Cálculo de una cuenca hidrológica utilizando la extensión SEXTANTE en el software Kosmo

En esta entrada se describe como obtener las capas de red de drenaje y cuencas hidorlógicas para una zona determinada, partiendo del Modelo Digital de Elvación (MDE) , para realizar estos análisis hidrológicos se utilizará el software Kosmo y la extensión SEXTANTE.

Paso 1: Eliminar depresiones del Modelo Digital de Elevación (MDE)

Este proceso permite corregir las irregularidades que presenta el MDE, principalmente las depresiones, que son celdas a las que confluyen todas las circundantes y no encuentran salida, estas depresiones se forman durante el proceso de interpolación, al hacer el “llenado” se evitarán acumulaciones y direcciones incorrectas en los análisis hidrológicos posteriores. Para realizar este proceso se utiliza la herramienta Eliminar depresiones que se encuentra dentro del menú Análisis hidrológico básico; los parámetros de entrada son:

  • MDE (seleccionar capa raster)
  • Ángulo mínimo entre celdas [°] (valor numérico, dejar el valor que viene por defecto)

Parámetros de salida:

  • Preprocesado (capa raster, elegir directorio en el que se guardará el MDE corregido)

Figura 1. Parámetros de entrada y salida de la herramienta “Eliminar depresiones”

El resultado es un MDE que a simple vista no presenta diferencias con el MDE original (Figura 2). A partir de este paso, en todos los procesos en que se requiera dentro de los parámetros de entrada el MDE, únicamente se trabajará con el MDE corregido.

MDE Original                                                                           MDE Corregido

Figura 2. Comparación del MDE antes y después del proceso de eliminación de depresiones

Paso 2: Cálculo de la capa de acumulación de flujo

La acumulación de flujo determina todas las celdas que drenan a una en particular, es decir calcula el valor de la superficie situada aguas arriba de cada celda, de este modo es posible conocer la cantidad de agua que puede recibir una celda determinada, de esta manera aquellas celdas que tengan mayor acumulación de flujo serán las que formen los canales de drenaje, lo que nos permitirá visualizar de una manera más precisa la red de drenaje del área. Para realizar el cálculo se utiliza la herramienta Acumulación de flujo del menú Análisis hidrológico básico, los parámetros de entrada son:

  • MDE (capa raster, MDE corregido)
  • Ponderación de celdas [opcional] (capa raster, al seleccionar una capa, las celdas aguas arriba serán ponderadas de acuerdo al valor de la capa seleccionada, si no se selecciona se utiliza como peso de cada celda su propia área)
  • Método: elegir entre las opciones que presenta, que de acuerdo a lo citado por Olaya (2006) los métodos tienen las siguientes características:

o   D8: el flujo va desde el centro de una celda hasta el centro de una (y sólo una) de las circundantes. Las direcciones están restringidas a ángulos o múltiplos de 45° (O’Callaghan & Mark 1984).

o   Rho8: la dirección de flujo se determina por medio de un parámetro aleatorio que depende de la diferencia entre la orientación y la dirección hacia las celdas adyacentes en dicha dirección. (Faireld & Leymarie 1991).

o   DInfinity: el flujo va del centro de una celda hasta los centros de dos celdas contiguas del entorno, por lo que considera un flujo bidimensional (Tarboton 1998).

o   MFD (Multiple Flow Direction): considera un flujo bidimensional.

  • Factor de convergencia para MFD (valor numérico, dejar el valor que viene por defecto)

Cabe señalar que de los cuatro métodos a elegir, los resultados obtenidos con el método MFD son los que más se asemejan al flujo real, por lo que será este método el que se elegirá en el cuadro de diálogo.

