Master Thesis ǀ Tesis de Maestría submitted within the UNIGIS MSc programme presentada para el Programa UNIGIS MSc at/en
Interfaculty Department of Geoinformatics- Z_GIS Departamento de Geomática – Z_GIS University of Salzburg ǀ Universidad de Salzburg
Delimitación y codificación mediante el método Pfafstetter de las unidades hidrográficas de la cuenca del río Jubones, Ecuador Delimitation and coding of the hydrographic units of the Jubones river watershed – Ecuador, using the Pfafstetter method by/por
Ingeniero Freddy Aníbal Jumbo Castillo 1423659 A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the degree of Master of Science (Geographical Information Science & Systems) – MSc (GIS)
Quito - Ecuador, 2015
COMPROMISO DE CIENCIA Por medio del presente documento, incluyendo mi firma personal certifico y aseguro que mi tesis es completamente el resultado de mi propio trabajo. He citado todas las fuentes que he usado en mi tesis y en todos los casos he indicado su origen.
Quito, 01 de febrero de 2016 (Lugar, Fecha)
(Firma)
AGRADECIMIENTO
Al equipo de trabajo UNIGIS, a los docentes del programa de maestría y al tutor, quienes aportaron en mi formación académica para poder cumplir con un objetivo más en mi vida profesional. Al máster Jefferson Valencia quien sirvió de guía para el desarrollo de esta tesis de grado.
DEDICATORIA
Este trabajo lo dedico a Dios y a mi familia.
RESUMEN La demarcación de Jubones (Ecuador), considera a la cuenca como la unidad básica de la planificación a nivel territorial. Ante éste hecho, la subdivisión de las unidades hidrográficas del río Jubones en nivel 6, es clave para la gestión y administración de los recursos hídricos. La falta de detalle en la información geográfica de las cuencas tiene que ser resuelto, con el fin de llevar a cabo todos los procesos administrativos, así como la toma de decisiones en pro de una equitativa distribución de los recursos hídricos. Con la metodología Pfafstetter se subdividió la cuenca del río Jubones en nivel 6. Para este propósito, se utilizó el Modelo Digital de Elevación (MDE) SRTM de 30m de resolución espacial, las unidades hidrográficas existentes en nivel 5 y el software ArcGIS 10. En el nivel 5 se definieron las siguientes unidades hidrográficas: 13942, 13943, 13944, 13945, 13946, 13947, 13948 y 13949. De acuerdo con los lineamientos del método Pfafstetter se codificaron en nivel 6, 9 áreas de drenaje para cada unidad hidrográfica del nivel 5. Finalmente se obtuvieron 72 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 40 corresponden a intercuencas y 32 a tipo cuencas. El producto final de esta investigación es el archivo digital de las cuencas en formato Shapefile con sus respectivos metadatos. La hipótesis planteada es aceptada y los resultados obtenidos permiten actualizar la información geográfica de la cuenca del río Jubones. Es importante, formalizar y socializar el nuevo nivel de unidades hidrográficas con los usuarios potenciales de la información, así como replicar la investigación en otras cuencas de la demarcación.
Palabras claves: Cuenca hidrográfica, metodología Pfafstetter, Modelo Digital de Elevación (MDE), sistema de codificación, Sistemas de Información Geográfica (SIG).
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ABSTRACT The demarcation of Jubones (Ecuador), considers the watershed as the basic unit of planning at the territorial level. In the light of this fact, the subdivision of the hydrographic units of the Jubones river in level 6, is the key for the management and administration of water resources. The lack of detail in the geographic information of the watershed has to be resolved, in order to carry out all administrative processes, and the decision-making for equitable distribution of water resources. With the Pfafstetter methodology, the Jubones river watershed is subdivided into level 6. For this purpose, it was used the Digital Elevation Model (DEM) SRTM of 30 meters spatial resolution, the hydrographic units existing in level 5 and ArcGIS 10 software. The level 5 were defined by the following hydrographic units: 13942 13943, 13944, 13945, 13946, 13947, 13948 and 13949. In accordance with guidelines of Pfafstetter method, 9 drainage areas were coded at level 6 for each level 5 hydrographic unit. Eventually, 72 units hydrographical were obtained at level 6, of which 40 correspond to interbasins and the others 32 to basins. The final product of this research is the digital file of the watersheds in Shapefile format with its respective metadata. The formulated hypothesis is accepted and the results obtained allow updating the GIS of the Jubones river watershed. It is important, to formalize and disseminate the new level of hydrographic units with potential users of the information, as well as replicate the research in others watersheds of the demarcation.
Keywords: Watershed, Pfafstetter methodology, Digital Elevation Model (DEM), coding system, Geographic Information Systems (GIS).
10
TABLA DE CONTENIDO 1.
2.
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 20 1.1.
ANTECEDENTES.................................................................................................... 20
1.2.
OBJETIVOS Y PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN .................................................... 21
1.2.1.
Objetivo general ............................................................................................ 21
1.2.2.
Objetivos específicos ..................................................................................... 21
1.2.3.
Preguntas de investigación ............................................................................ 21
1.3.
HIPÓTESIS ............................................................................................................ 21
1.4.
JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................... 22
1.5.
ALCANCE .............................................................................................................. 23
REVISIÓN DE LITERATURA ........................................................................................... 24 2.1.
CUENCA HIDROGRÁFICA...................................................................................... 24
2.1.1.
Clasificación ................................................................................................... 25
2.1.2.
Divisoria de cuenca ........................................................................................ 25
2.2.
MODELO DIGITAL DE TERRENO (MDT) ................................................................ 26
2.2.1.
MODELO DIGITAL DE ELEVACIÓN (MDE)....................................................... 26
2.2.2.
Aplicaciones de los modelos digitales de elevación (MDE’s) ........................ 27
2.2.3.
Tipos de modelos digitales de elevación (MDE’s) ......................................... 28
2.3.
MÉTODOS PARA LA CLASIFICACIÓN Y ORDENACIÓN DE DRENAJES ................... 29
2.3.1.
Horton - Strahler ............................................................................................ 29
2.3.2.
Shreve ............................................................................................................ 31
2.4.
MÉTODOLOGÍA
PFAFSTETTER
PARA
LA
DELIMITACIÓN
DE
CUENCAS
HIDROGRÁFICAS .............................................................................................................. 32 2.4.1.
Características ............................................................................................... 33
2.4.2.
Tipos de unidades hidrográficas .................................................................... 33
2.4.3.
Proceso de codificación ................................................................................. 34
2.4.4.
Particularidades del método ......................................................................... 36
2.4.5.
Países que han oficializado el uso del método Pfafstetter ........................... 37
2.5.
ESTUDIOS REALIZADOS DE DELIMITACIÓN DE CUENCAS HIDROGRÁFICAS ........ 38 11
3.
2.5.1.
Caso Sudamérica ........................................................................................... 38
2.5.2.
Caso Bolivia .................................................................................................... 39
2.5.3.
Caso Brasil ...................................................................................................... 39
2.5.4.
Caso Perú ....................................................................................................... 40
2.5.5.
Caso Ecuador ................................................................................................. 43
METODOLOGÍA ............................................................................................................ 47 3.1.
UBICACIÓN GEOGRÁFICA DEL PROYECTO ........................................................... 47
3.2.
CARTOGRAFÍA BASE ............................................................................................. 48
3.3.
DIAGRAMA DE LA METODOLOGÍA ...................................................................... 48
3.4.
DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA ................................................................... 49
3.4.1.
Obtención de datos SRTM (NASA)................................................................. 51
3.4.2.
Pre procesamiento del MDE .......................................................................... 52
3.4.3.
Dirección de flujo ........................................................................................... 53
3.4.4.
Acumulación de flujo ..................................................................................... 54
3.4.4.1.
4.
Cálculo del umbral y reclasificación de la acumulación ............................ 55
3.4.5.
Red de drenajes ............................................................................................. 56
3.4.6.
Generación de cuencas ................................................................................. 56
3.4.7.
Vectorización de las cuencas ......................................................................... 56
3.4.8.
Codificación de las cuencas ........................................................................... 57
3.4.9.
Registro de los metadatos ............................................................................. 58
RESULTADOS Y DISCUSIÓN .......................................................................................... 59 4.1.
RESULTADOS ........................................................................................................ 59
4.1.1.
Obtención de datos SRTM (NASA)................................................................. 59
4.1.2.
Pre procesamiento del MDE .......................................................................... 59
4.1.3.
Dirección de Flujo .......................................................................................... 61
4.1.4.
Acumulación de Flujo .................................................................................... 62
4.1.4.1.
Cálculo del umbral y reclasificación de la acumulación ............................ 63
4.1.5.
Red de drenajes ............................................................................................. 64
4.1.6.
Generación de cuencas ................................................................................. 65
4.1.7.
Vectorización de las cuencas ......................................................................... 66
4.1.8.
Codificación de las cuencas ........................................................................... 67 12
4.2.
ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................................... 79
4.2.1.
Obtención de los datos .................................................................................. 79
4.2.2.
Pre procesamiento del MDE .......................................................................... 80
4.2.3.
Dirección de Flujo y Acumulación de Flujo.................................................... 80
4.2.3.1.
5.
6.
Cálculo del umbral y reclasificación de la acumulación ............................ 81
4.2.4.
Red de drenajes ............................................................................................. 82
4.2.5.
Generación y vectorización de las cuencas ................................................... 82
4.2.6.
Codificación de las cuencas ........................................................................... 82
4.2.7.
Metadatos del archivo vectorial de las cuencas delimitadas ........................ 84
4.2.8.
Evaluación de la metodología ....................................................................... 84
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................... 88 5.1.
CONCLUSIONES.................................................................................................... 88
5.2.
RECOMENDACIONES ........................................................................................... 91
REFERENCIAS ............................................................................................................... 93
13
LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Cuenca Hidrográfica. ..................................................................................... 24 Ilustración 2. Divisoria de cuenca. ....................................................................................... 25 Ilustración 3. Modelo Digital de Elevación. ......................................................................... 27 Ilustración 4. Ordenes de corriente Horton. ....................................................................... 29 Ilustración 5. Clasificación de cursos fluviales Strahler. ...................................................... 31 Ilustración 6. Método Shreve de ordenación de los cauces. .............................................. 32 Ilustración 7. Tipo de Unidades Hidrográficas..................................................................... 34 Ilustración 8. Sentido de codificación horario. .................................................................... 35 Ilustración 9. Codificación de unidades hidrográficas. ........................................................ 36 Ilustración 10. Codificación unidades más altas del río principal. ...................................... 36 Ilustración 11. Codificación de cuencas internas o endorreicas. ........................................ 37 Ilustración 12.Demarcaciones hidrográficas del Ecuador. .................................................. 44 Ilustración 13. Mapa de unidades hidrográficas en nivel 5................................................. 45 Ilustración 14. Ubicación geográfica del proyecto. ............................................................. 47 Ilustración 15. Diagrama de la metodología. ...................................................................... 49 Ilustración 16. Página de descarga de datos SRTM. ............................................................ 51 Ilustración 17. Corrección de errores de tipo sumidero y picos. ........................................ 53 Ilustración 18. Forma de operación de la herramienta Flow Direction. ............................. 54 Ilustración 19. Forma de operación de la herramienta Flow Accumulation. ...................... 55 Ilustración 20. Resultados en el visor de descarga.............................................................. 59 Ilustración 21. Pre procesamiento del MDE. ....................................................................... 60 Ilustración 22. Dirección de flujo. ........................................................................................ 61 Ilustración 23. Acumulación de flujo ................................................................................... 62 Ilustración 24. Resultado del cálculo del umbral. ............................................................... 63 Ilustración 25. Red de drenajes. .......................................................................................... 64 Ilustración 26. Cuencas generadas. ..................................................................................... 65 Ilustración 27. Cuencas vectorizadas. ................................................................................. 66 Ilustración 28. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13942. ......................................... 68 14
Ilustración 29. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13943. ......................................... 69 Ilustración 30. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13944. ......................................... 71 Ilustración 31. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13945. ......................................... 72 Ilustración 32. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13946. ......................................... 73 Ilustración 33. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13947. ......................................... 75 Ilustración 34. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13948. ......................................... 76 Ilustración 35. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13949. ......................................... 77 Ilustración 36. Metadatos del archivo vectorial de unidades hidrográficas. ...................... 78
15
LISTA DE TABLAS Tabla 1. Clasificación de las cuencas. .................................................................................. 25 Tabla 2. Leyes de Horton. .................................................................................................... 30 Tabla 3. Proceso de codificación Pfafstetter. ...................................................................... 35 Tabla 4. Unidades hidrográficas Sudamérica. ..................................................................... 39 Tabla 5. Unidades hidrográficas de Bolivia.......................................................................... 39 Tabla 6. Unidades hidrográficas delimitadas caso Perú. ..................................................... 41 Tabla 7. Niveles alcanzados según método Pfafstetter. ..................................................... 42 Tabla 8. Numero de cuencas delimitadas por el método Strahler...................................... 43 Tabla 9. Distribución de las Unidades Hidrográficas en el Ecuador. ................................... 46 Tabla 10. Coordenadas de ubicación de la cuenca Jubones ............................................... 48 Tabla 11. Coordenadas área de estudio en visor de descarga. ........................................... 52 Tabla 12. Umbral de clasificación. ....................................................................................... 63 Tabla 13. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13942. .............................. 67 Tabla 14. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13943............................... 69 Tabla 15. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13944. .............................. 70 Tabla 16. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13945. .............................. 71 Tabla 17. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13946. .............................. 73 Tabla 18. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13947. .............................. 74 Tabla 19. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13948. .............................. 75 Tabla 20. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13949. .............................. 77
16
GLOSARIO
Acumulación de flujo: Es el cálculo de la cantidad de agua que fluye dentro de la celda, desde todas las celdas que drenan hacia ella en un modelo raster.
Afluente: Río que entrega sus aguas a otro de mayor cauce.
Antrópico: Relativo a lo causado por el hombre.
Arreica: Es un tipo de cuenca sin escurrimiento superficial.
Atributo: Característica de un objeto o entidad.
Carta topográfica: Es una carta resultante de trabajos topográficos que incorpora elementos naturales y artificiales del terreno.
Cartografía: Ciencia que se dedica al estudio y elaboración de mapas.
Cauce (fluvial): Es el espacio por donde circula el río.
Cuenca: La cuenca hidrográfica es toda la superficie de terreno que contribuye al flujo de agua de un río.
Demarcación hidrográfica: Es la principal unidad de gestión compuesta por una o varias cuencas hidrográficas vecinas.
Delimitación: Consiste en determinar los límites de un espacio de terreno.
Dirección de flujo: Determina la dirección de flujo de agua desde cada celda en un modelo raster.
Metadato: Información respecto del contenido, calidad, condición y otras características de los datos.
Modelo digital de Elevación: Es la representación de la altura del terreno.
