SISTEMA DE INFORMACIÓN HIDROLÓGICA PARA LA CUENCA DEL RÍO SANTIAGO, MÉXICO.

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1 SISTEMA DE INFORMACIÓN HIDROLÓGICA PARA LA CUENCA DEL RÍO SANTIAGO, MÉXICO. Jaime Rivera 1, Jaime Velázquez 1 1 Coordinación de Hidrología, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac No Jiutepec, Morelos , México. y David Báez 2 2 Proveedor de Servicios de Tecnología de Información. México, D.F. RESUMEN Un sistema de información hidrológica (SIH) es un sistema de cómputo que se compone de una base de datos geográfica sobre el recurso hídrico de un área de interés y de herramientas para consulta, actualización y procesamiento de la información espacial y numérica almacenada en la base de datos. En este trabajo se describe la implementación de un sistema de este tipo que fue desarrollado para apoyar la organización de la información del recurso hídrico superficial en la cuenca del Río Santiago, en México. El SIH fue implementado en el software ArcGIS versión 9.3 y se compone de una base de datos geográfica con estructura del modelo de datos ArcHydro en su versión completa, y de un menú que contiene opciones para consultar los datos almacenados en la base a partir de una selección espacial. El SIH desarrollado es una tecnología de información geográfica útil para apoyar y proporcionar la información requerida en los estudios dirigidos al diagnóstico, planeación y disponibilidad de agua superficial en esta región hidrológica de México. Palabras clave: Sistema de información hidrológica, base de datos geográfica, modelo de datos ArcHydro, recurso hídrico, Río Santiago 1. INTRODUCCIÓN Para lograr una adecuada planificación hídrica es necesario tener total conocimiento del recurso hídrico disponible en una cuenca o región hidrológica, tanto en cantidad como en calidad. Se requiere conocer las características topográficas, orográficas, hidrológicas, climáticas y físicas, asentamientos urbanos, usos de suelo, entre otros temas [2]. Todo este conocimiento permite evaluar la disponibilidad del recurso hídrico en una cuenca o región, y con ello obtener una planificación hídrica oportuna y real. Los sistemas de información geográfica (SIG) son herramientas donde se realiza el procesamiento de la información espacial asociada con el recurso hídrico y con ello apoyar estudios dirigidos al diagnóstico y planeación del recurso hídrico, de actualización de la disponibilidad de agua superficial, de inventarios, caracterización y delimitación de áreas naturales. En la última década han surgido nuevas tecnologías para almacenar la información espacial y temporal asociada con el recurso hídrico dentro de una plataforma de sistemas de información geográfica. Una de estas tecnologías es el concepto de Sistema de Información Hidrológica (SIH), el cual se define como un sistema de cómputo que integra información espacial y temporal para apoyar el análisis y modelación hidrológica, así como para la toma de decisiones [5]. Este sistema se compone de una base de datos geográfica con la estructura del modelo de datos ArcHydro, la cual contiene datos espaciales y series de tiempo asociadas con el recurso hídrico, y de herramientas para actualización y consulta de estos datos. En este trabajo se presenta un sistema de información hidrológica para la cuenca de Río Santiago, localizada en la región hidrológica No. 12 Lerma-Santiago-Pacífico, que fue desarrollado para organizar la información del recurso hídrico y apoyar la gestión del agua en esta región. 2. OBJETIVOS Los objetivos planteados en el desarrollo de este trabajo fueron los siguientes: Desarrollar una base de datos geográfica de aguas superficiales en la región. Crear un sistema de información hidrológica. 3. ÁREA DE ESTUDIO La cuenca del Río Santiago abarca un área aproximada de 75,750 km 2 aproximadamente, lo que equivale a 4% de la extensión territorial del país (Figura 1). Se localiza en la parte central de la República Mexicana y comprende parcialmente los territorios de los siguientes estados: Aguascalientes (7%), Durango (5%), Jalisco (38%), Nayarit (15%), Guanajuato (2%) y Zacatecas (32%). Figura 1. Localización geográfica de la cuenca del Río Santiago.

