Análisis de Cuencas Hidrográficas con ArcGIS 10.1.- Delimitan de Cuencas- Ordenes de Jerarquia

El análisis de las cuencas hidrográficas es un aspecto de gran interés para diversas ramas de las geociencias,  más aun en la actualidad; ya que el avance de la tecnología informática, así como  la proliferación de herramientas de geomática, entre las cuales se incluyen los sistemas de información geográfica.

En el texto presentado a continuación se  describirán las herramientas que se encuentran en el sistema de información geográfico ArcGIS 10.1 que permiten realizar análisis  de cuencas hidrográficas.

Este tipo de análisis se puede realizar de dos maneras, la primera de ellas a partir de  modelos de elevación digital, en donde trabajaremos en función de archivos de imágenes o RASTER; y la segunda, con información  ya vectorizada, es decir a partir de archivos vectoriales, o SHAPEFILES.

Análisis de redes hidrográficas a partir de un Modelo de Elevación Digital (MDT o DEM)

Como primer requisito, debemos tener a nuestra disposición un archivo en formato raster, que contenga la información de elevación de nuestra área de interés, este archivo puede ser generado a partir de levantamientos planialtimétricos, vectorización de curvas de nivel u obtenidas a partir de sensores remotos.

La calidad del análisis estará fuertemente influenciada por el tamaño de la celda del raster usado, este es uno de los aspectos que deben tener en cuenta al momento de iniciar este tipo de análisis.

En la Figura 1, se muestra un modelo de elevación digital obtenido de una de las misiones del transbordador espacial (disponible en http://pubs.usgs.gov/of/2004/1322/), en este caso corresponde al área  urbana de la ciudad de Mérida y sus alrededores.

Figura 1. Modelo de elevación Digital del área urbana de Mérida y sus alrededores.

Como primer paso, se realizara la delimitación del área de la cuenca de recepción o divisoria de cuenca, en este procedimiento se creara un nuevo archivo raster, el programa le asignara un valor a cada pixel, según el área de recepción encontrada.

Procedimiento General:

1. Abrir el Arctoolbox  Extensión Spatial Analyts Tools  Hidrology

2. Se debe crear en primer lugar el modelo de flujo dentro del área, es se realiza mediante la herramienta Flow Direction.

3. Con el uso de la herramienta basin (cuenca), se inserta el archivo  de dirección de flujo (flow direction). Se creara un archivo raster con valores para cada cuenca identificada (Figura 2).

Figura 2. Archivos con las cuencas delimitadas.

4. El archivo creado debe transformarse a un archivo vectorial, ya que de esta forma será posible realizar cálculos de áreas, distancias y otras variables físicas, este procedimiento se realiza con los siguientes comandos: ArcTollbox  Conversion Tools  From Raster  raster To polygon. Este procedimiento transformara en polígonos cada una de las cuencas, y le asignara un valor en la tabla de atributos (Figura 3).

5. Para este caso, solo necesitamos uno de estos polígonos, seleccionaremos el polígono que represente el área de captación de la cuenca de interés (Cuenca del rio Mucujun, estado Mérida), y se exportara individualmente (Comando: Analysis Tools  Extract  Select [seleccionaremos el Gridcode=144, (figura 4) el cual corresponde a la cuenca deseada, el valor fue observado en  la figura 3).

Figura 3. Archivo tipo shapefile y tabla de atributos (note la selección de la cuenca de interés).

Figura 4. Polígono Exportado

6. Finalmente, se procede a extraer del archivo de elevación digital, el área de interés, que en este caso corresponde a la cubierta por el archivo vectorial extraído anteriormente. Este procedimiento se conoce como mascara, o blanqueado en algunos casos, y servirá para obtener un MDT exclusivo del área estudiada. Comando: ArcToolBox  Spatial Analyst Tools  Extraction-> Extraction By mask.

Figura 5 

Cálculo de órdenes de jerarquía de afluentes

En matemáticas, el número de Strahler o número de Horton-Strahler, es una forma numérica que expresa la complejidad de una ramificación.