Pendiente: Es la inclinación del terreno, la cual se puede expresar porcentualmente o en grados.
Raster: Es una estructura o fichero de datos que representa una rejilla rectangular de pixeles o puntos de color.
Recurso hídrico: Son aquellos cuerpos de agua tales como: Océanos, ríos, lagos, arroyos y lagunas existentes en el planeta. 17
Río principal: El río principal es aquel que llega a la desembocadura de un mar, o de otro río más importante. Es aquel que recibe las aguas de los ríos menores, o subafluentes.
Río tributario: Es un curso de agua o un río que fluye en otro río, o en un espejo de agua que no sea el mar.
Topología: La topología contiene reglas que definen cómo los elementos comparten el espacio.
Topografía: Es aquella disciplina que estudia la representación detallada de la superficie de un terreno.
Umbral: El umbral en la acumulación de flujo es la mínima cantidad de agua a ser detectada en el modelo.
Unidad hidrográfica: Es el espacio o área geográfica cuyo límite está dado por la línea divisoria de aguas y relacionado espacialmente por sus códigos, donde el tamaño de la superficie de drenaje es el criterio predominante de organización jerárquica.
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ACRÓNIMOS ANA
Autoridad Nacional del Agua. Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer. CAN Comunidad Andina de Naciones. CONAGE Consejo Nacional de Geoinformación. CNRH Consejo Nacional de Recursos Hídricos. DEM Digital Elevation Model. FAO Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura. GAD Gobierno Autónomo Descentralizado. GIS Geographic Information Systems. HydroSHEDS Hydrological data and maps based on SHuttle Elevation Derivatives at multiple Scales. IGM Instituto Geográfico Militar. IGN Instituto Geográfico Nacional. INRENA Instituto de Recursos Naturales. IPRH Inventario Participativo de Recursos Hídricos. ISO International Organization for Standardization. MDE Modelo Digital de Elevación. MDT Modelo Digital del Terreno. MMAA Ministerio de Medio Ambiente y Agua. NASA National Aeronautics and Space Administration. PEM Perfil Ecuatoriano del Metadato. SIG Sistemas de Información Geográfica. SGCAN Secretaría General de la Comunidad Andina de Naciones. SRTM Shuttle Radar Topography Mission. SWIR Short-Wave Infrared. TIR Termal Infrared. USGS United States Geological Survey. VNIR Visible-Near Infrared. ASTER
19
1.
1.1.
INTRODUCCIÓN
ANTECEDENTES
La revolución tecnológica e intelectual centrada en el espacio geográfico a través de Sistemas de Información Geográfica (SIG), se constituye en una potente herramienta para la gestión de información espacial y temática en diversas áreas de aplicación, entre las que se encuentran las relacionadas a la hidrología y su aplicación al estudio de las características de las cuencas. Históricamente la delimitación de unidades hidrográficas se realizaba mediante la interpretación de mapas o cartas topográficas, utilizando metodologías tradicionales como las de órdenes de corrientes Horton-Stralher, Shreve, entre otras. Sin embargo los resultados eran diferentes entre los países de la región, dado las escalas de información, el alcance, métodos y herramientas aplicadas. Con el propósito de disponer de mapas estandarizados surge la metodología Pfafstetter en 1989, la cual fue difundida en 1997 por el United States Geological Survey (USGS). Basados en esta metodología la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN) y la Comunidad Andina de Naciones (CAN), elaboraron el mapa de unidades hidrográficas para Sudamérica hasta el nivel 3; posteriormente es utilizado y oficializado por el Perú. El Ecuador, por medio de la Secretaría del Agua, inicia el proceso enfocado en la optimización de la gestión de los recursos hídricos, con la división del territorio en 9 demarcaciones hidrográficas: Jubones, Mira, Esmeraldas, Guayas, Puyango-Catamayo, Manabí, Santiago, Pastaza y Napo. Posteriormente realiza la actualización al mapa de cuencas propuesto por el ex Consejo Nacional de Recursos Hídricos (CNRH), el cual contemplaba los niveles de cuenca y subcuenca. Producto de este trabajo aplicando la normativa Pfafstetter, se obtuvo como resultado el mapa de unidades hidrográficas hasta el nivel 5 para cada demarcación. En la demarcación Jubones, la cuenca principal es la denominada cuenca del río Jubones, donde la información geográfica de las subcuencas, es importante para el cumplimiento de las actividades que demanda la gestión integral de los recursos hídricos, requiriendo la 20
actualización de las subcuencas en los niveles de detalle necesarios, que permitan la administración, formulación y planificación de proyectos, así como la correcta toma de decisiones y distribución equitativa del recurso hídrico.
1.2.
OBJETIVOS Y PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN
1.2.1. Objetivo general Codificar las unidades hidrográficas de la cuenca del río Jubones, orientado a la toma de decisiones en la gestión y administración de los recursos hídricos en ella existentes, así como a la conservación de su entorno. 1.2.2. Objetivos específicos
Caracterizar los métodos más utilizados para la delimitación de cuencas hidrográficas.
Establecer las unidades hidrográficas a delimitarse dentro de la cuenca del río Jubones.
Codificar las unidades hidrográficas, tomando como referencia la codificación existente para la cuenca delimitada.
1.2.3. Preguntas de investigación
¿Cuáles son los métodos que se utilizan para la delimitación de cuencas hidrográficas?
¿Cuáles son las unidades hidrográficas a delimitarse en la cuenca del río Jubones?
¿Qué codificación le corresponde a cada una de las unidades hidrográficas delimitadas?
1.3.
HIPÓTESIS
Los factores topográficos y la resolución espacial del Modelo Digital de Elevación (MDE) son los principales factores que influyen en la delimitación de las unidades hidrográficas en nivel 6 de la cuenca del río Jubones.
21
1.4.
JUSTIFICACIÓN
La demarcación hidrográfica de Jubones es una entidad pública, cuyas funciones principales se orientan a la gestión del recurso hídrico, siendo fundamental el uso de información geográfica, la cual proporciona el soporte a las tareas de oficina y de campo. Las unidades territoriales sobre la cual basa su gestión, son las cuencas hidrográficas. Oficialmente la cuenca del río Jubones está delimitada hasta el nivel 5 de acuerdo con la metodología Pfafstetter y es análoga al nivel de subcuenca establecida por el ex CNRH. La cuenca del río Jubones es considerada como la de mayor importancia o principal para la demarcación, dada las actividades de gestión de los recursos hídricos sobre la cual se ejecutan. La carencia de información cartográfica detallada de unidades hidrográficas, se transforma en una debilidad institucional que repercute en la toma de decisiones y la distribución equitativa de los recursos hídricos. Uno de los principales procesos de gestión, son las autorizaciones de uso y aprovechamiento de agua en la cuenca solicitados por los usuarios de la demarcación, el cual es llevado técnicamente en campo y administrativamente registrados en una base de datos, donde para cada registro es requisito especificar el código de la unidad hidrográfica de mayor detalle y su nombre, por tal motivo es importante disponer de unidades territoriales hídricas de menor tamaño y a mayor detalle, es decir delimitadas hasta el nivel 6; equivalente a la denominación de microcuenca. La delimitación de las subcuencas es el punto de partida, para disponer de información geográfica de las unidades hídricas con su respectiva codificación, permitiendo el desarrollo de estudios y proyectos orientados a conservar y aprovechar los recursos disponibles en su entorno, así como la optimización de las tareas relacionadas con las autorizaciones de uso de agua; principal proceso de gestión institucional.
22
1.5.
ALCANCE
Se revisó el manual de procedimientos de delimitación y codificación de unidades hidrográficas para Ecuador (Rosas, 2009), el informe de delimitación y codificación de las unidades hidrográficas del Ecuador nivel 5 (UICN, Secretaría del Agua y CAN, 2009), el acuerdo ministerial nro. 2010-66 de la Secretaría del Agua (2010), la resolución ministerial nro. 2011-245 de la Secretaría del Agua (2011), así como el documento de hidrología computacional y Modelo Digital del Terreno (MDT) de Olaya (2004). Esto permite establecer los lineamientos, metodologías y herramientas que apoyen el proceso investigativo para delimitar claramente el alcance del estudio. El alcance de esta investigación es delimitar y codificar las unidades hidrográficas hasta el nivel 6, con base en la escala de trabajo de 1:200,000, la cual se realizará sobre la cuenca principal del río Jubones, utilizando la delimitación existente en nivel 5 a escala 1:250,000 y el SRTM de 30m (1 segundo de arco) de la National Aeronautics and Space Administration (NASA). El producto de esta propuesta es el mapa de unidades hidrográficas en nivel 6. La información geográfica resultante, será representada en formato Shapefile con sus respectivos metadatos, lo cual garantiza la operatividad e interrelación con los demás niveles ya oficializados por la demarcación. Los resultados obtenidos servirán de base para las delimitaciones en otras cuencas de la demarcación de Jubones y del resto de demarcaciones que conforman la Secretaría del Agua, así como aportarán a la gestión administrativa y técnica de los procesos relacionados con las unidades hidrográficas. Otras entidades que podrían utilizar el producto final de la investigación, son los Gobiernos Autónomos Descentralizados (GAD) y la Mancomunidad Consorcio de la cuenca del río Jubones, de acuerdo con las competencias que le corresponden a cada institución.
23
2.
2.1.
REVISIÓN DE LITERATURA
CUENCA HIDROGRÁFICA
Teodoro, Teixeira, Costa y Fuller (2007), mencionan que la cuenca hidrográfica es un conjunto de tierras drenadas por un río y sus afluentes, la cual se forma en las regiones de más alto relieve y se delimita por la divisoria de cuenca, donde el agua lluvia o de la superficie drena formando los cursos de agua. En función a la definición antes establecida, cuenca es aquella área de terreno superficial en la cual el agua cae y drena hacia un punto en común, lo cual es corroborado también por Aguirre (2011, p.11), quien además manifiesta que “el ámbito de la cuenca hidrográfica es un espacio territorial natural independiente de las fronteras políticoadministrativas internas de un país o de fronteras internacionales”. Según la FAO (2009) sobre el área de drenaje de la cuenca, se encuentran los recursos naturales, infraestructura, comunidades y sus diferentes actividades económicas, lo cual se puede apreciar en la ilustración 1.
Ilustración 1. Cuenca Hidrográfica. Fuente: World Vision (2009).
24
2.1.1. Clasificación Las cuencas hidrográficas según el criterio de Faustino y Jiménez (2000), se clasifican en cuatro tipos: Arreicas, criptorreicas, endorreicas y exorreicas, las cuales se detallan en la tabla 1. TIPO Arreicas Criptorreicas Endorreicas Exorreicas
DESCRIPCIÓN No logran drenar a un río, mar o lago, sus aguas se pierden por evaporación o infiltración sin llegar a formar escurrimiento subterráneo. Su red de drenaje superficial no tiene un sistema organizado y corren como ríos subterráneos. Sus aguas drenan a un embalse o lago sin llegar al mar. Las vertientes conducen las aguas a un sistema mayor de drenaje como un gran río o mar. Tabla 1. Clasificación de las cuencas. Fuente: Faustino y Jiménez (2000).
La clasificación de las cuencas antes descrita, está basada en función del sistema de drenaje y su conducción final. 2.1.2. Divisoria de cuenca La divisoria de cuenca es considerada como el límite que separa a dos cuencas hidrográficas. Según Senisterra, Rodríguez, Gaspari y Mazzucchelli (2014), la divisoria de agua son los puntos altimétricos más altos, que delimitan la dirección de la circulación del escurrimiento superficial y gráficamente se puede apreciar en la ilustración 2.
Ilustración 2. Divisoria de cuenca. Fuente: Ibáñez, Moreno y Gisbert (2009).
25
En la ilustración anterior la línea de color naranja, es la divisora de la cuenca o también denominada parte aguas, la cual delimita el área de escorrentía de la red de drenaje.
2.2.
MODELO DIGITAL DE TERRENO (MDT)
Rosas (2009) manifiesta que un MDT es una estructura de celdas numéricas, que almacenan datos espaciales de una variable cuantitativa y continúa tales como: Temperatura, presión o altitud. En el caso que represente a la última variable mencionada, se denomina MDE. Según Priego y Porres (2002), un MDT a partir de coordenadas tridimencionales representa numéricamente las características topográficas del terreno. Tanto el MDT como el MDE están basados en el modelo de datos raster. 2.2.1. MODELO DIGITAL DE ELEVACIÓN (MDE) Un MDE es considerado una representación matemática de los valores de alturas del terreno. Según Pérez y Mas (2009), se considera modelo de elevación porque a través de algoritmos matemáticos, los datos altimétricos pueden modelarse automáticamente mediante un ordenador, lo cual permite el estudio y análisis de la superficie terrestre de forma tridimencional. Fallas (2007) menciona que la palabra elevación, enfatiza en el concepto de medición de altura con respecto a un datum y en la generación de valores absolutos de altitud por parte del modelo. En la ilustración 3 se muestra gráficamente el MDE.
26
Ilustración 3. Modelo Digital de Elevación. Fuente: Adaptado de FUNDECOA (2004).
2.2.2. Aplicaciones de los modelos digitales de elevación (MDE’s) La aplicación de los MDE se extiende a campos tan diversos como la geografía, la hidrología, la ecología, los estudios de impacto ambiental y la cartografía en general (Wu, Li, y Huang, 2008). Según el IGN (2014), las aplicaciones de un MDE son:
Generación de curvas de nivel.
Generación de mapas de pendiente.
Creación de mapas en relieve.
Planificación de vuelos en tres dimensiones.
Rectificación geométrica de fotografías aéreas o de imágenes satelitales.
Reducción de las medidas de gravedad, también denominada corrección de terreno o topográfica. 27
Proyectos de grandes obras de ingeniería.
Trazados de perfiles topográficos.
Cálculos de volúmenes.
Análisis de riesgos ambientales.
Otra aplicación de los MDE, es la utilidad en la generación de cuencas hidrográficas. 2.2.3. Tipos de modelos digitales de elevación (MDE’s) Entre los tipos de MDE mayormente difundidos, actualmente se encuentran:
SRTM: Souza, Cruz, Aragao y Amorim (2011), mencionan que la misión topográfica radar fue un proyecto liderado por la NASA, a partir del cual se elaboró el proyecto TOPODATA, que se constituye en un refinamiento del MDE original, logrado a través de la aplicación de procesos geoestadísticos. El proyecto SRTM, tuvo como objetivo obtener datos topográficos en formato digital, que cubran el 80% del territorio mundial, localizado entre los paralelos 60° norte y 56° sur y situados en una grilla de 1 arco-segundo (30 m) en latitud y longitud. En el año 2003 se liberaron los datos topográficos SRTM de 90 m de resolución espacial. Posteriormente en el año 2014 se liberó los datos SRTM de 30m para uso público a nivel mundial, los cuales inicialmente estuvieron disponibles exclusivamente para el territorio de los Estados Unidos.
Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER): Según Ríos, Warschied, Escobar y Vargas (2010), el sensor ASTER está compuesto por los subsistemas Visible-Near Infrared (VNIR), Short-Wave Infrared (SWIR) y Termal Infrared (TIR). A bordo del satélite Terra, el sensor opera a una distancia de 705 km de la tierra y su ciclo temporal alrededor del globo terrestre es de 16 días, con un ancho de barrido de 60 km. El MDE ASTER se puede extraer de las bandas 3N (Nadir) y 3B (Back) del sensor; (De Jesus, 2009). A partir de estas imágenes se pueden generar un MDE relativo sin utilizar puntos de control y uno absoluto utilizando puntos de control. La precisión aproximada del modelo de elevación es:
28
o MDE relativo: Localización vertical: hasta 10m sin puntos de control. Localización horizontal: hasta 10m sin puntos de control. o MDE absoluto: Localización vertical: hasta 7m con puntos de control. Localización horizontal: hasta 7m con puntos de control. Con el MDE ASTER se pueden desarrollar las siguientes aplicaciones: Generar topografía hasta una escala de 1:50,000, modelos hidrográficos, geomorfología y ortorectificar imágenes, entre otras.
2.3.
MÉTODOS PARA LA CLASIFICACIÓN Y ORDENACIÓN DE DRENAJES
2.3.1. Horton - Strahler Horton en el año 1945, descubrió un método para clasificar los drenajes de una cuenca hidrográfica llamado órdenes de corrientes, el cual identificaba a las acumulaciones de agua menos significativas y a los arroyos en tributarios de primer orden, que de acuerdo con sus características carecen de afluentes. Cuando dos drenajes de primer orden intersectan, forman una nueva escorrentía o tributario de segundo orden, y la convergencia de dos tributarios de segundo orden, forman uno de tercer orden. Este proceso se aplica de forma recursiva, hasta examinar toda la hidrografía del área de la cuenca. El orden de los ríos se relaciona con la cantidad de afluentes dentro de la cuenca, y gráficamente se representa en la ilustración 4.
Ilustración 4. Ordenes de corriente Horton. Fuente: Mijares (1992).
29
Las leyes de composición de drenaje establecidas por Horton, se detallan en la tabla 2. LEYES DE HORTON Ley de número de cursos de agua: Primera ley de Horton Ley de longitud de cursos: Segunda ley de Horton.
Ley de gradiente de cauces: Tercera ley de Horton. Cuarta ley de composición del drenaje. Ley de áreas de cuencas fluviales.
DESCRIPCIÓN El número de cursos de agua de cada orden para una cuenca determinada, forma una serie geométrica inversa, en la cual el primer término es la unidad, y la razón es la relación de bifurcación. La longitud promedio de los cursos de agua, de cada uno de los diferentes órdenes en una cuenca fluvial, tiende a aproximarse a una serie geométrica directa, en la cual el primer término es la longitud promedio de los cursos de primer orden. La relación entre el gradiente medio de cauce y el orden respectivo, puede ser expresada por una serie geométrica inversa, en la cual el primer término es la pendiente media de los cursos de primer orden, y cuya razón es la relación de la pendiente. El área promedio de las cuencas fluviales de cada orden, tiende a aproximarse a una serie geométrica directa, en la cual el primer término es el área promedio de las cuencas de primer orden. Tabla 2. Leyes de Horton.
En el año 1957, Strahler mejoró el método de órdenes de corrientes de Horton, el cual se definía por los siguientes principios: a) Los segmentos que se originan en un nudo externo son definidos como tramos de primer orden. Los segmentos que están unidos a una fuente, es decir no tienen tributarios se definen como de primer orden. b) Cuando dos segmentos del mismo orden i se unen en un nudo interior, originan el segmento de orden superior i+1 aguas abajo. Cuando se unen dos corrientes de orden ω, crean una corriente de orden ω+1. c) Cuando se unen dos tramos de distinto orden en un nudo interior, dan lugar a un tramo que conserva el mayor de las órdenes. Cuando se unen dos tramos de distinto orden, el orden del segmento resultante es el máximo orden de los segmentos que lo preceden. Cuando a una corriente se une otra de menor orden, la primera continúa y conserva su número de orden. d) El orden de la cuenca ω, es el de la corriente de mayor orden. Gráficamente se representa el método de Strahler en la ilustración 5.
30
Ilustración 5. Clasificación de cursos fluviales Strahler. Fuente: Pozo y Elosegi (2009).
Según Fernández (2002) en el método de Strahler, los segmentos de primer orden no tienen afluentes tributarios y reciben directamente el agua de las pendientes o laderas, considerando que la cuenca tiene una única salida de drenaje. Pozo y Elosegi (2009) manifiestan que cuando desembocan en un mismo punto dos cursos de orden 1, forman uno de orden 2, cuando se unen dos afluentes de orden 2, crean otro de orden 3 y así sucesivamente para el resto de drenajes de la cuenca. Cabral (2012) menciona que la clasificación Horton-Strahler, asigna un número de orden a cada curso de agua, lo cual refleja el grado de ramificación o bifurcación de una cuenca hidrográfica. El orden de segmentos de una cuenca depende mucho de la escala del mapa (Mijares, 1992). 2.3.2. Shreve Este método consiste en que cada afluente se determina en función del número de corrientes que lo alimentan y de las características topológicas y geomorfológicas del terreno. Shreve (1967) manifiesta que todos los tributarios se consideran de primer orden y que a partir de la unión de convergencia, la corriente toma como orden el número de tributarios que llegan a ella, identificándose los tramos de red exteriores e interiores. Los 31
exteriores son aquellos segmentos de canal entre una fuente y un nodo, mientras que los tramos interiores son los segmentos de canal entre dos nodos continuos. En la ilustración 6 se muestra gráficamente el método de ordenación de cauces de Shreve.
Ilustración 6. Método Shreve de ordenación de los cauces. Fuente: Rennó y Soares (2003).
Según Londoño (2001) con el sistema de Shreve, se consigue que los distintos cursos adquieran órdenes superiores en función del número de tributarios que poseen.
2.4.
MÉTODOLOGÍA PFAFSTETTER PARA LA DELIMITACIÓN DE CUENCAS HIDROGRÁFICAS
Gomes y Barros (2011) mencionan que el método Pfafstetter es jerárquico y se basa en la topología del terreno, el cual permite mejorar la gestión de las cuencas hidrográficas y una acción de mayor control sobre esas áreas. La tendencia actual es que el método sea un estándar internacional de delimitación y codificación de cuencas hidrográficas (Cabral, 2011). Según el criterio de Crespo, Van Damme y Zapata (2013), la metodología Pfafstetter es de carácter numérico, topológico y natural, con la cual surge el concepto de unidades hidrográficas, definidas como áreas geográficas cuyos límites se encuentran establecidos
32
por las líneas divisorias de aguas, relacionadas espacialmente por su código y jerarquizadas con base en el tamaño de las áreas de drenaje. Elesbon, Guedes, Amaral, Ribeiro y Da Silva (2011), manifiestan que la metodología de delimitación de cuencas basa su funcionamiento en las herramientas que aportan los SIG. 2.4.1. Características Según lo especificado por Rosas (2009) las características del método Pfafstetter son:
El sistema es jerárquico y las unidades son delimitadas desde las uniones de los ríos (punto de confluencia de ríos), o desde el punto de desembocadura de un sistema de drenaje en el océano.
A cada unidad hidrográfica se le asigna un código Pfafstetter único, basado en su ubicación dentro del sistema de drenaje.
Este método hace un uso mínimo de la cantidad de dígitos en los códigos, la longitud del código depende del nivel que se está codificando.
2.4.2. Tipos de unidades hidrográficas Crespo et al. (2013) mencionan que con la metodología Pfafstetter se identifican 3 tipos de unidades hidrográficas: Cuenca, intercuenca y cuenca interna, las cuales se describen a continuación:
Cuenca: Es el área de captación que no recibe caudal de ninguna otra área, pero sí contribuye con flujo a otra unidad de drenaje a través del curso del río principal.
Intercuenca: Es el área de captación entre las cuencas de dos tributarios sucesivos, la cual es considerada como unidad de drenaje de tránsito del río principal. Estas unidades reciben drenajes de otras unidades, ubicadas aguas arriba a través del curso del río principal, las cuales permiten el tránsito de caudal hacia las unidades localizadas aguas abajo.
Cuenca interna: Es el área de drenaje que no recibe flujo de agua de otra unidad, ni contribuye con caudal a otra área de captación, frecuentemente suele contar con un cuerpo de agua. 33
Los tres tipos de unidades hidrográficas anteriormente descritas, se representan gráficamente en la ilustración 7.
Ilustración 7. Tipo de Unidades Hidrográficas. Fuente: INRENA (2007).
A las unidades hidrográficas tipo cuenca, les corresponden las mayores áreas de captación y acumulación de flujo según Pfafstetter(1989). 2.4.3. Proceso de codificación Gomes y Barros (2011) mencionan que la codificación de las unidades hidrográficas, inicia con la identificación del curso del río principal determinado por la mayor área drenaje. Las características del método establecen que en la codificación de cualquier nivel, siempre existirán 9 unidades hidrográficas y eventualmente 10 cuando se presente una cuenca de tipo interna (Aguirre, 2011). Según el INRENA (2007) la asignación de los códigos se realiza de aguas abajo hacia aguas arriba; es decir de norte a sur en caso que la vertiente principal desemboque en un mar oriental; y de sur a norte si la cuenca desemboca en un mar occidental. Para los países de la CAN corresponde al Océano Pacífico, lo cual se puede apreciar en la ilustración 8.
34
Ilustración 8. Sentido de codificación horario. Fuente: INRENA (2007).
A continuación se estructura en la tabla 3, el procedimiento necesario para codificar a las unidades hidrográficas. SECUENCIALIDAD 1 2
3
DESCRIPCIÓN Identificación del curso del río principal. Determinación de las cuatro unidades hidrográficas de tipo cuenca, que son las cuatro unidades de mayor área, que confluyen al río principal y se enumeran o codifican con los dígitos pares 2, 4, 6 y 8. Las cinco áreas restantes, son las denominadas intercuencas y se codifican con los dígitos impares 1, 3, 5, 7 y 9. Tabla 3. Proceso de codificación Pfafstetter. Fuente: Adaptado de Aguirre (2011).
Según lo mencionado por el INRENA (2007), las cuencas e intercuencas obtenidas como resultado de la primera subdivisión, pueden a su vez subdividirse siguiendo el mismo procedimiento. Sin embargo, la división en varios niveles se logra hasta que el detalle de la cartografía base lo permita (Pfafstetter, 1989). Por ejemplo, la subdivisión de la cuenca 8 genera al interior de la misma, las cuencas con los códigos 82, 84, 86, 88 y las intercuencas 81, 83, 85, 87 y 89, lo cual se puede apreciar en la ilustración 9.
35
Ilustración 9. Codificación de unidades hidrográficas. Fuente: INRENA (2007).
2.4.4. Particularidades del método Según Cabral (2011) una particularidad del método Pfafstetter, se presenta en las dos unidades finales localizadas en la naciente de la cuenca. A la unidad de mayor área de drenaje se le asigna el código 9 y a la de menor área el código 8. En la ilustración 10, se muestra gráficamente esta particularidad del método.
Ilustración 10. Codificación unidades más altas del río principal. Fuente: INRENA (2007).
36
El INRENA (2007) manifiesta que si la unidad hidrográfica a codificar contiene cuencas internas o endorreicas, a la de mayor superficie se le asigna el código 0 y las otras restantes son incorporadas a las cuencas o intercuencas adyacentes. Gráficamente la codificación de este tipo de cuencas se muestra en la ilustración 11.
Ilustración 11. Codificación de cuencas internas o endorreicas. Fuente: INRENA (2007).
2.4.5. Países que han oficializado el uso del método Pfafstetter La metodología Pfafstetter fue adoptada por algunos países sudamericanos tales como Bolivia, Brasil y Perú (Cabral, 2011). Según el criterio del MMAA, UICN y CAN (2010), la oficialización del método Pfafstetter para Bolivia, se estableció mediante convenio entre el viceministerio de cuencas y la UICN. Estos acuerdos interinstitucionales tuvieron como finalidad la delimitación de unidades hidrográficas hasta el nivel 5. En el estudio realizado en el año 2008 por la UICN y la CAN, se manifiesta que mediante la resolución nro. 32-2003 del CNRH de Brasil, se aprobó oficialmente el uso de la metodología. El método se utilizó en la formulación del plan nacional de recursos hídricos (Crespo et al., 2013). El Perú a través de la resolución ministerial nro. 033-2008-AG, oficializó la delimitación y codificación de las unidades hidrográficas utilizando el método Pfafstetter, con lo cual se aprueba también el uso de la metodología y se inicia una nueva etapa en la gestión de los recursos hídricos (Ruiz y Torres, 2011).
37
Rosas (2011) menciona que la aprobación del método de delimitación de cuencas hidrográficas en el Ecuador, se debió a la carencia de información actualizada de unidades hidrográficas. El Ecuador a través de la Secretaría del Agua en el año 2011, mediante la resolución nro. 245 resuelve en el artículo 1: Aprobar la metodología Pfafstetter y el mapa de cuencas hidrográficas hasta el nivel 5 a escala 1:250,000.
2.5.
ESTUDIOS REALIZADOS DE DELIMITACIÓN DE CUENCAS HIDROGRÁFICAS
Los casos de estudios de delimitación de unidades hidrográficas se describen a continuación: 2.5.1. Caso Sudamérica La UICN conjuntamente con la CAN, en el año 2008 presenta el informe final de la delimitación y codificación de unidades hidrográficas para Sudamérica hasta el nivel 3, a escala 1:1,000,000 utilizando el método Pfafstetter. El propósito de la delimitación tuvo como finalidad, la búsqueda de alternativas que apoyen la planificación, conservación y gestión sostenible de los recursos naturales del territorio y de los recursos hídricos. Ruiz y Torres (2008) sostienen que la delimitación de las unidades hidrográficas de Sudamérica, se realizó utilizando la información del proyecto Hydrological data and maps based on SHuttle Elevation Derivatives at multiple Scales (HydroSHEDS), con resolución espacial de 15 segundos de arco – 460m aproximadamente. La metodología de trabajo cumplió las siguientes etapas: Obtención del MDT, optimización del MDT, dirección de flujo, acumulación de flujo, reclasificación de la acumulación, red de drenajes, cuencas y generación vectorial de las unidades hidrográficas. Según Aguirre (2011) el área delimitada para Sudamérica es de 17,733,179 km², obteniéndose la delimitación hasta el nivel 3 para las vertientes principales Amazonas, Paraná, Orinoco y Tocantins. Los resultados finales se pueden apreciar en la tabla 4.