2 El sistema hidrológico de la cuenca del Río Santiago está constituido por el río Santiago que es el colector principal del sistema, con poco más de 700 km de longitud, este río tiene su origen en la salida del Lago de Chapala, en donde se localiza el río Zula y la planta de bombeo Ocotlán, en el estado de Jalisco; y termina en la desembocadura al Océano Pacífico, en el estado de Nayarit. Sus principales afluentes son el Río Verde, el río Juchipila, el río Bolaños y el río Huaynamota. 4. METODOLOGÍA Para la implementación del SIH se construyó la base de datos geográfica de agua superficial de la cuenca y posteriormente se desarrolló el módulo con las opciones de consulta de la información almacenada en la base de datos. A continuación se describe la metodología empleada. Implementación del modelo de datos ArcHydro de aguas superficiales ArcHydro es un modelo de datos geográfico, desarrollado por el Centro de Investigación y Recursos Hídricos (CRWR) de la Universidad de Texas, que propone una estructura para almacenar en una base de datos geográfica, implementada con el software ArcGIS, la información asociada con los recursos hídricos de un área determinada. En particular, un modelo de datos geográfico es una representación del mundo real que puede ser usada en un sistema de información geográfico (SIG) para almacenar, consultar y analizar información espacial [5]. El modelo ArcHydro proporciona dos tipos de estructuras de datos para almacenar y representar un sistema de recursos hídricos: la versión compacta (Framework) y la versión completa. La versión compacta organiza la información en una sola componente denominada ArcHydro, mientras que la versión completa del modelo ArcHydro organiza los datos del recurso hídrico en cinco componentes dentro de la base de datos de geográfica (Figura 2). Las capas consideradas en la versión compacta son la red hidrográfica (capa HydroEdge), las estaciones de monitoreo donde se miden variables relacionadas con la cantidad y calidad del agua (capa Monitoring point), cuerpos de agua (capa waterbody), delimitación de cuencas (capa watershed) y una capa de puntos de interés sobre la red hidrográfica para propósitos de la modelación (capa HydroJunction). (a) (b) Figura 2. Elementos del modelo ArcHydro en su versión Framework (a) y completa (b) [5]. Los cinco componentes de la versión completa del modelo ArcHydro son: Network, Drainage, Hydrography, Channel y TimeSeries. Cada componente es un conjunto de capas. El componente Network almacena las capas relacionadas con las cuales la red hidrográfica se modela como una red geométrica. El componente Drainage permite almacenar áreas de drenaje definidas por criterios topográficos o administrativos, y líneas de corriente obtenidas a partir de modelos digitales de elevación. El componente Channel proporciona capas para modelar canales. El componente Hydrography incluye las capas definidas en la versión Framework y capas adicionales para representar (como puntos, líneas o polígonos) otros rasgos de la superficie terrestre de interés para la modelación como presas, puntos de descarga, puntos de retiro, etcétera. Recopilación y procesamiento de información. La información espacial y de series de tiempo que se consideró para implementar el modelo se muestra en la tabla 1. El sistema coordenado que se utilizó para almacenar la información geográfica fue la proyección cónica conforme de Lambert con los parámetros propuestos por el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) para el país y el datum ITRF92. El software utilizado para implementar la base de datos fue ArcGIS, en nivel ArcInfo, versión 9.3. Tabla 1. Capas consideradas y fuentes de datos usadas en la implementación del modelo ArcHydro de aguas superficiales. Nombre de la capa en el modelo ArcHydro Temas contiene que Fuente HydroEdge Líneas de corriente INEGI - escala 1:50,000 [3] HydroJunction Puntos de interés dentro del sistema hidrológico Definidos con la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA)

