UNIVERSIDAD AUTNOMA DE ZACATECAS FRANCISCO GARCA SALINAS

UNIDAD ACADMICA DE INGENIERA MAESTRA EN INGENIERIA APLICADA CON ORIENTACION EN RECUSOS HIDRULICOS

SISTEMAS DE INFORMACION GEOGRFICA

PROYECTO FINAL SIG: DELIMITACION DE CUENCA DEL CAUCE DE

QUEBRADA LAS LAJAS, CIUDAD DE SAN SALVADOR, EL SALVADOR,

CENTRO AMERICA

PRESENTA: LUIS HERIBERTO MARROQUN DAZ

DOCENTE: DR. ANGEL ALFONSO VILLALOBOS DE ALBA

ZACATECAS, DICIEMBRE DE 2014

INTRODUCCIN

El presente proyecto est enfocado sobre un rea geogrfica de una microcuenca, la cual con el avance de las infraestructuras y el aumento de la poblacin presenta problemas de inundaciones, afectando sobre todo a familias que debido a los escasos recursos econmicos deciden asentarse en zonas de riesgo.

Por las consideraciones anteriores, el caso de estudio para el desarrollo de este proyecto se enfoca en un punto del drenaje urbano de la Microcuenca de la Quebrada Las Lajas, la cual corresponde a la Subcuenca Acelhuate, Cuenca Rio Lempa. Esto fue a travs de al modelacin espacial con la ayuda del Software ArcGis 9.3 y las herramientas HEC-GeoRas, y HEC-RAS. La Microcuenca es parte de la red hdrica de la Ciudad de San Salvador, Departamento de San Salvador, El Salvador, Centroamrica.

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ANTECEDENTES

En El Salvador las inundaciones son cada vez ms frecuentes, a nivel nacional desde los aos de 1995 se comenzaron a dar problemas y es ms evidente cuando las intensidades de lluvia sobrepasan los 33mm, mucha de esta situacin se debe a que parte de la cobertura vegetal ha sido reemplazada por el desarrollo de infraestructura y cultivos sin tomar las medidas necesarias para reducir la escorrenta superficial lo cual ha incidido en las partes bajas de la cuenca (Fotografas abajo). Desde 1998, cuando el huracn Mitch, produjo innumerables inundaciones a nivel nacional; las inundaciones son ms frecuentes a tal grado que actualmente las zonas ms aledaas a la quebrada de Arenal (que es donde desemboca el cauce de la quebrada Las Lajas) en la zona baja son muy susceptibles a las inundaciones todos los aos.

APLICACIN DE ARCGIS PARA DELIMITACION DE CUENCA

HIDROGRFICA MODELO DIGITAL DE ELEVACIONES (DEM)

Lo primero que necesitamos para comenzar a realizar nuestro proyecto es, descargar nuestro Modelo Digital de Elevaciones del Terreno (o nombrado como DEM por sus siglas en ingls), podemos acceder a varias fuentes, para este caso se descarg la imagen Tiff. del portal ASTER GDEM Para ello accedamos a la direccin: http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/index.jsp

Lo siguiente es registrarse en la pgina para acceder a sus contenidos

En el men Search aparecer el Mapamundi, se hace zoom hasta ubicar los cuadrantes requeridos, que para este caso sern los de la zona central de El Salvador, Centro Amrica.

Se selecciona los cuadrantes y se da click en Next.

La siguiente ser una ventana de confirmacin en la cual deberemos seleccionar los cuadrantes a descargar, proseguiremos al darle click en el botn Next.

Luego se procede seleccionar el propsito de uso de los DEM, y a aceptar las polticas de uso planteadas por el servidor.

