ArcHydro para la elaboración de estudios hidrológicos

Como sabemos, un estudio hidrológico tiene como objetivo conocer los caudales máximos alcanzados en un punto de un río para uno o varios eventos de lluvia. Por ello, este tipo de estudios inician con el análisis morfométrico de una determinada cuenca, que incluye, entre otros:

  • La delimitación de la cuenca
  • La medición del área y la longitud
  • Altura máxima y mínima
  • Índice de compacidad
  • Factor de forma
  • Curva hipsométrica
  • Pendiente media
  • Caracterización de la red de drenaje
  • El perfil altimétrico del cauce principal

Hasta hace unos años, estas variables se estimaban manualmente utilizando los cuadrángulos topográficos, haciendo que fuera un proceso largo, tedioso y con poca precisión.

La plataforma ArcGIS nos provee herramientas para estimar estas variables de manera mucho más precisa. Una de estas herramientas es ArcHydro.

ArcHydro es un conjunto de herramientas desarrollado por el Centro de Investigaciones en recursos de agua de la Universidad de Texas que incluye un modelo de datos de carácter geoespacial y temporal para llevar a cabo simulaciones hidrológicas.

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Figura 1. Arc Hydro se encuentra dentro de las soluciones SIG para el sector de recursos naturales, a pesar de haber sido desarrollado por la universidad de Texas.

Veamos cómo podemos utilizar ArcHydro para estudios hidrológicos. Pongamos el ejemplo de la primera variable: delimitación de cuencas.

El insumo fundamental para la delimitación de cuencas son los modelos digitales de elevación (DEM). Las elevaciones definen, en gran medida, la dirección, forma y patrón de los drenajes en un área de estudio. De esta manera, se podrá modelar de la manera más realista posible el comportamiento de las cuencas.

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Figura 2. Ejemplo de un DEM de una cuenca determinada.

En el siguiente flujo de trabajo, desarrollado en la universidad de Texas, se encuentran los pasos necesarios para analizar los DEM’s en función de drenajes dendríticos:

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Figura 3.Flujo de trabajo para delimitar una cuenca utilizando las herramientas de Arc Hydro.
  •  Análisis de sumideros.

Los sumideros son áreas en donde el agua fluye, pero no existe como una superficie de flujo. ArcHydro permite ajustar aquellas celdas del DEM las cuales están rodeadas de grandes valores de elevación en donde el flujo de agua se detiene y no puede continuar su curso normal. De esta manera, se modifica el valor de elevación de la celda para eliminar problemas de sumideros.

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Figura 4.Llenado de sumideros en el corte longitudinal de un DEM.
  • Cálculos de flujos.

Dirección de flujo.

A continuación, trataremos de identificar las direcciones que puede llevar la corriente de agua gracias a la creación de mapas de direcciones de flujo. Esta opción nos ayudará a saber de dónde viene el agua y hacia dónde va a lo largo de la superficie del territorio.

ArcHydro crea un raster donde se analiza cada celda con sus vecinas con el fin de detectar la posible dirección de flujo en la pendiente descendiente más empinada.

Los niveles digitales que toma el raster de salida son valores enteros que oscilan entre 1 y 255, en donde el valor de 1 se le asigna a la celda que tenga la menor pendiente de dirección de flujo. El valor de 255 representa que la celda no tiene salida y es un sumidero.

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Figura 5.Obtención de la dirección del flujo a través de los valores de la celda del DEM.

Acumulación de flujo.

Sobre al mapa de dirección de flujo, crearemos un mapa que represente la acumulación del flujo hídrico. Por medio de esta herramienta se obtiene un raster que define los drenajes en el DEM sobre el cual se ha estado trabajando y estructurando.

La herramienta calcula sobre las celdas de dirección de flujo, un flujo acumulado que representa el flujo en cada celda de pendiente descendiente en el raster de salida.

Los niveles digitales que toma el raster resultado, muestra las ubicaciones donde se pueden definir e identificar drenajes y arroyos, los cuales corresponden a los valores más altos del raster de salida. Los niveles digitales iguales a cero indican que sobre esas ubicaciones existen las máximas alturas relativas y se utilizan para definir fronteras sobre la dispersión del recurso hídrico.

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  •  Definición de corrientes hídricas.

Esta herramienta actúa sobre el raster de acumulación de flujo, en función de un umbral. El resultado es un raster que presenta dos valores en los niveles digitales: 1, indicando la mayor acumulación de flujo y NoData indicando la no existencia de drenajes en esas ubicaciones.

El valor de umbral hace referencia a un valor alto de acumulación de flujo, indicando que sobre estas celdas se definirán las corrientes hídricas.

  • Delimitación de zonas de captación.

Por último, procederemos a delimitar las zonas de captación de dicha cuenca. Por medio de ArcHydro se genera un raster de salida en donde a cada pixel se le asigna un valor indicando a qué áreas de captación de corrientes hídricas pertenece.

Al final, convertiremos ese raster en vector para obtener los polígonos de cada zona de captación de la cuenca.

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Figura 7. Raster de salida con la delimitación de las zonas de captación
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Figura 8. Vector con los polígonos correspondientes a las zonas de captación

Descubre más en nuestro blog sobre ArcHydro para ArcGIS

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