38
NIVEL DE DELIMITACIÓN 1 2 3 TOTAL:
UNIDADES HIDROGRÁFICAS OBTENIDAS 10 93 801 904
Tabla 4. Unidades hidrográficas Sudamérica. Fuente: Adaptado de Aguirre (2011).
2.5.2. Caso Bolivia Según Crespo et al. (2013) la delimitación y codificación de unidades hidrográficas de Bolivia, surge de la necesidad de disponer de información estandarizada de cuencas hidrográficas. Para lograrlo se aplicó el método Pfafstetter, con el cual se dividió las cuencas hasta el nivel 4 para todo el país. La cartografía base utilizada para el proceso de delimitación fue: El mapa hidrográfico y de microcuencas elaborado con base en el modelo digital de drenaje Hydro 1k, mapas hidrográficos del IGM a escala 1:100,000 y el mapa de clasificación de cuencas de Brasil. El proceso de delimitación se realizó en función a las directrices del método Pfafstetter y básicamente se cumplieron las siguientes etapas: Análisis de cartografía base, dirección de flujo, acumulación de flujo, umbral de acumulación y división de cuencas. Los resultados del estudio se pueden apreciar en la tabla 5. NIVEL DE DELIMITACIÓN 1 2 3 4 TOTAL:
UNIDADES HIDROGRÁFICAS OBTENIDAS 3 7 31 85 126
Tabla 5. Unidades hidrográficas de Bolivia. Fuente: Adaptado de Crespo et al. (2013).
2.5.3. Caso Brasil Según el criterio de Amancio, Quintao, Freire, Alvés y Dos Santos (2013), el uso de herramientas de geoprocesamiento es de gran importancia para el estudio de delimitación de cuencas hidrográficas. La metodología utilizada en el proceso de delimitación del río Piancó, se dividió en cuatro etapas: Eliminación de depresiones del 39
MDE, dirección de flujo, acumulación de flujo y delimitación de cuencas. Como base de la subdivisión de unidades hidrográficas se utilizó el MDE SRTM de 30m de resolución espacial. En el estudio realizado por Gomes y Lobão (2009), se obtuvieron 29 subcuencas hidrográficas del río Jacuípe, a partir del uso de imágenes SRTM con resolución de 90m. Para la delimitación de las unidades hidrográficas, se adoptó el critetio de la jerarquía de drenajes de Strahler, con el cual se estableció la clasificación de los cursos de agua de la cuenca. La metodología aplicada consideró las siguientes fases: Levantamiento de datos, definición de criterios para la delimitación de subcuencas, trabajo de campo y elaboración del producto final. En la definición de criterios, se estableció como propósito la delimitación de las subcuencas de 7º y 8º orden. Barbosa, Silva, Teixeira, Prado, Schererwarren y Ribeiro (2007), delimitaron la cuenca Verde Grande utilizando cartografía base a escala 1:1,000,000. El método Pfafstetter se aplicó para la definición de las áreas de captación, el cual fue parte del proceso de la metodología general de trabajo, dividida en cuatro etapas: Tratamiento de la información vectorial y generación del MDE, pre procesamiento de consistencia hidrológica del MDE, delimitación de las cuencas Pfafstetter y evaluación de los resultados. En el estudio sobre la cuenca Verde Grande, se destaca la importancia del procesamiento de la información vectorial, como tarea fundamental para la generación del MDE a través de interpolador TOPOGRID. La investigación tuvo como propósito el cuidado y conservación de los recursos hídricos. 2.5.4. Caso Perú Según Torres (2011) las cuencas hidrográficas son importantes en el desarrollo de la gestión de los recursos hídricos del Perú, por lo cual se delimitaron las unidades hidrográficas a escala 1:1,000,000, utilizando como base del proceso la información de la carta nacional topográfica digital, las imágenes Landsat ETM (Bandas 7-4-2, realzadas) con resolución espacial 14.25m, el MDE del proyecto SRTM de la NASA del año 2000 y los
40
datos del proyecto HydroSHEDS. El proceso de delimitación se basó en los lineamientos del método Pfafstetter. La metodología para la obtención de las áreas de drenaje, contempla las etapas de delimitación manual-digital y delimitación automática. El proceso de delimitación automática sigue el siguiente orden: MDE, dirección de flujo, acumulación de flujo, umbral de acumulación, red de drenaje, codificación, disolución de polígonos, raster a polígono, y cuencas. Los resultados obtenidos se pueden observar en la tabla 6. UNIDAD HIDROGRÁFICA Región hidrográfica 0 Región hidrográfica 1 Región hidrográfica 4 (Amazonas) TOTAL:
NIVEL 2
NIVEL 3
NIVEL 4
NIVEL 5
NIVEL 6
1
6
43
101
1
9
75
571
185
2
6
30
214
18
4
21
148
886
203
NIVEL 7
NIVEL 8
TOTAL 151
156
36
1,033 270
156
36
1,454
Tabla 6. Unidades hidrográficas delimitadas caso Perú. Fuente: Torres (2011).
En el trabajo realizado por Ramírez, Castillo y Gonzalez (2011), se utilizaron los métodos de Pfafstetter y Strahler para la delimitación y codificación de las cuencas hidrográficas del Perú, localizadas en las cordilleras Blanca, Huallanca, Huayhuash, Raura, La Viuda, Central, Huagoruncho, Huaytapallana y Chonta. Con la metodología Pfafstetter se delimitaron las cuencas e intercuencas en nivel 7, mientras que con las directrices de Strahler se identificaron a las cuencas, subcuencas y microcuencas. El proceso metodológico de delimitación de unidades hidrográficas, se rigió con base en las siguientes etapas: Generación del MDE, generación del modelo de sombra, generación de la jerarquía de afluentes según Strahler, generación de cuencas Pfafstetter y Strahler. La cartografía base del proceso de delimitación fue: El MDE SRTM de 90m de resolución espacial, las imágenes satelitales Landsat, Aster y Spot, las unidades hidrográficas en nivel 4 del Perú, las curvas de nivel, la red hídrica y las lagunas a escala 1:100,000, así como la cobertura glaciar del primer inventario de glaciares del Perú. 41
Los resultados obtenidos de la delimitación de 22 cuencas hidrográficas, basados en la metodología Pfafstetter se pueden apreciar en la tabla 7. CUENCAS Mantaro Pachitea Pampas Santa Ica Anapati Alto Marañón V Perené Pisco Cañete Huaura Alto Huallaga Pativilca Chicama Crisnejas Mala San Juan Topara Chillón Rímac Moche ChancayHaural
CORDILLERAS Chonta, Central, La Viuda, Huaytapallana Huagoruncho Chonta Blanca Chonta Huaytapallana Huagoruncho, La Viuda, Raura Huaytapallana Chonta Central Raura, La Viuda, Huayhuash Huagoruncho, La Viuda Huallanca, Huayhuash, Raura Blanca Blanca Central Chonta Chonta La Viuda La Viuda Blanca La Viuda
NIVELES OBTENIDOS
CÓDIGO
ÁREA (Km2)
5,6,7
4996989
34,363.18
5,6,7 5,6,7 5,6,7 6,7 6,7
4992999 4998999 1376999 1375529 4995899
28,495.62 23,113.04 11,596.51 7,301.87 1,545.58
6,7
4989999
21,553.68
6,7 6,7 6,7
4995449 1375299 1375499
18,254.15 4,208.74 6,017.34
6,7
1375699
4,310.91
6,7
4984999
30,275.86
6,7
1375899
4,577.23
6,7 6,7 6 7 7 7 7 7
1377299 4989829 1375529 1375329 1375349 1375569 1375549 1377169
4,493.73 4,909.68 2,319.70 3,335.43 616.96 2,210.51 3,485.35 2,115.41
7
1375589
3,046.36
TOTAL:
222,146.84
Tabla 7. Niveles alcanzados según método Pfafstetter. Fuente: Adaptado de Ramírez et al. (2011).
Mientras que con el método de Strahler, se delimitaron 23 cuencas hidrográficas obteniéndose los resultados que se estructuran en la tabla 8. CUENCAS
CORDILLERAS
Anapati Cañete Chancay-Huaral Chicama Chillón
Huaytapallana Central La Viuda Blanca La Viuda Huagoruncho, La Viuda Raura, La Viuda,
Alto Huallaga Huaura
CUENCAS OBTENIDAS 1 1 1 1 1
SUBCUENCAS OBTENIDAS 21 51 24 2 63
MICROCUENCAS OBTENIDAS 11 198 66 5 59
ÁREA (Km2) 1,545.58 6,017.34 3,046.36 4,493.73 2,210.51
1
112
47
30,275.86
1
38
66
4,310.91
42
CUENCAS
CORDILLERAS
Huayhuash Chonta Central Central Chonta, Central, Mantaro La Viuda, Huaytapallana Huagoruncho, La Alto Marañón V Viuda, Raura Moche Blanca Omas Central Páchitea Huagoruncho Pampas Chonta Huallanca, Pativilca Huayhuash, Raura Perené Huaytapallana Pisco Chonta Rímac La Viuda San Juan Chonta Santa Blanca Topara Chonta TOTAL: Ica Lurín Mala
CUENCAS OBTENIDAS
SUBCUENCAS OBTENIDAS
MICROCUENCAS OBTENIDAS
ÁREA (Km2)
1 1 1
21 12 19
8 6 11
7,301.87 1,633.80 2,319.70
1
109
282
34,363.18
1
60
105
21,553.68
1 1 1 1
24 14 19 69
12 1 22 73
2,115.41 1,111.11 28,495.62 23,113.04
1
57
46
4,577.23
1 1 1 1 1 1 23
21 23 21 30 40 8 858
119 22 54 24 311 0 1,548
18,254.15 4,208.74 3,485.35 3,335.43 11,596.51 616.96 21,9982.07
Tabla 8. Numero de cuencas delimitadas por el método Strahler. Fuente: Adaptado de Ramírez et al. (2011).
2.5.5. Caso Ecuador Con el objetivo de mejorar la gestión de los recursos hídricos, en el año 2010 mediante acuerdo nro. 2010-66 de la Secretaría del Agua, se establece delimitar las demarcaciones hidrográficas de Mira, Esmeraldas, Manabí, Guayas, Jubones, Puyango-Catamayo, Napo, Pastaza y Santiago. En total 9 demarcaciones, las mismas que se pueden apreciar en la ilustración 12.
43
Ilustración 12.Demarcaciones hidrográficas del Ecuador. Fuente: Secretaría del Agua (2015).
La Secretaría del Agua (2011) mediante resolución ministerial nro. 2011-245, resuelve en el artículo 1: Aprobar la metodología Pfafstetter y oficializar el mapa de delimitación y codificación de unidades hidrográficas del Ecuador a escala 1: 250,000 hasta el nivel 5, el cual se puede observar en la ilustración 13.
44
Ilustración 13. Mapa de unidades hidrográficas en nivel 5. Fuente: UICN, Secretaría del Agua y CAN (2009).
Según Rosas (2009), la delimitación y codificación en nivel 5 de las unidades hidrográficas del Ecuador a escala 1:250,000, se basó en los principios del método Pfafstetter, considerado un estándar para la obtención de áreas de drenajes. La metodología basó su proceso en el MDE SRTM de 90m de resolución espacial y consideró como etapas principales de la metodología a la generación de cuencas y a la generación vectorial de las unidades hidrográficas. Las tareas definidas para la generación de las cuencas fueron: MDT, optimización del MDT, dirección de flujo, acumulación de flujo, reclasificación de la acumulación, red de drenajes y cuencas. Mientras que para la generación vectorial se consideraron las
45
siguientes actividades: Conversión a polígonos, conversión a líneas y polígonos de unidades hidrográficas. Como resultado del proceso se obtuvieron 734 unidades hidrográficas en nivel 5. La distribución por regiones hidrográficas y niveles se detalla en la tabla 9. REGIÓN HIDROGRÁFICA Región hidrográfica 1 Región hidrográfica Amazona 4 TOTAL:
NIVEL 1 1 1 2
NIVEL 2 3 1 4
NIVEL 3 16 2 18
NIVEL 4 117 6 123
NIVEL 5 711 23 734
Tabla 9. Distribución de las Unidades Hidrográficas en el Ecuador. Fuente: Rosas (2009).
46
3. 3.1.
METODOLOGÍA UBICACIÓN GEOGRÁFICA DEL PROYECTO
La cuenca del río Jubones forma parte de la demarcación hidrográfica de Jubones, la cual se encuentra localizada geográficamente en la zona sur del territorio ecuatoriano. Con una superficie de 431,860.86 ha, abarca parte del territorio de 3 provincias: El Oro con los cantones Machala, El Guabo, Pasaje, Chilla y Zaruma; Loja con el cantón Saraguro; Azuay con Nabón, Girón, San Fernando, Santa Isabel, Oña y Pucará. La ubicación geográfica del proyecto se puede apreciar en la ilustración 14.
Ilustración 14. Ubicación geográfica del proyecto.
47
Las coordenadas métricas WGS84 zona 17 sur, de localización de la cuenca de estudio, se detallan en la tabla 10. ORIENTACIÓN NORTE SUR ESTE OESTE
X 682,099 686,645 730,820 612,048
Y 9,664,777 9,588,782 9,638,668 9,643,330
Tabla 10. Coordenadas de ubicación de la cuenca Jubones
3.2.
CARTOGRAFÍA BASE
La Secretaría del Agua oficializó a través de la resolución ministerial nro. 2011-245, el uso de la información de cuencas hidrográficas hasta el nivel 5, delimitadas con la metodología Pfafstetter (Secretaría del Agua, 2011). El proceso de delimitación de las cuencas tuvo como principal insumo el HydroSHEDS, el cual contiene datos de la dirección de flujo y relieve. La cartografía de las unidades hidrográficas en nivel 5, las demarcaciones hidrográficas y el HydroSHEDS forman parte del banco de información de la demarcación. Otros mapas disponibles son los liberados por el IGM a escala 1:50,000, entre los que se encuentran los temas de ríos simples, ríos dobles, curvas de nivel y puntos acotados, los mismos que se relacionan con la investigación y podrían requerirse durante el desarrollo del proceso.
3.3.
DIAGRAMA DE LA METODOLOGÍA
La metodología a aplicar para la delimitación de las unidades hidrográficas, se esquematiza en el diagrama de la ilustración 15.
48
Ilustración 15. Diagrama de la metodología. Fuente: Adaptado de Rosas (2009).
3.4.
DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA
En los últimos años, se han elaborado varios trabajos relacionados con la delimitación de unidades hidrográficas, destacándose los estudios realizados por Barbosa et al. (2007), Ruiz y Torres (2008), Gomes y Lobão (2009), Rosas (2009), Aguirre (2011), Ramírez et al. (2011), Amancio et al. (2013), Crespo et al. (2013), Pires y Faria (2013) y Walchholz, Bazílio, Costa, Mercante y Vilas (2013), cuyo objetivo fue obtener las áreas de drenaje o captación para varias cuencas hidrográficas, con el fin de mejorar la gestión de los recursos hídricos. Por ejemplo Ramírez et al. (2011), realizaron el proceso para la delimitación de 23 unidades hidrográficas del Perú, utilizando los métodos de Pfafstetter y Strahler. La revisión de los diferentes estudios y resultados, ayudó a definir las fases generales denominadas generación de cuencas hidrográficas, vectorización de las cuencas, codificación y metadatos, consideradas como la base del proceso de delimitación. En la 49
generación de las cuencas, se identifican a las etapas específicas para la obtención de las áreas de drenaje, entre las cuales se encuentran: Obtención de datos SRTM, pre procesamiento del MDE, dirección de flujo, acumulación de flujo, cálculo del umbral, red drenajes y cuencas (Ver Ilustración 15). Para cumplir con el propósito de la investigación, se seleccionó la metodología Pfafstetter utilizada por Crespo et al. (2013), Pires y Faria (2013), los cuales plantean la delimitación y codificación de cuencas, por medio de imágenes obtenidas a través de sensores remotos. La cartografía base sobre la cual surge la necesidad de la subdivisión, oficialmente se generaron bajos los principios del método Pfafstetter (Rosas, 2009). La elección de la normativa metodológica, además se sustenta en la disposición oficial de su uso para la delimitación de unidades hidrográficas del territorio ecuatoriano (Secretaría del Agua, 2011). Para cada método de delimitación de cuencas hidrográficas; Pfafstetter y los basados en la ordenación de drenajes (Horton-Strahler y Shreve) los resultados finales son diferentes, aún si la zona de estudio es la misma (Ramírez et al., 2011). Esto se debe a que los lineamientos o principios que caracterizan a cada metodología, analizan de diferente manera la distribución espacial de los cursos de agua en una unidad hidrográfica. Existe una tendencia hacia la estandarización de las unidades hidrográficas en varios países, al respecto Cabral (2011) manifiesta que el método Pfafstetter es una normativa de codificación de cuencas reconocida a nivel continental. Con la metodología se pueden obtener varios niveles de delimitación, si la escala de la cartografía y resolución espacial del MDE lo permiten, así lo demuestran los resultados obtenidos por Crespo et al. (2013), en el cual se alcanzaron los niveles 1, 2, 3 y 4 para Bolivia. Según Zabala, Masó y Pons (2003), la información geográfica generada sobre el territorio requiere ser documentada utilizando metadatos, con el fin de facilitar su uso y búsqueda. Estas tareas se incorporan como parte del proceso metodológico de la investigación, las cuales se basan en las directrices del Perfil Ecuatoriano del Metadato (PEM) (CONAGE, 2010). Se seleccionaron las herramientas para la generación automática de cuencas hidrográficas basadas en técnicas de SIG, según Alves, Oliveira, Rodrigues y Ayres (2010), en la ejecución de las tareas para la determinación de áreas de captación o unidades 50
hidrográficas, es elemental el aporte de las herramientas de análisis espacial y modelado hidrológico. Estas utilidades basan su ejecución en técnicas de geoprocesamiento (Amancio et al., 2013). Politano, Álvares, Spinelli, Santos y Pereira (2012), mencionan que en el proceso de delimitación de cuencas, es fundamental el orden de ejecución y los resultados de cada una de las siguientes técnicas: Dirección de flujo (Flow direcction), acumulación de flujo (flow accumulation), red de drenajes (stream link) y cuencas (watersheds). Es importante el aporte de los estudios anteriormente señalados, porque contribuyen con la delimitación de las unidades hidrográficas planteada en esta investigación, y con ello al objetivo de lograr una correcta toma de decisiones en la gestión y administración de los recursos hídricos. A continuación se detalla a cada una de las etapas principales, con sus respectivos argumentos y parámetros. 3.4.1. Obtención de datos SRTM (NASA) Los datos SRTM con resolución de 30m, se descargaron desde la página EarthExplorer de la USGS (http://earthexplorer.usgs.gov/). La interfaz gráfica del visor de descarga de datos se puede apreciar ilustración 16.
Ilustración 16. Página de descarga de datos SRTM. Fuente: EarthExplorer (2015).
En el visor de descarga se definieron las coordenadas de la cuenca a delimitar, lo cual permitió descargar únicamente el área requerida. Las coordenadas geográficas establecidas, se estructuran en la tabla 11. 51
ORDEN 1 2 3 4
LATITUD 03°00’00”S 03°00’00”S 03°45’00”S 03°45’00”S
LONGITUD 80°00’00”O 78°54’55”O 78°54’55”O 80°00’00”O
Tabla 11. Coordenadas área de estudio en visor de descarga.
Especificadas las coordenadas en el visor, el siguiente paso consistió en seleccionar el tipo de dato a descargar, lo cual se logró a través de la pestaña Data Sets>Digital Elvation>SRTM>SRTM 1 Arc-Second Global. Los resultados fueron desplegados en la pestaña Results permitiendo la descarga en tres formatos BIL, DTED o GeoTIFF. 3.4.2. Pre procesamiento del MDE La fase de pre procesamiento, está determinada por dos tareas específicas las cuales son: Creación del mosaico de las imágenes SRTM y la exclusión de valores incorrectos presentes en el MDE. Con el mosaico se integran las imágenes en un solo archivo, abarcando el área total de la cuenca de estudio, la utilidad en ArcGIS con la cual se logró este propósito es: Data Management Tools>Raster>Raster Dataset>Mosaic To New Raster. Según Falorni, Teles, Vivoni, Bras y Amaratunga (2005), la topografía del área del terreno influye significativamente sobre la calidad de los datos del modelo de elevación. Es decir que sobre terrenos escarpados o montañosos la incidencia de errores puede ser mayor, por lo cual es esencial corregir las imperfecciones que contenga el MDE. La primera tarea de pre procesamiento del MDE, consiste en corregir la presencia de las zonas sin datos o vacías (“NoData”), los cuales deben rellenarse utilizando métodos de interpolación (Olaya, 2014). Mendes y Cirilo (2001), mencionan que los errores del MDE derivado de los datos SRTM se denominan sumideros. El procedimiento para el llenado de sumideros y la depuración de picos, se muestra gráficamente en la ilustración 17.
52
Ilustración 17. Corrección de errores de tipo sumidero y picos. Fuente: ESRI (2013a).
Torres (2007) manifiesta que la utilización del algoritmo de relleno de sumideros, genera datos digitales de elevación que corrigen las depresiones existentes en el MDE y optimiza el proceso para la generación de direcciones de flujo de agua. Una de las formas de eliminar los valores “NoData”, es utilizando estadísticas focalizadas aplicando el método del vecino próximo, con un radio de celdas vecinas que se determinan en función del área a llenar, sin embargo previamente se deberá reclasificar el raster MDE en dos valores 0 y 1, siendo este último valor el cual representa al número de pixeles “NoData” existentes en el área de interés. El recurso a través del cual se realiza el procedimiento es Spatial Analyst Tools>Map Algebra>Raster Calculator. Mientras que la depuración de picos y sumideros, se obtiene mediante la herramienta Arc Hydro Tools>Terrain Preprocessing>DEM Manipulation>Fill Sinks. La aplicación de técnicas y herramientas en el pre procesamiento, tienen como fin la optimización del MDE, de manera que permita el despliegue lógico y secuencial de los cursos de agua o escorrentía superficial. 3.4.3. Dirección de flujo Esta etapa consiste en crear un mapa raster de las direcciones de flujo. Amancio et al. (2013) sostienen que la dirección de flujo, se determina a partir de las relaciones hidrográficas entre los diferentes puntos del perímetro de la cuenca y considerando las características del terreno. Según Politano et al. (2012), el mapa de dirección de flujo se
53
calcula con base en las celdas vecinas e indica la dirección de caída más pronunciada en función a la pendiente de inclinación. La dirección de flujo en ArcGIS, se obtiene a través del recurso Spatial Analyst>Hidrology>Flow Direction. La ilustración 18, muestra la forma de operación de la herramienta.
Ilustración 18. Forma de operación de la herramienta Flow Direction. Fuente: ESRI (2013b).
En la ilustración anterior, elevation surface es el archivo de entrada del MDE depurado, y flow direction es el archivo resultante de la dirección de flujo. 3.4.4. Acumulación de flujo El mapa de acumulación de flujo se obtiene a partir del mapa de dirección de flujo. Según Walchholz et al. (2013) la acumulación de flujo se refiere a la red hidrográfica, la cual proporciona una nueva matriz con los valores específicos de acumulación de agua de cada pixel. La acumulación de flujo está basada en la cantidad de celdas que fluyen hacia cada celda, donde el valor resultante de un pixel son todos los pixeles que aguas arriba le drenan. La acumulación de flujo en ArcGIS, se obtiene através de la herramienta Spatial Analyst>Hidrology>Flow Accumulation (Amancio et al., 2013). La lógica de funcionamiento de la herramienta flow accumulation, es representada a través de la ilustración 19; donde flow direction es la dirección de flujo y flow accumulation es el resultado de la acumulación de flujo. 54
Ilustración 19. Forma de operación de la herramienta Flow Accumulation. Fuente: ESRI (2013c).
3.4.4.1.
Cálculo del umbral y reclasificación de la acumulación
Según el criterio de Rosas (2009, p.19), el cálculo del umbral “[…]es un procedimiento iterativo de ensayo y error; siendo la manera más sencilla de determinar el umbral de acumulación adecuado para obtener los tributarios necesarios”. La determinación del umbral de acumulación, permite identificar el curso del río principal y los cuatro aportantes, considerando que basta con que aparezca un pixel, para ser considerado como afluente tributario. El cálculo del umbral se efectúa utilizando como base el tema de acumulación de agua. En ArcGIS se lo realiza desde la ventana Layer Properties>Symbology>Classified>Classify, donde se especifica la clasificación en dos rangos o clases, aplicando el método Natural Breaks ‐ Jenks; el primero va de 1 a N valor calculado por la herramienta, y el segundo del N valor al número máximo que alcanza la acumulación de flujo. Es importante manifestar que el valor N, es con el cual se deben realizar los ensayos utilizando la opción Classify>Break Value, donde se modifica el primer valor y se aceptan los cambios realizados. En la visualización, el primer rango es el que no debería aparecer por lo cual se le asignará No Color, mientras que al segundo se le asignará un color a conveniencia. Esta etapa concluye con la generación del tema de reclasificación de la acumulación, el cual almacenará los rangos establecidos del cálculo del umbral y sus clases definidas. Este proceso en ArcGIS se realiza mediante la opción Spatial Analyst Tools>Reclass>Reclassify, 55
donde se establecerán para el primero y segundo rango los valores de 0 y 1 sucesivamente, siendo escencial únicamente el segundo rango, ya que identifica a los cursos de agua principales (UICN Sur y SGCAN, 2010). 3.4.5. Red de drenajes Esta etapa consiste en obtener la red de drenaje categorizada que corresponda a la categoría 1, de la reclasificación de la acumulación de flujo realizado en la fase anterior. Según la UICN Sur y SGCAN (2010), el proceso relacionado con la generación de la red de drenajes, es escencial para la determinación de las unidades de hidrográficas. De Godoy, Schuh y Pereira (2013), manifiestan que la herramienta Stream Link permite asignar los valores a cada tramo de la red de drenajes. En ArcGIS el procedimiento se realiza ejecutando Spatial Analyst Tools>Hydrology>Stream Link. 3.4.6. Generación de cuencas Alves et al. (2010) manifiestan que la delimitación de las cuencas, se cumple procesando los mapas de dirección y acumulación de flujo, donde el área de cada cuenca hidrográfica corresponde a la cantidad de celdas que son procesadas en el MDE. Esto es corroborado por el criterio expuesto de la UICN Sur y la SGCAN en el año 2010, quienes mencionan que para la generación automática de las cuencas hidrográficas, se requiere de la dirección de flujo y la red de cursos de aguas obtenida a partir del mapa de la acumulación de flujo. Según el criterio de Amancio et al. (2013) la generación automática de cuencas en ArcGIS, se obtiene a través del recurso Spatial>Analyst Tools>Hydrology>Watershed. Conforme a lo mencionado en el párrafo anterior, para el proceso se requieren los archivos de la dirección de flujo y de la red de drenaje. 3.4.7. Vectorización de las cuencas La vectorización de las cuencas es el proceso de pasar de formato raster a vector (puntos, líneas o polígonos), con el cual se obtiene el tema final de los polígonos de las unidades hidrográficas delimitadas en formato Shapefile. Según Rosas (2009) la conversión a
56
formato vector de las cuencas delimitadas, es una técnica sencilla que se cumple aplicando el siguiente paso:
Conversión de raster a polígono: El archivo raster de la generación de las cuencas (watersheds) es el insumo requerido para realizar la conversión a polígono. Este procedimiento en ArcGIS se realiza con la herramienta Conversion Tools>From Raster>Raster To Polygon.
3.4.8. Codificación de las cuencas La codificación es un procedimiento jerárquico, el cual consiste en asignar códigos únicos a las cuencas hidrográficas y conforme se incrementan los niveles delimitados, se incrementa el nivel de detalle. Es importante que previo a establecer la codificación se identifique el río principal de cada unidad hidrográfica, para posteriormente codificar las cuencas desde la desembocadura hacia la naciente según criterio de Pfafstetter. Pires y Faria (2013) mencionan que la codificación Pfafstetter se basa en dos principios: La jerarquización de las unidades hidrográficas según el área de drenaje y el reconocimiento previo de la red hidrográfica de las cuatro cuencas principales, a las cuales se les asignan los números pares 2, 4, 6 y 8, mientras que a las intercuencas les corresponden los números impares 1, 3, 5, 7 y 9. En caso que existan cuencas internas se codifican con el número 0. La asignación de los códigos para las cuencas e intercuencas se debe realizar en sentido horario, sobre el tema de polígonos de las unidades hidrográficas resultantes de la vectorización (Pacheco y Silva, 2011). Rosas (2009) señala que el registro de los códigos debe efectuarse sobre la tabla de atributos del tema de polígonos de las cuencas, la cual deberá disponer de los campos necesarios para almacenar los códigos Pfafstetter en los diferentes niveles, así como el nombre y el área. La tabla de atributos puede ser de estructura de tipo relacional o única. Las tablas de tipo relacional restringen la redundancia de datos debido que se encuentran relacionadas por un campo común y su diseño requiere de conocimientos apropiados en base de datos, mientras que en las de estructura única, los campos son creados en la misma tabla y no existen restricciones. 57
En ArcGIS el proceso de codificación se realiza en forma tabular, seleccionando cada unidad hidrográfica y registrando el código en la tabla de atributos.