3 Tabla 1. Capas consideradas y fuentes de datos usadas en la implementación del modelo ArcHydro de aguas superficiales (Cont.) Nombre de la capa en el modelo ArcHydro MonitoringPoint WaterBody Watershed Temas contiene Estaciones hidrométricas climatológicas que y Cuerpos de agua correspondientes a presas, lagos y lagunas Límites de cuencas hidrológicas Dam Ubicación de presas y características generales WaterWithdrawal Puntos de extracción de agua (Aprovechamientos superficiales) TimeSeries (Series tiempo) Basin de Datos diarios o mensuales de gasto medio diario, precipitación, evaporación, temperatura max., min. y ambiente, y datos de almacenamientos. Límite general de la cuenca Fuente CONAGUA INEGI - escala 1:50,000 [3] Obtenidos con MDE de INEGI, con resolución de 50 m. CONAGUA CONAGUA (CLICOM,2002), (BANDAS,2007) y CONAGUA Obtenido con MDE de INEGI, con resolución de 50 m. [1] El primer paso para implementar el modelo fue elaborar los mosaicos de información vectorial de hidrografía y cuerpos de agua y del Modelo Digital de Elevación (MDE) para cada una de las cuencas del estudio, considerando un buffer de 10 km alrededor de ellas para tener una mejor definición de las cuencas (Figura 3). La cuenca del Río Santiago queda comprendida en 124 cartas de datos vectoriales en escala 1:50,000. (a) (b) Figura 3. Mosaico vectorial (a) y de tipo raster (b) de la región hidrológica del Río Santiago. El segundo paso consistió en editar la red hidrográfica de cada cuenca para que ésta cumplieran con las características que se requieren para formar la red geométrica: totalmente conectada, sin ciclos y con dirección de flujo asignada. La edición de los ríos se realizó apoyándose en las siguientes fuentes de información: MDE, cartas topográficas digitales, Google Earth e imágenes de satélite tomadas del acervo existente en el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), ver figura Carta topográfica 2. Raster de líneas de drenaje 3. Ortofoto/ Imagen de satélite Figura 4. Proceso de edición de la red hidrográfica.

4 El siguiente paso consistió en definir los parteaguas de las 33 cuencas que conforman la cuenca del Rio Santiago utilizando la red hidrográfica y la información de tipo raster. La obtención del parteaguas se realizó en varios pasos, que incluyeron la obtención de los rasters de dirección y acumulación de flujo, y un raster de área de aportación para cada corriente (catchments), entre otros. La figura 5 muestra los parteaguas de las cuencas que conforman toda la cuenca del río Santiago al finalizar el proceso de delimitación. Visual Basic for Applications (VBA), que es el lenguaje nativo de la plataforma ArcGIS, para que a través del menú de consulta se visualice la información descriptiva y numérica asociada a cada capa geográfica por medio de ventanas de diálogo. Las opciones para la consulta que contiene el menú son Selección por cuenca que muestra la información descriptiva de cada capa geográfica por cuenca, y la opción Consultas que muestra los datos históricos asociados con estaciones de medición y presas, así como información puntual de aprovechamientos superficiales. Las opciones de consulta de la información descriptiva permiten la generación de un reporte en formato PDF de Adobe Reader. La consulta de información relacionada con las series de tiempo incluye las siguientes opciones: consultar los datos de una estación de monitoreo especificando la variable y un periodo de tiempo, exportar los datos a un archivo de Microsoft Excel y visualizar de forma gráfica los datos. Figura 5. Delimitación de las cuencas de la región del Río Santiago utilizando ArcHydro. Debido a que el volumen de datos que representa el MDE de cada cuenca es muy grande y se dificulta el procesamiento si se desea hacerlo para toda la región, el proceso de definición de cuencas se procesó de forma individual. Al finalizar el proceso de delimitación de todas las cuencas de la región, se unieron los resultados de todas ellas para tener la región hidrológica completa a través del proceso llamado Regionalización [4]. El cuarto paso consistió en integrar los datos descriptivos de las estaciones hidrométricas y climatológicas en una sola tabla, dejando una columna para indicar el tipo de estación (campo FType). Esta tabla pasa a formar la feature class Monitoring Point dentro de la base de datos geográfica. Los datos descriptivos, como el nombre y coordenadas, entre otros, fueron tomados de catálogos disponibles en la CONAGUA. El penúltimo paso consistió en adecuar las series de tiempo de hidrometría, climatología y datos de almacenamientos en el formato de cuatro columnas que maneja el modelo ArcHydro, donde se almacena la clave de la estación donde se mide el valor, la clave de la variable, la fecha y el valor medido. Se consideró conveniente agregar una dimensión (columna) más, para indicar el origen de los datos. Como último paso se creó la base de datos geográfica, la cual se implementó del tipo FileGeodatabase con la aplicación ArcCatalog de ArcGIS y consistió de los siguientes pasos: primero se creó una FileGeodatabase vacía y posteriormente se aplicó el esquema del modelo de datos ArcHydro. Finalmente, se cargó toda la información espacial y de series de tiempo que fue generada e integrada en los pasos descritos anteriormente. También se integró en la base de datos información de contexto relacionada con localidades rurales y urbanas, división política estatal y municipal, edafología y uso de suelo. 