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Contenido:
RESUMEN
En este trabajo de investigación se presenta la Caracterización morfométricas de la subzona hidrográfica del Rio Cusiana, ubicada entre los departamentos de Casanare y Boyacá, cuya área corresponde a 5100.94 Km2 , obtenida mediante la utilización de la herramienta Arcmap 10.3, para
establecer las características métricas, se realizó mediante la procesamiento de los datos espaciales de Alaska Satellite Facility (ASF) y la información cartográfica del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC) a escala 1:100.000.
Además, esta investigación presenta el caudal teórico aportando de la Subzona al punto de desembocadura en el Rio Meta, calculado en el programa HEC-HMS, este dato se obtuvo del procesamiento de datos históricos de precipitaciones de las estaciones de influencia dentro del área a estudio, adquiridos en el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM).
Palabras Claves: Morfométria, datos espaciales, caudal teórico, Hec-Hms, IGAC, IDEAM, precipitación.
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO
DEDICATORIA ............................................................................................................................. 4
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................................. 5
LISTA DE ILUSTRACIONES..................................................................................................... 10
LISTA DE TABLAS .................................................................................................................... 12
LISTA DE ANEXOS.................................................................................................................... 13
RESUMEN ................................................................................................................................... 14
ABSTRACT.................................................................................................................................. 14
CAPITULO I
1.1. PLATEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................. 15
1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA............................................................................... 16
1.3. JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................. 17
1.4. OBJETIVOS ...................................................................................................................... 18
1.4.1. Objetivo General ............................................................................................................ 18
1.4.2. Objetivos Específicos..................................................................................................... 18
1.5. ALCANCE DEL PROYECTO.......................................................................................... 19
CAPITULO II
2. MARCO CONCEPTUAL .................................................................................................... 20
2.1. CICLO HIDROLÓGICO................................................................................................... 20
2.2. DEFINICIÓN..................................................................................................................... 21
2.3. DEMARCACION.............................................................................................................. 21
2.4. CLASIFICACIÓN DE CUENCAS ................................................................................... 22
2.5. MARCO TEORICO........................................................................................................... 27
2.5.1. CARACTERÍSTICAS MORFOMÉTRICAS................................................................ 27
2.5.1.1. Área ............................................................................................................................ 27
2.5.1.2. Perímetro .................................................................................................................... 27
2.5.1.3. Forma de la cuenca ..................................................................................................... 27
ANÁLISIS MORFOMÉTRICO DE LA SUBZONA HIDROGRÁFICA DEL RIO CUSIANA
Y SU APORTE DE CAUDAL AL RIO META MEDIANTE EL USO DE HERRAMIENTAS SIG
Autores: Cesar Augusto Patiño Rincón - Diego Fernando Bolaños Buitrago
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2.5.1.4. Elevación media ......................................................................................................... 28
2.5.1.5. Pendiente media.......................................................................................................... 28
2.5.1.6. Índice de pendiente global.......................................................................................... 28
2.5.1.7. Desnivel especifico..................................................................................................... 29
2.5.1.8. Curva hipsométrica..................................................................................................... 29
2.5.1.9. Rectángulo equivalente............................................................................................... 30
2.6. DRENAJE DE LA CUENCA............................................................................................ 30
2.6.1. Densidad de Red de los Cauces...................................................................................... 30
2.6.2. Densidad de Drenaje ...................................................................................................... 30
2.7. PRECIPITACIÓN.............................................................................................................. 31
2.7.1. Tipos de precipitación .................................................................................................... 31
2.7.2. Por la forma en que cae .................................................................................................. 32
2.7.3. Tiempo de Concentración .............................................................................................. 32
2.7.4. Tiempo de retardo .......................................................................................................... 33
2.8. MÉTODO DE ABSTRACCIONES SOIL CONSERVESE SERVICE (SCS)................. 33
2.8.2. Parámetros del modelo ................................................................................................... 35
2.9. VARIABLES PROBABILÍSTICAS ................................................................................. 38