Finalmente aparece la pantalla que nos permitir descargar los DEM

Archivos Shape de la Cuenca

Los archivos de cobertura geogrfica de El Salvador, fueron descargados desde el Geoportal de Centro Nacional de Registros (CNR) y desde la pgina del Ministerio de Medio Ambiente y Recursos Naturales (MARN) y su subportal Visualizador de Informacin Geogrfico de Evaluacin Ambiental (VIGEA)

http://www.cnr.gob.sv/index.php?option=com_content&view=article&id=953&Itemid=327

http://mapas.marn.gob.sv/vigea/login.aspx

ARCGIS

1. Iniciar ArcMap Hacer clic en el cono de la aplicacin de ArcMap, o desde el men inicio de Windows, seleccionar Aplicaciones-ArcGis-ArcMap. Se despliega la aplicacin de ArcMap. Hacer clic en la opcin A New Empty Map (Nuevo Mapa en blanco).

2. Incorporar datos en ArcMap

Hacer clic en el botn de agregar datos ubicado en la interface grfica de ArcMap y seleccionar los layers del directorio Subcuenca Acelhuate.

3. Guardar el proyecto con el nombre de Proyecto Final en la carpeta correspondiente.

4. Hacer clic en el botn de agregar datos y seleccionar del directorio DEM los archivos ASTGTM2_N13W090_dem.tiff y ASTGTM2_N14W090_dem.tiff. Presionar ADD. Presionar YES en el mensaje de construir pirmides.

5. Ahora veremos que nuestro archivo tiff y nuestros Shp, estn juntos y referenciados bajo el mismo sistema de coordenadas, esto nos permitir trabajar con los archivos en un mismo plano y facilitara de sobre manera el trabajo que se vaya a realizar.

Ahora procedemos a convertir nuestro DEM a un archivo Grid, nuestra aplicacin no reconoce de modo nativo los archivos DEM, de modo que procuramos convertirlo y dejar una referencia espacial en Data Frame. Para que nuestro archivo se georeferencie con los datos que ya tenemos en pantalla, por ultimo cambiamos el nombre con el cual se creara nuestro archivo y damos ok.

6. Ahora procederemos a ordenar y eliminar los layers que no ocuparemos

7. Ahora que se tienen 2 archivos grid, se proceder a convertirlos en un solo Raster. Esto se logra a travs de la herramienta Mosaic to New Raster. Este comando se ejecuta desde la ruta Arc Toolbox>Data Management Tools>Raster>Raster Data Set> Mosaic to New Raster

Obteniendo el siguiente resultado:

8. Se debe realizar un buffer el cual crea polgonos de la zona de influencia alrededor de entidades de entrada a una distancia especificada, Previo a esto deber iniciarse el comando Start Editing; posteriormente el Comando Buffer, esta herramienta se encuentra en ArcGis Toolbox>Analysis Tools>Proximity>Buffer.

En este caso, pondremos una distancia de 5 km.

8. Ahora, pretendemos extraer de nuestro archivo Grid, un fragmento que contenga el rea que se gener en el paso anterior y que contemple esos 5km de Buffer.

Para ellos vamos a utilizar la herramienta Extract by Mask, que se encuentra dentro de Arc Toolbox>Spatial Analyst Tools> Extraction - Extract by Mask.

Esta funcin extraer el segmento de nuestra imagen ya procesada. De modo que recortar una zona concreta del archivo.

9. Se utilizara la herramienta Fill desde ArcToolbox> Spatial Analyst Tools>Hidrology>Fill.

Nos mostrar un cuadro de dilogo en el cual nos solicitar seleccionemos el archivo en el cual queremos rellenar los huecos y el directorio donde se guardar el archivo corregido.

Esta funcin llena los huecos presentes en la malla (o grid). Si celdas con mayor elevacin rodean a una celda, el agua es atrapada en esa celda y no puede fluir. La funcin Fill Sinks modifica el valor de la elevacin para eliminar este problema.

10. Ahora se procede a determinar la direccin del Flujo por medio de la herramienta Flow direcction ubicado en Arc Toolbox>Spatial Analyst Tools>Hydrology>Flow Direction

Esta funcin calcula la direccin de flujo para una malla dada. Los valores en las celdas de la malla de direccin de flujo indican la direccin del descenso mximo para cada celda.