3.4.9. Registro de los metadatos Según Callejo y Poveda (2009), el término metadatos hace referencia al conjunto estructurado de datos, que describen a otros datos y a su estructura interna, cuyo objetivo es que la información que representan sea entendida, compartida y explotada de manera eficaz por todo tipo de usuarios que requieran su uso. Maganto, Iso y Ballari (2008), argumentan que los metadatos se están convirtiendo en una herramienta familiar para aquellas personas que trabajan con información espacial, por lo cual con el fin de definir una estructura que sirva para describir los datos geográficos, se creó la norma internacional ISO 19115 - Geographic Information Metadata (ISO, 2003). La norma 19115 se utilizó en la definición del documento del PEM del CONAGE (2010). En el registro del metadato las principales secciones que describen al archivo vectorial de unidades hidrográficas en nivel 6 fueron: Información del metadato, identificación, restricciones, calidad de los datos, mantenimiento, representación espacial, sistema de referencia, contenido, catálogo de presentación, distribución, extensión del metadato y modelo de aplicación.
58
4.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta sección se presentan y discuten, los resultados obtenidos en función a la metodología de delimitación aplicada.
4.1.
RESULTADOS
4.1.1. Obtención de datos SRTM (NASA) En la ilustración 20 se visualizan los rasters obtenidos de la base de datos de la NASA, en formato GeoTIFF a 30m de resolución espacial.
Ilustración 20. Resultados en el visor de descarga.
Se descargaron 3 imágenes de las cuales se utilizaron 2 en la siguiente etapa.
4.1.2. Pre procesamiento del MDE El mosaico de imágenes del área de la cuenca en estudio, se obtuvo a partir de 2 de las 3 imágenes descargadas, donde una de ellas abarcó casi la totalidad del territorio. En la ilustración 21, se muestra el MDE optimizado con la eliminación de valores “NoData”, picos y sumideros.
59
Ilustraci贸n 21. Pre procesamiento del MDE.
60
4.1.3. Dirección de Flujo En la Ilustración 22, se puede apreciar el mapa de dirección de flujo de la cuenca del río Jubones. Cada celda contiene el valor de dirección hacia su vecino con máxima pendiente. La dirección de flujo se generó, a partir del MDE optimizado en el proceso anterior.
Ilustración 22. Dirección de flujo.
61
4.1.4. Acumulación de Flujo En la ilustración 23, se puede apreciar el raster con la clasificación
de
la
acumulación de flujo alta, media y baja, generado a partir de la dirección de flujo.
Ilustración 23. Acumulación de flujo
62
Cálculo del umbral y reclasificación de la acumulación Después de un proceso de iteración, se obtuvieron los umbrales
que
se
pueden
apreciar en la tabla 12, los cuales definen los drenajes correspondientes
a
las
unidades hidrográficas del nivel 5. UNIDAD HIDROGRÁFICA
4.1.4.1.
13942 13943 13944 13945 13946 13947 13948 13949
Ilustración 24. Resultado del cálculo del umbral.
UMBRAL DE CLASIFICACIÓN 8,700 35,500 24,000 29,000 111,560.3 9,680 35,598 35,000
Tabla 12. Umbral de clasificación.
63
4.1.5. Red de drenajes En la ilustración 25, se puede apreciar el mapa de la red de drenajes, que identifica el flujo principal y los cuatro afluentes importantes
de
las
unidades
hidrográficas nivel 5. Los drenajes enumerados
con
identifican
a
dígitos las
pares,
unidades
hidrográficas en nivel 6 tipo cuenca.
Ilustración 25. Red de drenajes.
64
4.1.6. Generación de cuencas En
la
ilustración
26,
se
estructura el mapa de las unidades
hidrográficas
obtenidas en nivel 6 de la cuenca del río Jubones. Para la unidad hidrográfica 13941, por las características topográficas de terreno plano o de baja altitud
no
se
obtuvieron
resultados, por lo cual las siguientes
etapas
tampoco
fueron ejecutadas para esta cuenca, también denominada desembocadura
o
drenajes
menores.
Ilustración 26. Cuencas generadas.
65
4.1.7. Vectorización de las cuencas La ilustración 27 muestra el mapa de las cuencas vectorizadas en nivel 6, de la cuenca del río Jubones. Como resultado se obtuvo el archivo formato ESRI Shapefile (SHP), el cual contiene
los
definitivos
polígonos de
delimitación, donde corresponden
a
cuenca
40
y
la 32 tipo a
intercuencas. El sistema de referencia del archivo es datum WGS84 zona 17 sur. Ilustración 27. Cuencas vectorizadas.
66
4.1.8. Codificación de las cuencas Para registrar la codificación y los datos temáticos en el archivo vectorial de las unidades hidrográficas delimitadas, se definieron los atributos cuenca, nivel 6, nombre 6, tipo, área km2 y área ha. Los resultados de la codificación correspondientes a cada unidad hidrográfica en nivel 6, se describen a continuación:
Unidad Hidrográfica 13942
En la delimitación de la unidad 13942, se obtuvieron 9 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los códigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139421, 139422, 139423, 139424, 139425, 139426, 139427, 139428 y 139429. La codificación de las unidades hidrográficas en nivel 6, se establecieron en función al código 13942 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 13. CUENCA
Unidad Hidrográfica 13942
NIVEL 6 139421 139422 139423 139424 139425 139426 139427 139428 139429
NOMBRE 6 Unidad hidrográfica 139421 Unidad hidrográfica 139422 Unidad hidrográfica 139423 Unidad hidrográfica 139424 Unidad hidrográfica 139425 Unidad hidrográfica 139426 Unidad hidrográfica 139427 Unidad hidrográfica 139428 Unidad hidrográfica 139429
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
ÁREA Km2 16.54 22.90 18.29 8.65 6.83 15.02 1.36 8.26 23.73
ÁREA Ha. 1,654.24 2,290.32 1,829.69 865.99 683.65 1,502.21 136.10 826.54 2,373.45
Tabla 13. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13942.
Con los polígonos vectoriales de la unidad hidrográfica 13942, se elaboró el mapa de cuencas en nivel 6 representado en la ilustración 28, en el cual gráficamente se puede apreciar la secuencia de la codificación definida para cada unidad hidrográfica delimitada, así como identificar a las unidades tipo cuenca e intercuenca, con base en lo detallado en la tabla 13.
67
Ilustraciรณn 28. Codificaciรณn nivel 6 unidad hidrogrรกfica 13942.
๏ ง
Unidad Hidrogrรกfica 13943
La intercuenca 13943 arrojรณ como resultado 9 unidades hidrogrรกficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los cรณdigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139431, 139432, 139433, 139434, 139435, 139436, 139437, 139438 y 139439. La codificaciรณn de las unidades hidrogrรกficas en nivel 6, se establecieron en funciรณn al cรณdigo 13943 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 14.
68
CUENCA
Unidad Hidrográfica 13943
NIVEL 6 139431 139432 139433 139434 139435 139436 139437 139438 139439
NOMBRE 6 Unidad Hidrográfica 139431 Unidad Hidrográfica 139432 Unidad Hidrográfica 139433 Unidad Hidrográfica 139434 Unidad Hidrográfica 139435 Unidad Hidrográfica 139436 Unidad Hidrográfica 139437 Unidad Hidrográfica 139438 Unidad Hidrográfica 139439
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
ÁREA Km2 37.30 36.26 19.02 34.68 18.09 137.51 56.55 181.97 95.32
ÁREA Ha. 3,730.32 3,625.78 1,901.65 3,467.67 1,808.85 13,751.07 5,654.89 18,196.89 9,532.38
Tabla 14. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13943.
Se elaboró el mapa de cuencas en nivel 6, utilizando los polígonos vectoriales de la unidad hidrográfica 13943, el cual se representa en la ilustración 29. En el mapa se puede apreciar gráficamente la secuencia de la codificación establecida para cada unidad hidrográfica delimitada, así como identificar a las unidades tipo cuenca e intercuenca, con base en lo detallado en la tabla 14.
Ilustración 29. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13943.
69
Unidad Hidrográfica 13944
En la delimitación de la cuenca 13944, se obtuvieron 9 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los códigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139441, 139442, 139443, 139444, 139445, 139446, 139447, 139448 y 139449. La codificación de las unidades hidrográficas en nivel 6, se establecieron en función al código 13944 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 15. CUENCA
Unidad Hidrográfica 13944
NIVEL 6 139441 139442 139443 139444 139445 139446 139447 139448 139449
NOMBRE 6 Unidad Hidrográfica 139441 Unidad Hidrográfica 139442 Unidad Hidrográfica 139443 Unidad Hidrográfica 139444 Unidad Hidrográfica 139445 Unidad Hidrográfica 139446 Unidad Hidrográfica 139447 Unidad Hidrográfica 139448 Unidad Hidrográfica 139449
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
ÁREA Km2 77.51 56.01 26.67 23.69 4.20 28.06 25.27 37.93 82.14
ÁREA Ha. 7,751.22 5,600.94 2,667.08 2,368.76 419.71 2,806.34 2,527.32 3,793.48 8,213.74
Tabla 15. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13944.
Con los polígonos vectoriales de la cuenca 13944, se elaboró el mapa de cuencas en nivel 6, el cual se puede apreciar en la ilustración 30. En el mapa se representa gráficamente la secuencia de la codificación establecida para cada unidad hidrográfica delimitada, y a su vez se identifica a las unidades tipo cuenca e intercuenca, con base en lo detallado en la tabla 15.
70
Ilustraciรณn 30. Codificaciรณn nivel 6 unidad hidrogrรกfica 13944.
๏ ง
Unidad Hidrogrรกfica 13945
En la delimitaciรณn de la unidad 13945, se obtuvieron 9 unidades hidrogrรกficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los cรณdigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139451, 139452, 139453, 139454, 139455, 139456, 139457, 139458 y 139459. La codificaciรณn en nivel 6, se estableciรณ en funciรณn al cรณdigo 13945 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 16. CUENCA
Unidad Hidrogrรกfica 13945
NIVEL 6 139451 139452 139453 139454 139455 139456 139457 139458 139459
NOMBRE 6 Unidad Hidrogrรกfica 139451 Unidad Hidrogrรกfica 139452 Unidad Hidrogrรกfica 139453 Unidad Hidrogrรกfica 139454 Unidad Hidrogrรกfica 139455 Unidad Hidrogrรกfica 139456 Unidad Hidrogrรกfica 139457 Unidad Hidrogrรกfica 139458 Unidad Hidrogrรกfica 139459
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
ร REA Km2 10.58 126.24 19.35 27.62 33.14 107.81 0.13 252.87 40.26
ร REA Ha. 1,057.56 12,623.61 1,934.66 2,761.88 3,313.56 10,781.11 13.04 25,287.38 4,026.49
Tabla 16. Datos de codificaciรณn en nivel 6 unidad hidrogrรกfica 13945.
71
Utilizando los polígonos vectoriales de la unidad hidrográfica 13945, se elaboró el mapa de unidades hidrográficas en nivel 6, el cual se representa en la ilustración 31. En el mapa se puede apreciar gráficamente la secuencia de la codificación establecida para cada unidad hidrográfica, así como identificar a las unidades tipo cuenca e intercuenca, con base en lo detallado en la tabla 16.
Ilustración 31. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13945.
Unidad Hidrográfica 13946
La delimitación de la cuenca 13946, arrojó como resultado 9 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los códigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139461, 139462, 139463, 139464, 139465, 139466, 139467, 139468 y 139469. La codificación de las unidades hidrográficas en nivel 6, se establecieron en función al código 13946 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 17. 72
CUENCA
Unidad Hidrogrรกfica 13946
NIVEL 6 139461 139462 139463 139464 139465 139466 139467 139468 139469
NOMBRE 6 Unidad Hidrogrรกfica 139461 Unidad Hidrogrรกfica 139462 Unidad Hidrogrรกfica 139463 Unidad Hidrogrรกfica 139464 Unidad Hidrogrรกfica 139465 Unidad Hidrogrรกfica 139466 Unidad Hidrogrรกfica 139467 Unidad Hidrogrรกfica 139468 Unidad Hidrogrรกfica 139469
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
ร REA Km2 48.82 113.20 7.22 115.42 47.24 183.36 0.78 146.47 166.80
ร REA Ha. 4,882.06 11,320.49 722.20 11,541.53 4,724.40 18,336.02 77.67 14,646.82 16,680.34
Tabla 17. Datos de codificaciรณn en nivel 6 unidad hidrogrรกfica 13946.
La codificaciรณn en nivel 6, establecida para las cuencas delimitadas de la unidad hidrogrรกfica 13946, se representa grรกficamente en la ilustraciรณn 32. En el mapa se pueden identificar a las unidades tipo cuenca e intercuenca, asรญ como grรกficamente apreciar la codificaciรณn definida para cada unidad hidrogrรกfica, con base en lo detallado en la tabla 17.
Ilustraciรณn 32. Codificaciรณn nivel 6 unidad hidrogrรกfica 13946.
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Unidad Hidrográfica 13947
La delimitación de la intercuenca 13947, arrojó como resultado 9 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los códigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139471, 139472, 139473, 139474, 139475, 139476, 139477, 139478 y 139479. La codificación de las unidades hidrográficas en nivel 6, se establecieron en función al código 13947 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 18. CUENCA
Unidad Hidrográfica 13947
NIVEL 6 139471 139472 139473 139474 139475 139476 139477 139478 139479
NOMBRE 6 Unidad Hidrográfica139471 Unidad Hidrográfica139472 Unidad Hidrográfica139473 Unidad Hidrográfica139474 Unidad Hidrográfica139475 Unidad Hidrográfica139476 Unidad Hidrográfica139477 Unidad Hidrográfica139478 Unidad Hidrográfica139479
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
ÁREA Km2 13.50 13.06 3.86 48.59 17.77 9.29 34.77 18.16 3.50
ÁREA Ha. 1,349.56 1,305.92 385.92 4,858.65 1,776.93 928.77 3,477.00 1,815.55 349.58
Tabla 18. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13947.
Se elaboró el mapa en nivel 6, utilizando los polígonos vectoriales de la unidad hidrográfica 13947, el cual se representa en la ilustración 33. En el mapa se puede apreciar gráficamente la secuencia de la codificación establecida para cada unidad hidrográfica delimitada, así como identificar a las unidades tipo cuenca e intercuenca, con base en lo especificado en la tabla 18.
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Ilustración 33. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13947.
Unidad Hidrográfica 13948
En la delimitación de la unidad 13948, se obtuvieron 9 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los códigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139481, 139482, 139483, 139484, 139485, 139486, 139487, 139488 y 139489. La codificación en nivel 6, se estableció en función al código 13948 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 19. CUENCA
Unidad Hidrográfica 13948
NIVEL 6 139481 139482 139483 139484 139485 139486 139487 139488 139489
NOMBRE 6 Unidad Hidrográfica 139481 Unidad Hidrográfica 139482 Unidad Hidrográfica 139483 Unidad Hidrográfica 139484 Unidad Hidrográfica 139485 Unidad Hidrográfica 139486 Unidad Hidrográfica 139487 Unidad Hidrográfica 139488 Unidad Hidrográfica 139489
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
AREA Km2 8.15 268.16 21.06 34.84 50.11 34.07 3.89 58.21 64.25
AREA Ha. 814.97 26,815.92 2,105.80 3,483.52 5,011.33 3,406.86 389.26 5,821.13 6,425.00
Tabla 19. Datos de codificación en nivel 6 unidad hidrográfica 13948.