2.9.1.1. Media Aritmética........................................................................................................ 38
2.9.1.2. Desviación estándar.................................................................................................... 38
2.10. DISTRIBUCIÓN DE VALORES EXTREMOS (GUMBEL)....................................... 38
2.11. RELACIONES A LA LLUVIA EN 24 HORAS........................................................... 39
2.11.1. Precipitaciones máximas para diferentes tiempos de duración de lluvias.................. 39
2.12. CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA MEDIANTE EL MÉTODO DE
POLIGONOS DE THIESSEN...................................................................................................... 39
2.13. DEFINICIÓN DE CURVAS INTENSIDAD-DURACIÓN –FRECUENCIA (IDF).... 40
2.13.1. Determinación matemática de las curvas IDF............................................................ 41
2.14. HIETOGRAMA............................................................................................................. 42
2.15. HIDROGRAMA UNITARIO DEL UNITED STATES SOIL CONSERVATION
SERVICE (SCS)........................................................................................................................... 43
2.16. CAUDAL ECOLOGICO ............................................................................................... 46
2.17. PROGRAMA HEC-HMS .............................................................................................. 47
2.18. CAUDAL BASE............................................................................................................ 48
2.19. ESTADO DEL ARTE.................................................................................................... 48
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2.20. MARCO LEGAL........................................................................................................... 50
2.20.1. Ley 99 de 1993 ........................................................................................................... 51
2.20.2. Ley 1450 de 2011 ....................................................................................................... 52
2.20.3. Ley 1523 de 2012 ....................................................................................................... 52
2.20.4. Decreto 1640 de 2012................................................................................................. 52
2.21. MARCO CONTEXTUAL ............................................................................................. 54
CAPITULO III
3. MARCO METODOLÓGICO............................................................................................... 55
3.1. Metodología para el Procesamiento de Datos Espaciales en ARGIS 10.3 ........................ 56
3.1.1. Modelo Elevación Digital (DEM) a través de Alaska Satellite Facility(ASF) .............. 56
3.1.2. Unión de los Modelos Elevación Digital (DEM) con Arcmap 10.3 .............................. 58
3.1.3. Curvas de nivel a partir del Modelo de Elevación Digital ............................................. 60
3.1.4. Georreferenciación de las cartas cartográficas IGAC.................................................... 60
3.1.5. Modelo digital del terreno (MDT) a partir de curvas de nivel en formato TIN............. 61
3.1.6. Conversión de Modelo Digital del Terreno (MDT) en formato TIN a RASTER.......... 61
3.1.7. Corrección de errores en formato RasterFill.................................................................. 62
3.1.8. Obtención de la Dirección de Flujo a partir del Formato RasterFill.............................. 62
3.1.9. Obtención de la acumulación de flujo a partir de la Dirección de Flujo........................ 63
3.1.10. Delimitación y forma de la sub-zona hidrográfica del rio Cusiana............................ 63
3.1.11. Red de drenaje de la Subzona hidrográfica ................................................................ 64
3.1.12. Delimitación del Modelo Digital del Terreno (MDT)................................................ 64
3.1.13. Clasificación de la Subzona Hidrográfica en Zona Alta, Media y Baja..................... 65
3.1.14. Cálculo del Área y perímetro de la Subzona hidrográfica del rio Cusiana ................ 65
3.1.15. Análisis para cálculo de Curva Hipsométrica............................................................. 66
3.1.16. Cálculo para hallar la pendiente media de la Subzona ............................................... 67
3.1.17. Determinación del número de curva (CN) ................................................................. 69
3.1.18. Polígonos de Thiessen ................................................................................................ 71
3.2. Metodología para la Obtención del Hietograma Sintético................................................. 72
3.3. Metodología para la Obtención del Caudal Teórico. ......................................................... 79
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CAPITULO IV
4. ANÁLISIS Y RESULTADOS ............................................................................................. 82
4.1. Características Morfométricas. .......................................................................................... 82
4.1.1. Área y Perímetro. ........................................................................................................... 82
4.1.2. Forma de la Subzona Hidrográfica (Kc). ....................................................................... 82
4.1.3. Rectángulo equivalente .................................................................................................. 83
4.1.4. Curva Hipsométrica, índice de pendiente Global y desnivel específico (Ig)................. 83
4.1.5. Elevación y Pendiente Media......................................................................................... 84
4.2. Tiempo de Concentración y retardo................................................................................... 84
4.3. Drenaje de la cuenca .......................................................................................................... 84
4.3.1. Densidad de los cauces y drenaje................................................................................... 84
4.3.2. Longitud de la Red principal.......................................................................................... 85
4.4. Numero de curva (CN)....................................................................................................... 85