Los parámetros de salida son:

  • Acumulación de flujo (capa raster, elegir el directorio donde se guardará la capa creada)

Figura 3. Parámetros de entrada y salida de la herramienta “Acumulación de flujo”

  • Salida raster

o   Extensión a partir de (elegir entre las opciones para definir la extensión de la capa que será creada).

o   Extensión valores (valores numéricos que se modifican automáticamente de acuerdo a la opción anterior, sin embargo, también pueden ser modificados manualmente).

Figura 4. Parámetros de salida raster de la herramienta “Acumulación de flujo”

El resultado será una capa raster de la red de drenaje, en la que los valores de flujo acumulado están expresados en unidades de área, visualmente las celdas con mayor valor se presentan con mayor contraste comparado con las de menor valor (Figura 5).

 

Capa resultado del cálculo de acumulación de flujo

Figura 5. Capa resultado del cálculo de acumulación de flujo

Paso 3: Calcular la red de drenaje

La red de drenaje es el sistema jerarquizado de cauces, desde los pequeños surcos hasta los ríos, que confluyen unos en otro configurando un colector principal de toda una cuenca (Martínez Menchón & Alonso Sarría, 2006), esta capa será delineada a partir del MDE utilizando los valores de la capa de acumulación de flujo, la cual indica la cantidad de celdas aguas arriba que vierten sobre una celda dada y evalúa la cantidad de agua que pasa por dicha celda (Olaya, 2006).

Otro parámetro importante que se debe tomar en cuenta es el valor del umbral, que se define como el valor a partir del cual la celda comienza a drenar, es decir, representa el área requerida para que el agua que drena a un determinado punto o celda lo haga de forma concentrada (Martinez-Casanovas, 1999); un valor alto de umbral (con respecto al tamaño del MDE) nos dará como resultado pocos inicios de cauce (Djokic & Zichuan, 2000) y por consiguiente una red de drenaje solo con los cauces principales, mientras que un valor bajo creará redes de drenaje con excesivos elementos, incluyendo áreas por donde el flujo del agua tiende a circular aunque sin ser de manera concentrada (Martínez-Casasnovas & Stuiver, 1998); cabe señalar que no existe una fórmula establecida para el cálculo del umbral, diversos autores coinciden en que el valor de área umbral más adecuado para cada región puede ser diferente según las características del relieve en cada caso: áreas con relieve más complejo tendrán densidades de drenaje más altas que áreas con menor variabilidad del relieve (Martinez-Casanovas, 1999), también se ha sugerido que hay una relación entre el valor de la pendiente y el valor del umbral, sin embargo no hay estudios que confirmen dicha relación (Martínez-Casasnovas & Stuiver, 1998).

Los resultados del cálculo de la red de drenaje serán una capa de tipo raster y una capa de tipo vectorial.

Para este cálculo se utiliza la herramienta Red de drenaje del menú Análisis hidrológico básico, los parámetros de entrada son:

  • MDE (capa raster)
  • Capa umbral (capa raster acumulación de flujo)
  • Tipo de umbral (seleccionar entre las dos opciones, la más utilizada es “Mayor que”)
  • Valor umbral (valor numérico que define el número de celdas vertientes mínimo para que inicie el cauce), para este ejemplo se realizaron varias pruebas con diferentes valores, tomando en cuenta el relieve y el tamaño del MDE, se inicio con un valor de 100 y se fue aumentando según los resultados que se iban obteniendo, hasta llegar a un valor umbral de 150,000 que fue con el que se obtuvo la red de drenaje más parecida a la realidad.

Los parámetros de salida son:

  • Red de drenaje [tipo raster] (capa raster, elegir el directorio donde se guardará la capa creada)
  • Red de drenaje [tipo vectorial] (capa vectorial, elegir el directorio donde se guardará la capa creada)

Figura 6. Parámetros de entrad y salida de la herramienta “Red de drenaje”

  • Salida raster

o   Extensión a partir de (elegir entre las opciones para definir la extensión de la capa que será creada).

o   Extensión valores (valores numéricos que se modifican automáticamente de acuerdo a la opción anterior, sin embargo, también pueden ser modificados manualmente).