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La codificación en nivel 6, establecida para las cuencas delimitadas de la unidad hidrográfica 13948, se representa gráficamente en la ilustración 34. En el mapa se puede apreciar gráficamente la codificación definida para cada unidad hidrográfica, así como identificar a las unidades tipo cuenca e intercuenca, con base en lo detallado en la tabla 19.
Ilustración 34. Codificación nivel 6 unidad hidrográfica 13948.
Unidad Hidrográfica 13949
En la delimitación de la unidad 13949, se obtuvieron 9 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 4 corresponden a tipo cuenca y 5 a intercuenca. Los códigos asignados a las nuevas unidades delimitadas son: 139491, 139492, 139493, 139494, 139495, 139496, 139497, 139498 y 139499. La codificación de las unidades hidrográficas en nivel 6, se establecieron en función al código 13949 del nivel 5, lo cual se puede apreciar de forma detallada en la tabla 20. 76
CUENCA
Unidad Hidrogrรกfica 13949
NIVEL 6 139491 139492 139493 139494 139495 139496 139497 139498 139499
NOMBRE 6 Unidad Hidrogrรกfica 139491 Unidad Hidrogrรกfica 139492 Unidad Hidrogrรกfica 139493 Unidad Hidrogrรกfica 139494 Unidad Hidrogrรกfica 139495 Unidad Hidrogrรกfica 139496 Unidad Hidrogrรกfica 139497 Unidad Hidrogrรกfica 139498 Unidad Hidrogrรกfica 139499
TIPO Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca Cuenca Intercuenca
ร REA Km2 100.27 123.19 31.19 198.08 6.24 34.05 13.43 97.39 216.98
ร REA Ha. 10,027.44 12,319.18 3,118.92 19,808.00 624.46 3,404.94 1,343.36 9,739.23 21,698.48
Tabla 20. Datos de codificaciรณn en nivel 6 unidad hidrogrรกfica 13949.
La codificaciรณn en nivel 6, establecida para las cuencas delimitadas de la unidad hidrogrรกfica 13949, se representa grรกficamente en la ilustraciรณn 35. En el mapa se pueden identificar a las unidades tipo cuenca e intercuenca, asรญ como grรกficamente apreciar la codificaciรณn definida para cada unidad hidrogrรกfica, con base en lo detallado en la tabla 20.
Ilustraciรณn 35. Codificaciรณn nivel 6 unidad hidrogrรกfica 13949.
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Metadato del archivo vectorial de las cuencas delimitadas
En la ilustración 36 se muestran los metadatos del archivo vectorial de cuencas, registrados siguiendo las directrices del manual de gestión del metadato de la Secretaría del Agua (2013) y del documento del PEM. En el shapefile de cuencas se almacenaron los metadatos de información vectorial, de acuerdo con las siguientes secciones: Información del metadato, identificación, restricciones, calidad de los datos, mantenimiento, representación espacial, sistema de referencia, contenido, catálogo de presentación, distribución, extensión del metadato y modelo de aplicación.
Ilustración 36. Metadatos del archivo vectorial de unidades hidrográficas.
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4.2.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se realiza el análisis de los resultados, en función al cumplimiento de cada etapa especificada en la metodología. 4.2.1. Obtención de los datos El éxito del desarrollo de un proyecto de investigación depende de la disponibilidad y calidad de los datos. Considerando este aspecto, en la etapa de obtención de los datos se obtuvo como resultado el MDE de 30m de resolución espacial, sin embargo en las escenas capturadas del área requerida de la cuenca del río Jubones existieron errores de fuente, ya sea por las características topográficas de alta montaña, densa cobertura vegetal o cuerpos de agua, lo cual generó celdas con valores “NoData”, picos o sumideros. El SRTM de 30m por pixel, es importante para el desarrollo de los trabajos que requieren la representación de los datos altimétricos de forma digital y a detalle, es decir ofrecen mayor consistencia, en relación con la reconstrucción del MDE de 30m, desde un MDE SRTM de 90m aplicando métodos de interpolación (Keeratikasikorn y Trisirisatayawong, 2008). La utilización del MDE SRTM de la NASA, descarta el proceso relacionado con la generación de un MDE a partir de la cartografía de curvas de nivel, las cuales para su uso requieren de la revisión minuciosa para corregir los errores topológicos. En la delimitación de microcuencas realizada por la UDA, Jatun Sacha y UNL (2002), se realizó el proceso sobre las curvas de nivel a escala 1:250,000, generada a partir de cartas topográficas. El aporte de los datos altimétricos obtenidos por sensores remotos, representan un ahorro de tiempo significativo en el proceso de delimitación de cuencas hidrográficas. El MDE SRTM cumple con las características requeridas para delimitación de las unidades hidrográficas en nivel 6, es decir la resolución espacial de 30m por pixel, ofrece mayor detalle del terreno lo cual favorece la delimitación propuesta en éste estudio, a diferencia del MDE de 90m por celda utilizado en las delimitaciones hasta el nivel 5. 79
4.2.2. Pre procesamiento del MDE En el área de la cuenca de estudio existieron 30,871 pixeles sin valor o también denominados “NoData”, los cuales se corrigieron utilizando algoritmos de interpolación del vecino próximo, con estadísticas focalizadas empleando el algebra de mapas de ArcGIS. Para corregir estos errores presentes en el MDE, fue importante el análisis del valor de número de celdas vecinas a considerar como radio de acción, el cual se estimó en función al tamaño del área a corregir y la distribución espacial de las zonas vacías. Las zonas vacías estuvieron dispersamente distribuidas sobre la superficie, por lo cual el numero de celdas de vencidad establecidas para el llenado de valores “NoData” fue de 10. Posteriormente se corrigieron los picos y sumideros originados de fuente, a través de la herramienta Fill Sinks de ArcHydro, la ejecución de esta tarea garantizó la depuración completa del MDE, con lo cual se evitan las direcciones de flujo indefinidas y valores erróneos en la suma de la acumulación de flujo. Otras herramientas software propuestas por Dos Santos (2006), para la corrección de datos SRTM en ambientes computacionales son BlackArt y SrtmFill, ambas permiten completar las celdas vacías en el modelo, sin embargo su forma de operación es independiente a ArcGIS. Las dos estapas ejecutadas denominadas obtención de los datos y pre procesamiento, arrojaron resultados exitosos sirviendo de base para el desarrollo de las siguientes etapas del proceso. 4.2.3. Dirección de Flujo y Acumulación de Flujo Se obtuvo la dirección de flujo a partir del MDE optimizado, cuyo resultado fue un raster con valores enteros que varían de 1 a 128, los códigos asignados se basan en la dirección del gradiente con respecto a la elevación de las celdas vecinas, sobre el cual fue generado el mapa de acumulación de flujo. Con la acumulación de flujo se establecen las celdas que drenan hacia otra celda, la cual almacena el valor de la acumulación y se sitúa aguas abajo, permitiendo determinar la 80
cantidad de agua que recibe específicamente. Las celdas con mayor acumulación de flujo son las que identifican a los ríos principales de la cuenca. 4.2.3.1.
Cálculo del umbral y reclasificación de la acumulación
El cálculo del umbral se realizó en función a la acumulación de flujo, donde los rangos establecidos para las dos clases correspondientes a cada unidad hidrográfica del nivel 5, permitieron identificar el segmento o río principal de la cuenca y sus 4 tributarios principales. Esto se logró a través del procedimiento que consistió en buscar el valor del umbral apropiado, considerando que sí el valor es muy bajo o alto, en el raster aparecen cursos de agua no deseados que afectan al desempeño del método Pfafstetter. Para las unidades hidrográficas en nivel 5, los valores del umbral de acumulación establecidos son diferentes. A la cuenca 13942 le corresponde el valor de 8,700 considerado el más bajo y a la 13946 el más alto 111,560.3. Las dos unidades de drenaje son consideradas de tipo cuenca. Los valores determinados como umbral de acumulación, para cada unidad hidrográfica son proporcionales al área de captación. En total fueron necesarias 16 clases para obtener el umbral de acumulación de la cuenca estudiada. Aunque por cada unidad hidrográfica se definieron 2 clases, el tema de reclasificación creado a partir del resultado del cálculo del umbral, considera únicamente el rango definido para la segunda clase, puesto que almacena los valores del flujo de acumulación correspondientes al río principal y sus 4 aportantes. El resultado de esta etapa fue el tema obtenido de la reclasificación de la acumulación para las unidades hidrográficas 13942, 13943, 13944, 13945, 13946, 13947, 13948 y 13949. Para la unidad hidrográfica 13941 por las características topográficas de terreno plano, o de baja altitud no se obtuvieron resultados, por lo cual las siguientes etapas tampoco fueron ejecutadas para esta cuenca, también denominada desembocadura o drenajes menores. Es importante mencionar que del resultado obtenido en esta fase, depende la obtención correcta de la red de drenajes y la generación de las unidades hidrográficas.
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4.2.4. Red de drenajes La generación de la red de drenajes, depende de la correcta determinación de los umbrales de acumulación. Con el resultado de esta etapa, se logró determinar los segmentos correspondientes a las 9 unidades hidrográficas del nivel 6, de cada cuenca nivel 5, a los cuales el procedimiento automático les asignó un únido identificador. El número total es de 72 segmentos, equivalentes a igual número de áreas de drenaje, considerando que son 8 las unidades hidrográficas correspondientes al nivel 5, las cuales se especificaron en la etapa anterior. 4.2.5. Generación y vectorización de las cuencas La generación de las unidades hidrográficas es un proceso automático, el cual necesitó la dirección de flujo y la red de drenajes. Se generaron las microcuencas para las 8 unidades hidrográficas en nivel 5, teniéndose como resultado un archivo raster con las 72 unidades hidrográficas correspondientes al nivel 6, el cual fue utilizado para el proceso de vectorización. En el proceso de vectorización se convirtió el archivo raster a polígonos vectoriales shapefile, con la finalidad de facilitar la visualización de las características de las unidades hidrográficas en nivel 6 y aprovechar las funcionalidades de los SIG en edición y presentación de mapas temáticos. El archivo vectorial de las áreas de captación, recoge las geometrías resultantes del proceso de generación raster de las cuencas hidrográficas, por lo cual la correcta aplicación de técnicas de edición y conversión, son fundamentales para la representación adecuada de los resultados. 4.2.6. Codificación de las cuencas El proceso de codificación se inició agregando atributos a la estructura de la tabla del archivo de cuencas en formato shapefile, se crearon los campos NIVEL 6, NOMBRE 6, AREA Km2, AREA Ha, los cuales permitieron ingresar los datos y realizar los cálculos para cada unidad hidrográfica.