4.5. Caudal Base Subzona hidrográfica del rio Cusiana........................................................... 86
4.6. Caudal Ecológico Subzona hidrográfica del rio Cusiana .................................................. 87
4.7. Caudal Teórico Subzona Hidrográfica del Rio Cusiana .................................................... 87
CAPITULO V
CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 90
RECOMENDACIÓN ................................................................................................................... 91
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................... 92
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LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Ciclo Hidrológico del Agua. ................................................................................. 20
Ilustración 2. Demarcación de una cuenca hidrográfica. ............................................................ 22
Ilustración 3. Sistema de Drenaje Cuencas Exorreicas. .............................................................. 24
Ilustración 4. Sistema de Drenaje Cuencas Endorreicas. ............................................................ 24
Ilustración 5. Sistema de Codificación de Unidades Hidrográficas........................................... 25
Ilustración 6. Codificación para Subzona Hidrográfica. ............................................................. 26
Ilustración 7. Curva Hipsométrica Según Potencial Evolutivo................................................... 29
Ilustración 8. Variables de Adstricciones de Precipitación del SCS........................................... 34
Ilustración 9. Hietograma de Barras y Líneas. ............................................................................ 42
Ilustración 10. Banda Pluviométrica. .......................................................................................... 43
Ilustración 11. Hidrograma Unitario Adimensional del SCS...................................................... 45
Ilustración 12. Ejemplo de simulación en HEC-HMS. ............................................................... 48
Ilustración 13. Marco Normativo para la Ordenación y Manejo de Cuencas Hidrográficas en
Colombia....................................................................................................................................... 51
Ilustración 14. Localización General de la Subzona Hidrográfica del Rio Cusiana. ................. 54
Ilustración 15. Página Alaska Satellite Facility (ASF)................................................................ 56
Ilustración 16. Página Plataforma Alos-1 Palsar......................................................................... 56
Ilustración 17. Interfaz Vertex De Alaska Satellite Facility. ...................................................... 57
Ilustración 18. Visualización Preliminar del Modelo Digital de Elevación................................ 57
Ilustración 19. Mosaico Imágenes Satelitales en formato DEM del Área a Estudio. ................. 58
Ilustración 20. Proceso para la Unión de Imágenes Satelitales................................................... 58
Ilustración 21. Modelo de Elevación Digital del Área a Estudio................................................ 59
Ilustración 22. Visualización del Modelo de Elevación Digital del Área a Estudio. .................. 59
Ilustración 23. Curvas de Nivel Área a Estudio .......................................................................... 60
Ilustración 24. Georreferenciación Cartográfica del Área a Estudio. ......................................... 60
Ilustración 25. Modelo Digital del Terreno (MDT) de la Área a Estudiar.................................. 61
Ilustración 26. Modelo Digital del Terreno (MDT) en Formato RASTER................................. 61
Ilustración 27. Corrección del Formato Raster del Modelo Digital del Terreno. ....................... 62
Ilustración 28. Modelo de Dirección de Flujo del Terreno de Estudio. ...................................... 62
Ilustración 29. Modelo de Acumulación de Flujo de la Zona de Estudio................................... 63
Ilustración 30. Modelo Base para la Delimitación de Subzona Hidrográfica............................. 63
Ilustración 31. Red de Drenaje de la Subzona Hidrográfica. ...................................................... 64
Ilustración 32. Delimitación del modelo Digital del Terreno (MDT) a la forma de la Subzona
Definida......................................................................................................................................... 64
Ilustración 33. Clasificación de las Zona Alta, Media y Baja en la Sub-zona Hidrográfica del
Rio Cusiana................................................................................................................................... 65
Ilustración 34. Cálculo de Área y Perímetro de la Subzona Hidrográfica del Rio Cusiana........ 66
Ilustración 35. Intervalos Definidos Entre las Curvas de Nivel.................................................. 66
Ilustración 36. Área entre Curvas de nivel para los intervalos definidos cada 50 m. ................. 67
Ilustración 37. Mapa de pendientes de la Subzona Hidrográfica del Rio Cravo Sur.................. 67
Ilustración 38. Mapa de Pendientes Interpolados en formato Shapefile. .................................... 68
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Ilustración 39. Pendiente media de la Subzona Hidrográfica del Rio Cravo Sur. ...................... 68
Ilustración 40. Estudio General de Suelos y Zonificación de Tierras. ........................................ 69
Ilustración 41. Unidades Cartográficas del suelo en Casanare. .................................................. 69
Ilustración 42. Identificación del uso de la tierra y la cobertura vegetal en Casanare ................ 70
Ilustración 43. Clasificación del suelo de la Subzona hidrográfica del Rio Cusiana según Soil
Conservation Service (SCS). ........................................................................................................ 70
Ilustración 44. Georreferenciación de las Estaciones Pluviométricas......................................... 71
Ilustración 45. Polígonos de Thiessen en el Área a Estudio ....................................................... 71
Ilustración 46. Fórmulas para la Determinación de los Variables Probabilísticos...................... 73
Ilustración 47. Determinación de los Parámetros α y β para el Método de Gumbel................... 73
Ilustración 48. Creación Proyecto e Implementación de los elementos Hidrológicos HEC-MMS.