Figura 7. Parámetros de salida raster de la herramienta “Red de Drenaje”

El resultado será una capa raster que indica el orden jerárquico del cauce que fluye a través de cada celda, quedando sin valor aquellas celdas en las que no se definió el cauce, y una capa vectorial con la información de orden y longitud de los cauces dentro de la tabla de atributos (Figura 8).

Red de drenaje capa raster                                                  Red de drenaje capa vectorial

Figura 8. Capa raster y capa vectorial resultantes del cálculo de la Red de Drenaje

Paso 4: Calcular las cuencas aportantes

Las cuencas hidrográficas serán delineadas a partir del MDE utilizando la información de la capa de red de drenaje; cada segmento de la red de drenaje tiene asociada una cuenca hidrológica, que a la vez forma parte de una cuenca mayor que incluye a todas las celdas situadas aguas arriba, debido a esto, el proceso puede generar muchas subcuencas de dimensiones muy pequeñas y de poco interés, por lo que dentro de los parámetros de entrada se puede especificar el tamaño mínimo deseado. Para este cálculo se utiliza la herramienta Cuencas del menú Análisis hidrológico básico, los parámetros de entrada son:

  • MDE (capa raster)
  • Red de drenaje (capa raster)
  • Tamaño mínimo de subcuencas [celdas] (valor numérico, se puede especificar un valor mínimo según el tamaño del MDE y las necesidades del usuario; para este ejercicio se utilizó un valor de 10,000)

Los parámetros de salida son:

  • Red de drenaje [tipo raster] (capa raster, elegir el directorio donde se guardará la capa creada)

Figura 9. Parámetros de entrada y de salida de la herramienta “Cuencas”

  • Salida raster

o   Extensión a partir de (elegir entre las opciones para definir la extensión de la capa que será creada).

o   Extensión valores (valores numéricos que se modifican automáticamente de acuerdo a la opción anterior, sin embargo, también pueden ser modificados manualmente).

 

Figura 10. Parámetros de salida raster de  la herramienta “Cuencas”

El resultado es una capa raster en la que las cuencas están formadas por celdas que tiene el mismo valor (Figura 11).

Figura 11. Capa raster resultante del cálculo de Cuencas

Paso 5: Vectorizar capa raster de cuencas y calcular las propiedades geométricas

La capa de cuencas creada, al ser de tipo raster, únicamente presenta los valores de cada celda, por lo que es necesario convertirla a capa vectorial para posteriormente poder obtener los datos geométricos de cada cuenca. Para este proceso, se utiliza la herramienta Vectorizar capa raster (polígonos) del menú Vectorización; los parámetros de entrada son:

  • Capa de entrada (capa raster de cuencas)

Parámetros de salida:

  • Resultado [tipo vectorial] (capa vectorial, elegir el directorio donde se guardará la capa creada)

Figura 12. Parámetros de entrada y de salida de la herramienta “Vectorizar capa raster (polígonos)”

El resultado es una capa vectorial con los polígonos de las cuencas (Figura 13).

Figura 13. Capa vectorial resultado de la vectorización de la capa raster de Cuencas

Paso 6: Explotar las entidades múltiples

Al hacer la transformación de raster a vector, se crean elementos múltiples, en los que varios polígonos, aún cuando estos no son adyacentes, están comprendidos en una misma entidad, tal y como se puede observar en la Figura 14, en la que en la parte inferior izquierda aparece la tabla de atributos con un elemento seleccionado, el cual aparece en la vista con los bordes resaltados en color amarillo.