5. RESULTADOS Base de datos con la estructura ArcHydro La figura 6 muestra la estructura de la base de datos geográfica que se implementó para la cuenca del Río Santiago, tal como se visualiza con la aplicación ArcCatalog del software ArcGIS. La figura muestra todos los componentes del modelo de datos de ArcHydro en su versión completa. La base de datos contiene siete features datasets, tres están definidos por el modelo ArcHydro (Drainage, Hydrography y Network); cuatro más se agregaron para almacenar información de contexto. Dentro de la información de contexto que se almacenó en la base de datos se encuentran mapas de uso del suelo, edafología, localidades urbanas y rurales y división política, entre otros datos. Además de los feature datasets, la base de datos contiene tablas y relaciones propias del modelo ArcHydro, y otras que fueron consideradas necesarias para dar mayor claridad a los datos. Implementación del sistema de información hidrológica (SIH) Dentro de la plataforma ArcGIS se implementó un menú con opciones de consulta para acceder a la información almacenada en la base de datos geográfica. El menú se desarrolló a través de una serie de procedimientos informáticos mediante Microsoft Figura 6. Estructura de la base de datos geográfica implementada para la cuenca hidrológica Río Santiago.

5 Sistema de información hidrológica (SIH) La figura 7 muestra la ventana principal del sistema de información hidrológica ejecutándose en el módulo ArcMap como un proyecto de ArcGIS. En la ventana principal del sistema se observa el menú de consultas implementada para la información descriptiva y de las series de tiempo. El menú de consultas del sistema de información geográfica para la cuenca del Río Santiago dentro de la plataforma ArcGIS se desarrolló mediante programación en Visual Basic for Applications (VBA). Las opciones del menú permiten consultar la información descriptiva y numérica asociada con capas geográficas específicamente de la cuenca del Río Santiago. Las consultas se realizan seleccionando una capa geográfica o seleccionando una cuenca hidrológica. Figura 8. Consulta de la información descriptiva utilizando la opción Selección por cuenca. Estaciones climatológicas. El reporte en formato PDF muestra el nombre de la cuenca, su área en km2 y una lista de las estaciones climatológicas, la cuenca y municipio donde se localizan y sus coordenadas geográficas. Figura 7. Ventana principal del sistema de información hidrológica para la región hidrológica No. 12 Río Santiago. Opción Selección por cuenca. La opción Selección por cuenca muestra la información descriptiva para cada una de las cuencas hidrológicas que forman parte de toda la cuenca del Río Santiago. Para consultar la información se selecciona la opción Selección por cuenca y se da un clic con el mouse sobre una cuenca de la capa geográfica de cuencas hidrológicas. Esta opción realiza una selección de la información descriptiva de las capas geográficas de Estaciones hidrométricas y climatológicas, Presas de almacenamiento, Cuerpos de agua, Registro Público de Derechos de Agua (REPDA), Edafología, Uso de Suelo, Localidades urbanas y rurales. La información descriptiva que se muestra en las pestañas incluidas dentro de la ventana de dialogo corresponde únicamente a la información que se localiza dentro de la cuenca hidrológica seleccionada. La figura 8 muestra la ventana de diálogo con el resultado de la consulta de datos descriptivos de estaciones de monitoreo ubicadas en la cuenca Presa el Cuarenta. Los temas incluidos en la ventana de diálogo corresponden a Estaciones Hidrométricas y climatológicas, Presas, Cuerpos de agua, registros REPDA, Edafología, Uso de suelo y Localidades Urbanas y Rurales. Cada pestaña muestra información descriptiva de cada tema para la cuenca seleccionada. Una vez que se han extraído, los datos se pueden exportar a un archivo en formato PDF, ver figura 9. Figura 9. Resultados de la consulta de