....................................................................................................................................................... 80
Ilustración 49. serie de datos de los intervalos de duración del hietograma con respecto a su
tiempo de retorno. ......................................................................................................................... 80
Ilustración 50. Definición de la Meteorología para los Diferentes Periodos de Retorno........... 81
Ilustración 51. Determinación de Tiempo de Duración de la Simulación. ................................. 81
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Sistema de Clasificación de Cuencas recomendada por el CIDIAT............................... 22
Tabla 2. Código Áreas Hidrográficas .......................................................................................... 25
Tabla 3. Códigos de Zonas Hidrográficas.................................................................................... 25
Tabla 4. Valores del Coeficiente de Compacidad....................................................................... 27
Tabla 5. Valores del Tipo de Relieve en Función del Índice de Pendiente Global. .................... 28
Tabla 6.Valores del Tipo de Relieve en Función del Desnivel Especifico.................................. 29
Tabla 7. Características de la Densidad de Drenaje..................................................................... 31
Tabla 8. Condiciones Antecedentes de Humedad Básicas Empleadas en el Método SCS.......... 35
Tabla 9. Rangos para la Clasificación de las Condiciones Antecedentes de Humedad (AMC). 35
Tabla 10. Grupo Hidrológico del Suelo según SCS. ................................................................... 36
Tabla 11. Valores de Numero de Curva para Antecedentes de Humedad (AMC II). ................. 37
Tabla 12. Coeficientes para la Relación de Lluvia en 24 Horas. ................................................. 39
Tabla 13.Ordenadas del Hidrograma Unitario Adimensional del SCS. ...................................... 46
Tabla 14. Datos Históricos de Valores Máximo de Precipitación en 24 Horas de las Estaciones
Situadas en la Subzona de Estudio................................................................................................ 72
Tabla 15. Cálculo de las probabilidades de Ocurrencia, Variable Reducida y Factor de
Frecuencia..................................................................................................................................... 74
Tabla 16. Cálculo de la Precipitación Máximas para los Diferentes Tiempos de Retorno
Utilizando los Coeficientes de Relación de Lluvia de Duración de 24 Horas.............................. 74
Tabla 17. Promedio de las Precipitaciones Máximas Diarias de Lluvia...................................... 75
Tabla 18. Cálculo de la Intensidad para los Diferentes Tiempos de Retorno.............................. 75
Tabla 19. Cálculo de los Parámetros” n” y “d” para el Periodo de retorno de 2 Años............... 76
Tabla 20. Determinación del Parámetro de Regresión. ............................................................... 76
Tabla 21. Cálculo de Parámetros “k” y “m”. ............................................................................... 77
Tabla 22. Cálculo de la Intensidad............................................................................................... 77
Tabla 23. Proceso del Cálculo de la Intensidad Alterna para la Obtención del Hietograma
Sintético. ....................................................................................................................................... 78
Tabla 24. Hietograma de Precipitación e Intensidad. .................................................................. 79
Tabla 25. Comparación de Resultados y Porcentaje en Diferencia ............................................. 82
Tabla 26.Comparación de Forma de la Subzona ......................................................................... 83
Tabla 27. Unidades Cartográficas del Suelo................................................................................ 86
Tabla 28 Estaciones de Influencia en la Sub-zona Hidrográfica del Rio Cusiana....................... 88
Tabla 29. Resultados de Simulación............................................................................................ 88
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LISTA DE ANEXOS
ANEXO I. Mapas de la Subzona Hidrográfica Del Rio Cusiana ................................................ 95
ANEXO II. Descripción de las unidades cartográficas del suelo para la subzona hidrografica
del rio Cusiana............................................................................................................................ 103
ANEXO III. Registros historicos de precipitacion maxima en 24 horas de las estaciones de
influencia en la subzona hidrografica del rio cusiana (IDEAM) ............................................... 107
ANEXO IV. Cálculo distribución de valores extremos tipo I (Gumbel)................................... 115
ANEXO V. Cálculo precipitacion media por poligonos de thiessen ......................................... 123
ANEXO VI. Determinacion de las curvas idf y los hietogramas............................................... 125