82
Los resultados de la codificación del nivel 6, fueron presentados individualmente para cada unidad hidrográfica delimitada correspondiente al nivel 5, logrando presentar el contenido adecuadamente y evitando que las etiquetas se sobrepongan en las unidades hidrográficas más pequeñas, para tal efecto se utilizaron consultas en ArcGIS. A partir de las consideraciones antes mencionadas, se empezó a codificar las cuencas. El estándar de codificación se mantiene en las unidades hidrográficas delimitadas de la cuenca del río Jubones, es decir que para cada unidad hidrográfica fueron generados 9 códigos. La unidad hidrográfica 13942 se codificó de la siguiente manera: 139421, 139422, 139423, 139424, 139425, 139426, 139427, 139428 y 139429; de igual forma se codificó el resto unidades de drenaje delimitadas, como resultado se obtuvo un total de 72 códigos generados en nivel 6, de los cuales 40 corresponden a intercuencas y 32 a cuencas. Las unidades hidrográficas codificadas como tipo cuenca, son las que desembocan al río principal con la mayor área de drenaje. Existen casos en que el área de las intercuencas, resultan ser mayores que de las consideradas cuencas. Sin embargo la diferencia radica en que las intercuencas, son zonas de tránsito del cauce principal y que no existe un único punto de drenaje común, sino varios como es el caso de la unidad 139423, perteneciente a la cuenca 13942: Ver ilustración 28. Con la codificación, se logra identificar el nivel al que corresponde la unidad hidrográfica, con tan solo revisar el número de digitos del código, cumpliéndose el principio fundamental de la metodología: La asignación de códigos únicos a cada unidad hidrográfica. Sin embargo la designación del nombre de la cuenca es escencial, puesto que los usuarios del entorno se familiarizan rápidamente con él. Las unidades hidrográficas codificadas con la metodología Pfafstetter, permiten continuar con el estándar de delimitación de cuencas establecido para la región de Sudamérica por la UICN y la CAN (2008), así como a nivel de divisiones hidrográficas de la Secretaría del Agua. La propuesta del CNRH (2002), definió los códigos de las cuencas en función a los sistemas hidrográficos, como resultado la codificación de las cuencas y subcuencas correspondían únicamente al Ecuador, mientras que las unidades hidrográficas 83
codificadas en nivel 6, pueden ser reconocida a nivel local y en los países donde el uso del método se ha oficializado. En el caso de la unidad hidrográfica 13941, que no fue subdividida, mantiene el mismo código nivel 5 en el nivel 6, esta particularidad indica que el área de captación no puede ser delimitada en niveles superiores al 5. 4.2.7. Metadatos del archivo vectorial de las cuencas delimitadas Los metadatos fueron registrados tomando como referencia la norma 19115 de ISO(2003), utilizada en el documento del PEM del CONAGE (2010) y en el manual de gestión del metadato de la Secretaría del Agua (2013), el cual también rige para la demarcación de Jubones. En los aportes realizados por Rosas (2009), Politano et al. (2012), Pires y Faria (2013), las metodologías de trabajo carecen de directrices para la catalogación de la información geográfica y se centran exclusivamente en la obtención de las cuencas hidrográficas, por lo cual considerando que el producto final es la generación de nueva cartografía y que se debe garantizar su uso efectivo, se incluye como parte del método aplicado a la subdivisión de unidades hidrográficas, el registro de metadatos en el archivo vectorial. Es importante crear los metadatos de los archivos, ya que permiten el acceso, uso, localización, distribución y transferencia de la información geográfica, haciendo factible el aprovechamiento eficaz de los datos a nivel institucional y de otras entidades o usuarios que requieran trabajar con la información de las cuencas delimitadas. 4.2.8. Evaluación de la metodología Las metodologías se han fortalecido con el avance de los SIG, por ejemplo esta investigación de delimitación de cuencas hidrográficas, si se hubiera realizado manualmente los tiempos de duración del proceso fueran mayores, con la alta probabilidad de que en los resultados se presenten errores. Por lo cual, con base en un análisis crítico de métodos y aportes de Rosas (2009), Elesbon et al. (2011), Pires y Faria (2013) y Crespo et al. (2013), fue seleccionada la normativa Pfafstetter para éste estudio, además se valoró un elemento fundamental del método: El criterio de unidad
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hidrográfica. La naturaleza de la cuenca sobrepasa los criterios de límites políticos internos o internacionales. La ejecución de la metodología está condicionada a la cantidad de afluentes de la unidad hidrográfica, lo cual es corroborado por Crespo et al. (2013), quienes mencionan que la aplicación del método requiere, que en el área de captación existan como mínimo 4 afluentes. En este último caso, la estandarización propuesta por la normativa Pfafstetter se interrumpe, surgiendo la alternativa de incorporar otras metodologías si el trabajo y la gestión de los recursos hídricos lo demandan. Para esta investigación bastó el uso de la normativa escogida. La metodología aplicada para éste trabajo, se basa en la topografía del área drenada y en la dirección de conectividad de la red de drenajes. La estandarización de las unidades hidrográficas es una característica particular del método Pfafstetter, así lo corroboran las investigaciones mencionadas anteriormente. Las delimitaciones realizadas a nivel de país y en la región de Sudamérica con la metodología Pfafstetter, utilizaron como fuente de datos el SRTM de 90m. Con el estudio realizado por la UICN, Secretaría del Agua y CAN (2009), se obtuvo para el Ecuador la delimitación hasta el nivel 5. No se continúo incrementando los niveles debido a que la resolución del MDE no era óptima, es decir los resultados del proceso metodológico dependen de la calidad de los datos obtenidos. Las etapas del procedimiento de delimitación, se pusieron a prueba utilizando el MDE de 30m de resolución espacial y el nivel 5 de la cuenca del río Jubones. El desempeño metodológico, permitió obtener los resultados esperados donde la topografía de terreno fue favorable, con lo cual se cumple con una característica escencial de la normativa; la subdivisión hasta N niveles. En las áreas de captación de baja altitud, consideradas desembocaduras o drenajes menores; el método no es funcional, concretamente se experimenta esta situación en la unidad 13941 del nivel 5. Por lo tanto, de las 9 unidades de drenaje base del proceso; 8 fueron subdivididas. Los resultados de éste trabajo en total arrojaron 72 nuevas áreas de captación, con lo cual se continúa con la estandarización propuesta por Pfafstetter, en las unidades 85
hidrográficas de la demarcación. Esta subdivisión obtenida sobre la superficie de estudio, propone mejores alternativas para la gestión de los recursos hídricos, donde las microcuencas son unidades territoriales de análisis a mayor detalle, que permiten evaluar el comportamiento de los elementos naturales o antrópicos. Existe una notable diferencia con las 9 áreas de captación en nivel 5, correspondientes a la cuenca del río Jubones, derivadas del estudio realizado por la UICN, Secretaría del Agua y CAN (2009). El trabajo realizado por la UDA et al. (2002), se basó en técnicas de modelado hidrológico empleando la herramienta de ESRI ArcView 8.2, con la cual se delimitaron las microcuencas de la cuenca del río Jubones, a partir del MDT y curvas de nivel a escala 1:250,000, obteniéndose 85 polígonos correspondientes a las unidades de drenaje. Comparando con los resultados de esta investigación, se observan los siguientes aspectos: El área correspondiente a la unidad 13942 no fue subdividida; la delimitación se basó en función a los puntos de descarga del caudal de las áreas de captación, por lo cual las zonas de drenaje de transito del río principal no están delimitadas; los métodos estaban definidos para el Ecuador; la calidad de las microcuencas resultantes dependía de la escala de la información disponible localmente en ese entonces. Similar escenario se presenta para la propuesta de cuencas y subcuencas del CNRH (2002), mientras que en la delimitación realizada por Ramírez et al. (2011), se utilizaron para la misma zona de estudio, las directrices de los metodos de Pfafstetter y el de órdenes de corrientes de Strahler, donde cada caso presenta diferentes resultados. Las directrices de la normativa Pfafstetter, en relación con los lineamientos de los métodos de ordenación de cursos de agua son diferentes, por lo tanto el análisis de las relaciones hídricas de los afluentes superficiales varía para cada metodología. Las áreas de captación y la codificación resultante de la subdivisón de la cuenca del río Jubones, se obtuvieron mediante un procedimiento semejante al utilizado por Ramírez et al. (2011), con el cual obtuvo el nivel 6 para varias unidades hidrográficas, aunque las zonas de estudio son diferentes los principos del método Pfafstetter se conservan. El nivel de delimitación alcanzado con método, es análogo a la denominación de microcuencas, sin embargo esta consideración se establece en función al tamaño del área de drenaje a delimitarse. Esto indica que probablemente para otras regiones hidrográficas 86
del Ecuador, el nivel 6 corresponda a otras nominaciones (cuenca, subcuenca) o se conserve. Ante ésta situación, el método Pfafstetter propone la subdivisión por niveles de las áreas de captación. La metodología utilizada cubrió las espectativas planteadas sobre la delimitación de la cuenca del río Jubones, ya que se cumplió satisfactoriamente con los lineamientos definidos en su estructura, considerando que los productos obtenidos en cada etapa del proceso, permitieron disponer de un indicador con el cual se evaluó sistemáticamente. En su ágil desempeño mucho aportó al éxito los avances relacionados con el software SIG y la información del MDE de la NASA. Sobre el software ArcGIS se ejecutaron casi todas las etapas de la metodología, a excepción de la denominada obtención de datos, ratificándose las potencialidades de la herramienta y su contribución significativa al método. Sin embargo, los avances del software libre ofrecen herramientas similares a las utilizadas en esta investigación, lo cual propone un escenario interesante de evaluación funcional de la normativa Pfafstetter. Es importante el aporte de la metodología no sólo en los resultados, sino en que los modelos de datos utilizados, fueron unificados para la determinación de las unidades hidrográficas de los países donde se oficializó el método, con lo cual se garantiza la interoperatividad de las cuencas vecinas o transfronterizas, haciendo factible la realización de nuevas investigaciones, que van más allá de los límites políticos de las naciones. En los aportes de Amancio et al. (2013) y De Godoy et al. (2013), se estructura el proceso de delimitación de unidades hidrográficas, utilizando herramientas de geoprocesamiento similares a las utilizadas en este estudio, sin embargo la diferencia radica en que el método Pfafstetter, aporta los lineamientos para el seguimiento y control sobre los recursos tecnológicos, utilizados en la determinación de las áreas de drenaje.
87
5. 5.1.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES
Los métodos de órdenes de corrientes Horton-Strahler y Shreve, permiten la delimitación de cuencas hidrográficas con base en la jerarquía de la red fluvial, es decir sus lineamientos se centran unicamente en la determinación de las áreas de captación. A diferencia de la metodología Pfafstetter que propone la estandarización de unidades hidrográficas, a través de procedimientos que incluyen la identificación del curso del río principal y la determinación de las cuatro mayores áreas de drenajes tipo cuenca. El proceso investigativo permitió el estudio de casos reales de delimitación de cuencas hidrográficas para Sudamérica, Perú y Ecuador, aplicando las directrices del método Pfafstetter, con lo cual se logró fortalecer las bases cognitivas, a través de la revisión de las técnicas empleadas, datos utilizados y resultados obtenidos. Por su enfoque metodológico claramente definido, se seleccionó la metodología Pfafstetter de la Secretaría del Agua, aprobada para su aplicación en el Ecuador conjuntamente con el mapa de la delimitación de unidades hidrográficas en nivel 5. En función a la revisión de los fundamentos teóricos, se definieron las etapas de la metodología, sobre la cual se sustenta la delimitación y codificación de las unidades hidrográficas en nivel 6 de la cuenca del río Jubones. Las etapas específicas definidas para la metodología fueron: Obtención de datos SRTM (NASA), pre procesamiento del MDE, dirección de flujo, acumulación de flujo, cálculo del umbral y reclasificación de la acumulación, red de drenajes, generación de cuencas, vectorización, codificación y registro de los metadatos. Los resultados de cada fase fueron existosos, siendo elemental el uso del MDE del proyecto SRTM, el cual proporciona ventajas significativas, en comparacion con la generación del modelo de elevación, a partir de la información de curvas de nivel del IGM, afectada además por los errores de topología en su estructura. Sin embargo, en el MDE seleccionado se depuraron los errores o valores “NoData” de fuente, aplicando métodos de interpolación del vecino cercano. Para ello se utilizaron
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estadísticas focalizadas aplicadas a un radio de 10 celdas, el cual puede cambiar dependiendo del espacio o número de pixeles que se necesiten corregir. Las unidades hidrográficas delimitadas del nivel 5 fueron: 13942, 13943, 13944, 13945, 13946, 13947, 13948 y 13949, siendo las características de relieve del terreno, un factor importante para la obtención de los resultados esperados. En cambio la unidad 13941, considerada desembocadura de la cuenca, por las características topográficas del área no se delimitó, pues corresponde a la zona baja de la provincia de El Oro. Cada cuenca del nivel 5 delimitada, arrojó como resultado 9 unidades hidrográficas en nivel 6, las mismas que son análogas a la denominación de microcuencas. En total se obtuvieron 72 unidades hidrográficas en nivel 6, de las cuales 32 corresponden a tipo cuencas y 40 a intercuencas. La codificación de las unidades delimitadas se estableció en función al código nivel 5. El código Pfafstetter asignado a cada unidad hidrográfica, permite determinar el nivel de delimitación actual, con tan solo contar el número de digitos que lo conforman. El código determina la interrelación entre las áreas de drenaje de un mismo nivel, y permite establecer las relaciones espaciales con las unidades de nivel inferior. El área subdivida de la cuenca del río Jubones en nivel 5, es de aproximadamente 407,316.78 ha, correspondiéndole a las intercuencas nivel 6 una superficie de 147,214.28 ha, equivalente al 36%, mientras que las unidades nivel 6 tipo cuenca con el 64%, comprenden una extensión territorial de 260,102.50 ha. La delimitación de intercuencas, demanda una particular atención en el cálculo del umbral para obtener la red de drenajes, por sus características en éstas unidades no existe un único punto de drenaje común. La cuenca del río Jubones por su ubicación geográfica, extensión territorial y caudal, es considerada la más importante de la demarcación. En este sentido la subdivisión en nivel 6, favorece la gestión territorial del área de captación. La hipótesis planteada es aceptada y los resultados proporcionan áreas de drenaje a mayor detalle, lo cual aporta a la optimización de las tareas de campo, realizadas por el personal técnico de la demarcación, facilitando la familiarización con el entorno, el objeto de análisis y la identificación de los cursos de agua. 89
Con las unidades hidrográficas en nivel 6, se actualiza la información geográfica de las cuencas de la demarcación, permitiendo la planificación y ejecución de proyectos orientados a distribuir de forma equitativa los recursos hídricos. Esencialmente las unidades de drenaje obtenidas, fortalecen al proyecto emblemático de la demarcación denominado Inventario Participativo de Recursos Hídricos (IPRH), ejecutado en la cuenca del río Jubones. Los datos del área de captación y código, son fundamentales para la actualización del banco del IPRH y para el funcionamiento operativo del sistema de autorizaciones de uso y aprovechamiento de agua. Las cuencas e intercuencas del nivel 6, permiten identificar a las comunidades localizadas en cada superficie de captación, lo cual posibilita un acercamiento directo con los usuarios, propiciando su participación activa en los talleres de capacitación orientados al cuidado del caudal y fuentes hídricas. Estas actividades benefician al desarrollo del plan de gestión social del agua. Los resultados de ésta investigación se relacionan con el Plan Nacional de Recursos Hídricos, el cual prevee un diagnóstico que permita la conservación del recurso hídrico a corto, mediano y largo plazo, considerando a la microcuenca como la unidad mínima de análisis. Concretamente la información geográfica de unidades hidrográficas en nivel 6, beneficia la elaboración del plan para la cuenca del río Jubones. Fue fundamental el uso de técnicas de SIG, ya que permitieron reducir el tiempo requerido para la generación de la cartografía de cuencas hidrográficas. El aporte de ésta investigación al fortalecimiento cognitivo, está relacionado con el manejo de los datos SRTM de la NASA y con las herramientas de modelado hidrológico (Hydrology) de ArcGIS, utilizadas bajo los principios de la metodología Pfafstetter. En el archivo shapefile de las áreas de drenaje delimitadas, se registraron los metadatos en función a la normativa utilizada por la Secretaría del Agua, con el fin de garantizar el acceso y localización de la información espacial generada.
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5.2.
RECOMENDACIONES
Se recomienda que la demarcación de Jubones oficialice y socialice el nuevo nivel delimitado con los GAD, Mancomunidad Consorcio de la cuenca del río Jubones, otras instituciones del Gobierno Central y usuarios, enfatizando en la importancia de la familiarización y comprensión del código asignado a cada unidad hidrográfica. A partir de su oficialización, es factible planificar y ejecutar la delimitación del nivel 7 de la cuenca empleando la metodología Pfafstetter, con el fin de lograr la mejora permanente de procesos relacionados con los recursos hídricos, así como continuar con el proceso de delimitación del nivel 6 para el resto de cuencas hidrográficas que conforman la demarcación, considerando como insumo principal el MDE con resolución de 30m de la NASA. Es importante también que el proceso sea replicado para el resto de cuencas del Ecuador, con la finalidad de fortalecer el Plan Nacional de Recursos Hídricos de la Secretaría del Agua, lo cual beneficia directamente a las demarcaciones hidrográficas. En la nueva información generada se deberán crear los atributos temáticos en función a la estructura de campos especificados en los niveles base de delimitación, así como registrar los metadatos de los archivos vectoriales resultantes del proceso de delimitación de unidades hidrográficas, considerando el estándar o norma ISO 19115. Los principales procesos de gestión institucional de la demarcación de Jubones, son los relacionados con el recurso hídrico de la cuenca hidrográfica, donde la codificación de las unidades hidrográficas es fundamental para establecer relaciones entre fuentes hídricas y áreas de drenaje, por lo cual debe utilizarse la nueva codificación Pfafstetter, así como de ser necesario se actualice el banco de datos de usos de agua con los nuevos códigos del nivel 6. Tomando como referencia el estudio realizado se deben emprender planes, acciones y proyectos, enfocados a la conservación de los recursos naturales que conforman la cuenca, en función a las competencias de cada instancia de gobierno, con lo cual se garantice a la comunidad el desarrollo sostenible y mejoras en la calidad de vida. Las nuevas aplicaciones que se pueden emprender a partir los resultados de la investigación 91
son: modelación hidrológica, balances hídricos, campañas de aforo y determinación del estrés hídrico.
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6.
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