

Septiembre Pp = 0.028x - 3.37

Octubre Pp = 0.026x - 14.24

Noviembre Pp = 0.015x - 6.439

Diciembre Pp = 0.005x - 4.245

Otra forma de determinar la precipitacin media para un ao cualquiera de los que se tienen en su archivo Laboratorio1.xls sera considerar una estacin base y distribuir segn bandas de elevacin construidas en la curva hipsomtrica utilizando la precipitacin registrada en esta estacin, sumndole el gradiente de precipitaciones correspondiente por la diferencia entre las alturas de la estacin y la elevacin a la que quiero conocer la precipitacin media. Esto se realizara segn la ecuacin (1):

)(_ estacinBaseEstacinZ ZZPpPP (1)

Donde ZP es la precipitacin media a la altura Z, BaseEstacinP _ es la precipitacin registrada en la estacin a la

elevacin estacinZ , y Pp es el gradiente de precipitacin. Por ejemplo si la estacin Vilcuya, ubicada a 1100

[msnm] registr en el mes de mayo una precipitacin de 50 [mm], estimando un gradiente promedio de mayo de 0.085 [mm/m] obtenido de la tabla 3, se puede estimar que a una elevacin de 2000 [msnm] se tuvieron para ese mismo periodo de tiempo una precipitacin de:

)11002000(2000 mayoVilcuya PpPP

5.126)900(085.0502000 P [mm]

2.9 Evaporacin Como evaporacin, generalmente se adopta un valor correspondiente a un porcentaje de la precipitacin media, ya que se cuenta con pocos datos medidos y mal distribuidos espacialmente, sin embargo, existen fuentes de informacin disponibles que permiten utilizar un valor de evaporacin para aos tipo (hmedo, medio, seco). La comisin Nacional de Riego (CNR) y el Centro de Informacin sobre Recursos Nacionales (CIREN) han determinado estos valores de evaporacin mediante la construccin de distritos agroclimticos. Estos distritos son zonas que agrupan caractersticas climticas similares (evaporacin, temperatura, etc.). Se utilizar la informacin del distrito correspondiente para efectuar el clculo del balance. Esta informacin se resume en la planilla Laboratorio 1.xls. Recuerde que deber suponer evaporacin o evapotranspiracin segn el uso de suelo que se tenga bajo supuestos realistas.

3 BALANCE HDRICO En este punto se solicita realizar un balance de masa en la cuenca Aconcagua en Romeral para un ao dado. Los datos disponibles son:

Caudal medio mensual en la estacin Aconcagua en Romeral (ver planilla Laboratorio 1.xls)

Isolneas de evapotranspiracin (ver Mapa)

Evaporacin ponderada segn distritos agroclimticos (ver planilla Laboratorio 1.xls)

Precipitacin mensual en funcin de la altura (ver Tabla 3)

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4 ANLISIS Discuta sobre las hiptesis o simplificaciones realizadas. Entregar un pequeo informe con figuras, resultados y comentarios al correo miguel.lagos.z@gmail.com con copia a eduardo.rubio.a@gmail.com