estaciones de medición en formato PDF. Opción Consultas. Esta opción permite consultar los datos históricos asociados con las capas geográficas de estaciones hidrométricas y climatológicas, presas de almacenamiento así como información puntual del Registro Público de Derechos de Agua (REPDA) e información de disponibilidad de agua superficial por cuenca. Para consultar los datos históricos se requiere seleccionar la capa geográfica y dando clic con el botón derecho del mouse se despliega una ventana de diálogo donde se muestran gráficamente los datos. En la ventana de diálogo se puede definir el intervalo de tiempo de los datos (diario o mensual), el periodo de información y la clave de la estación seleccionada. También se incluyó una opción para exportar la gráfica a un archivo de Microsoft Excel. Los datos que se grafican son los gastos medios diarios y mensuales de las estaciones hidrométricas. Las temperaturas máximas, mínimas y observadas, precipitaciones y evaporaciones de las estaciones climatológicas. De la capa de presas de almacenamiento se pueden graficar las curvas de elevación área capacidad y los datos de almacenamientos,

6 ingresos, evaporaciones, precipitaciones, extracciones, derrames y filtraciones. La información numérica es la que se encuentra almacenada en la tabla de series de tiempo (TimeSeries) y corresponde con los datos diarios de Evaporación, Precipitación, Temperaturas máxima, mínima y observada en el caso de estaciones climatológicas y del gasto medio diario en el caso de estaciones hidrométricas. La figura 10 presenta el resultado de la consulta de los datos de precipitación para la estación climatológica Guadalupe Trancoso. Se pueden consultar los datos de las variables mostradas en la parte inferior de la ventana y se puede definir un periodo sobre el que se desea consultar los datos. La misma ventana se utiliza para presentar gráficamente la información de estaciones climatológicas e hidrométricas. 6. CONCLUSIONES El SIH presentado en este trabajo permitió organizar los datos asociados al recurso hídrico en una estructura estándar, integrando datos espaciales y series de tiempo en un sólo depósito de datos (base de datos geográfica), con lo cual se redujeron los problemas asociados a la información. También permite realizar consultas de la información geográfica y extraer los datos registrados en las estaciones hidrométricas, climatológicas y presas, así como conocer los periodos de registro de esta información. El sistema de información constituye una herramienta útil que proporciona información espacial y numérica para apoyar estudios dirigidos a la gestión y planeación del recurso hídrico en esta importante región del país. 7. REFERENCIAS Figura 10. Despliegue gráfico de los datos de precipitación reportados en estaciones climatológicas. La información numérica de presas corresponde con sus volúmenes de Evaporación y Precipitación, Almacenamientos, Volúmenes de ingreso, Extracciones y Derrames registrados en un intervalo mensual. Además de información histórica, las presas de almacenamiento contienen información asociada con su curva de elevaciones-áreascapacidades, si cuentan con ella. La figura 11 muestra la gráfica de la variable de evaporación en la Presa Julián Adame Alatorre. La información numérica mostrada en las gráficas puede ser exportada a un formato de Microsoft Excel si el usuario así lo desea. [1] Departamento de Geografía, INEGI. Modelos digitales de elevación (MDE) escala 1:50,000. México. [2] Hidalgo Toledo Jorge Arturo, Francisco Salinas Estrada, Alberto Balancán Soberanís, Jaime Velázquez Álvarez, Enrique Sánchez Camacho, Alberto Güitrón de los Reyes, Armando Trelles Jasso, Ana Wagner Gómez y Ma. del Carmen Barragán Barrios. Módulo IV, La planificación hídrica. Diplomado en gestión integrada del agua. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. México, [3] Instituto Nacional de Estadística y Geografía, INEGI, Conjunto de datos vectoriales y cartas topográficas imagen digital, escala 1:50,000. México. [4] Patiño, C., McKinney D., & Maidment D. (2007). Sharing Water Resources Data in the Bi-National Rio Grande/Bravo basin. Journal of Water Resources Planning and Management. American Society of Civil Engineers. Volume 133/ Number 5. September/October 2007, pp [5] Maidment, David R. ArcHydro GIS for water resources. ESRI Press. Redlands, California, USA, Figura 11. Despliegue gráfico de los datos de evaporación reportados en presas de almacenamiento.