Este número fue desarrollado por primera vez en hidrología por Robert E. Horton y por Arthur Newell Strahler; en este campo se conoce como el orden de secuencia de Strahler y se usa para definir el tamaño de una corriente, basándose en la jerarquía de los afluentes. También es usado en el análisis de otro tipo de estructuras jerárquicas en otros campos como por ejemplo la biología, el estudio de árbol y en los sistemas respiratorio y circulatorio, así como en la asignación de registros para la compilación de lenguajes de alto nivel de programación y en el análisis de las redes sociales.

En el sistema de información geográfico ArcGIS 10, es posible realzar este cálculo, mediante la herramienta Hidrology de la extensión Spatial Analyst Tool. Es necesario contar previamente con archivos de topografía de la cuenca y el raster derivado, dirección de flujo. Comando: ArctoolBox Spatial Analyst Tools  Hidrology Stream Order

Se genera un archivo del tipo raster, cuyos valores corresponderán al orden de cada uno de los afluentes detectados por el programa (figura 6). 

En algunos casos será conveniente realizar una reclasificación de este raster, con el fin de  asignarle a la zonas  que no presentan afluentes el valor ¨NO DATA¨. La reclasificación puede ser realizada con los comandos: ArctoolBox  Spatial Analayst Tools  Reclass Reclasify (figura 7).

Figura 6. Calculo de Órdenes de Jerarquía.

Figura 7. Reclasificación del raster de órdenes de jerarquía

Finalmente, se deben transformar los datos contenidos en archivos raster a  datos tipo shapefile. Esto se realizar siguiente el siguiente grupo de comandos: : ArctoolBox Spatial Analyst Tools  Hidrology Stream to feature(figura8).

Figura 8. Resultado de la conversión de raster a shapefile del archivo de órdenes de jerarquía.

El análisis de las pendientes del terreno siempre es un aspecto de gran importancia al evaluar las características morfológicas de una cuenca, usando la extensión 3D analyst del paquete ArcGIS 10.1 es posible generar un mapa de distribución y/o zonificación de las pendientes del terreno.

La línea de comando para elaborar un mapa de pendientes se muestra a continuación: Arctoolbox  3D Analyst  Raster Surface  Slope

Es posible seleccionar entre un archivo de pendientes en grados (Degree) o uno en porcentaje (Percent_rise). Un mapa de pendientes elaborado y reclasificado se puede ver en la figura 9.

Figura 9. Mapa de Pendientes en porcentaje de elevación.

Análisis de cuencas hidrográficas a partir de datos vectoriales

El análisis de las cuencas hidrográficas en Arcgis también puede ser realzado con archivos vectoriales, una opción es obtener nuestra red de drenaje a partir de un archivo raster, como se ha mostrado en los apartados anteriores; sin embargo, existirán casos en donde sea necesario digitalizar de forma manual la red de drenaje. En estos casos es ALTAMENTE RECOMENDABLE, digitalizar cada tramo (segmento, orden) como una sola línea, teniendo especial cuidado en que las líneas de flujo estén conectadas (es recomendable usar la herramienta SNAP).

A su vez, también es recomendable contar con un shapefile que contenga los puntos donde se intersectan los segmentos de nuestra red de drenaje. La línea de comando para ejecutar esta herramienta la encontramos en la siguiente ruta: Arctoolbox data Managment ToolsFeaturesFeatures vértices to points

El resultado se muestra en la figura 10.

Estos puntos nos permitirán realizar análisis posteriores, tanto desde el punto de vista espacial, como desde el punto de vista tridimensional.

Es posible hacer la delimitación de una cuenca para un punto específico, es decir, el área de captación de para un puntos seleccionado (un nodo), en primer lugar se debe seleccionar el punto que se desea analizar (figura 11).

Al usar la herramienta Wastershed, presente en : ArcToolboxSpatial AnalystHidrology watershed: es posible generar el área de la cuenca de recepción que finalice en el punto seleccionado (Figura 12). Es posible realizar este procedimiento para más de un punto al mismo tiempo (figura 13).

Figura 10. Puntos de cada vértice de la red de drenaje

Figura 11. Red de drenaje con un punto seleccionado.

 Figura 12. Área de influencia de un punto

 

Calculo de longitud de los tramos.

El cálculo de la distancias de cada uno de los tramos siempre es un dato de gran importancia, estos datos pueden ser obtenidos desde la tabla de atributos del shapefile de líneas de flujo (Figura 14).

Figura 14. Tabla de atributos