Figura 14. Capa vectorial obtenida de la capa raster de cuencas, en la parte inferior izquierda se muestra la tabla de atributos, en la que al seleccionar un elemento, se seleccionan un conjunto de polígonos (bordes resaltados en color amarillo)

Para continuar con los análisis hidrológicos posteriores, es necesario hacer una separación de los elementos y así obtener polígonos individuales para cada cuenca. Para realizar este proceso se utilizará la herramienta del software Kosmo (únicamente en este paso se utiliza una herramienta del software, para los demás pasos se utiliza la extensión SEXTANTE) Explotar entidades múltiples, localizada en el menú Herramientas, submenú Conversión (Figura 15). Aparecerá un cuadro de dialogo donde se puede elegir crear la capa de resultados en memoria o guardarla permanentemente en un destino específico, en caso que se elija la segunda opción en el icono con los tres puntos hacer click y elegir el directorio donde se desea guardar.

Figura 15. Herramienta utilizada para separar las entidades múltiples que se crean el vectorizar una capa raster

El resultado será una capa vectorial con polígonos individuales para cada cuenca, si se observa la tabla de atributos se podrá constatar que los elementos múltiples fueron separados, para este ejemplo, en la tabla anterior había 24 elementos (Figura 14) y en la nueva capa hay 235 (Figura 16).

Figura 16. Capa vectorial creada con la herramienta “Explotar entidades múltiples”.

Paso 7: Calcular propiedades geométricas de los polígonos

La capa vectorial creada en el paso anterior no contiene datos geométricos, por lo que tendrán que calcularse utilizando de la extensión SEXTANTE la herramienta Propiedades geométricas de polígonos del menú Herramientas para capas de polígonos; los parámetros de entrada son:

  • Polígonos (capa vectorial de cuencas)

Parámetros de salida:

  • Polígonos [tipo vectorial] (capa vectorial, elegir el directorio donde se guardará la capa creada)

Figura 17. Parámetros de entrada y de salida de la herramienta “Propiedades geométricas de polígonos”

El resultado será una capa vectorial de polígonos igual a la obtenida en el paso anterior, pero con la diferencia que esta tendrá en la tabla de atributos datos geométricos (Figura 18) como son área, perímetro, etc.

Figura 18. Tabla de atributos con los resultados del cálculo de las propiedades geométricas

Referencias bibliográficas

Abarca, O., & Bernabé, M. A. (2008). Desarrollo metodológico para la simulación hidrológica de caudales de estiaje con el SIG SEXTANTE. Mapping Interactivo. Revista Internacional de Ciencias de la Tierra .

Djokic, D., & Zichuan, Y. (2000). DEM Preprocessing for Efficient Watershed Delineation. En D. Maidment, & D. Djokic, Hydrologic and Hydraulic. Modeling Support with Geographic Information Systems (pág. 216). Redlands, CA.

Equipo SEXTANTE. (2008). Manual práctico de SEXTANTE en gvSIG.

Martínez Menchón, M., & Alonso Sarría, F. (2006). Validación de la Extracción Automática de Cauces y Cuencas con SIG. Obtención del Umbral de Área Optimo. En M. CAMACHO, J. CAÑETE, & J. LARA VALLE, El acceso a la información espacial y las nuevas tecnologías geográficas (págs. 281-294). Granada, España: Universidad de Granada.

Martinez-Casanovas, J. A. (1999). Modelos digitales de terreno: Estructuras de datos y aplicaciones en el análisis de formas del terreno y en Edafología. QUADERNS DMACS (25).

Martínez-Casasnovas, J. A., & Stuiver, H. J. (1998). Automatic delineation of drainage networks and elementary catchments from Digital Elevation Models. International Journal of Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC Journal) , 3 (4), 198-208.

Olaya, V. (2006). Fundamentos de análisis geográfico con SEXTANTE. España.

Pusineri, G., Pedraxa, R., & Lozeco, C. (2005). Uso de los Modelos Digitales de Elevación y de Sistemas de Información Geográfica en la Modelación Hidrológica. Recuperado el 8 de Septiembre de 2010, de http://hum.unne.edu.ar/revistas/geoweb/Geo4/archivos/pusineri.pdf

Villalta, V. E. Manual para la delimitación de cuencas hidrográficas.

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