Al realizar esto, se pueden observar mediante colores, hacia donde drena la red de drenaje en cada punto.

11. Ahora procederemos a marcar los Flow Accumulation. Esta funcin calcula la malla de acumulacin de flujo. Esta herramienta se encuentra en: Arc Toolbox>Spatial Analyst Tools>Hydrology>Flow Accumulation.

12. Determinacin de cauces En este paso se proceder a construir la red Hdrica a travs de una condicional, por medio de la herramienta Con ubicada en Arc Toolbox>Spatial Analisys Tools>Conditional>Con

Obteniendo el siguiente resultado:

13. Se necesita converir la Red en un Shape File (*.shp) para lo cual utilizaremos la herramienta Stream to Feature ubicada en Arc Toolbox>Spatial Analisys Tools>Hidrology> Stream to Feature.

Punto de salida para el sitio de inters

14. El siguiente paso ser el establecer el punto de salida del sitio de inters, para ello cargaremos el mapa de Google Roads para tener una referencia del punto en el que se dan los problemas de inundacin. Esto se logra descargando la extensin ArcBruTile para ArcMap 9.3, e instalndola en el mismo.

Nuestro punto de inters se ubica en la interseccin de la 49 Av. Norte y Prolongacin de Alameda Juan Pablo II. Punto en el que el cauce de la Quebrada Las Lajas tiende a inundarse en poca de invierno debido a tormentas de gran intensidad y duracin. La siguiente imagen nos muestra dicha zona.

15. Creacin del punto de Salida Para este paso se requiere del uso de la Mdulo ArcCatalog. Se inicia la aplicacin y posteriormente se crea el shapefile haciendo clic derecho sobre un espacio de la carpeta del proyecto y seleccionando la opcin New>Shapefile

Nombramos el archivo, que para este proyecto ser Punto de Salida, y mantenemos la opcin de Punto como tipo de entidad.

Dado que no posee un sistema de coordenadas o Datum se procede a dar click en el botn edit, y aparece el siguiente cuadro de dilogo:

Dar click en el botn Import para pasar al siguiente cuadro de dilogo:

Seleccionar el archivo Acelhuate.shp para que importe el Datum de nuestro archivo shape. Dar click en el botn Add

Ahora nuestro punto tiene el mismo Datum que todos los elementos de nuestro proyecto. Dar click en el botn Aceptar

Ahora nuestro punto est listo para ser creado dar click en el botn Ok y nos aparece nuestro nuevo shapefile en la carpeta del proyecto:

16. Ahora regresamos ArcMap y agregamos el nuevo shapefile creado en el ArcCatalog

17. Edicin del punto. En el men Editor, seleccionamos Star Editing, seleccionamos la ubicacin de la carpeta donde queremos editar

Seleccionamos como objetivo o Target el archivo Punto de Salida y posteriormente click en el botn Skeetch tool para ubicar el punto en nuestro mapa.

Hacemos Zoom en el punto de inters y al estar seguros se d click sobre l para crear el punto.

Posteriormente hacer click en la opcin Stop Editing para guardar cambios

Luego modificaremos la simbologa para que sea ms visible en nuestro mapa:

17. Punto de drenaje Ahora se debe de definir en nuestro proyecto el punto de drenaje de nuestra cuenca de inters, con la funcin Snap Pour Point, ubicado en: Arc Toolbox>Spatial Analyst Tools>Hidrology>Snap Pour Point

18. Delimitacin de la cuenca Ahora que ya se tiene el punto de drenaje se procede a la creacin de la cuenca, esto se logra a travs de la herramienta Water Sheed ubicada en Arc Toolbox>Spatial Analyst Tools>Hidrology> Water Sheed

Obteniendo el siguiente Resultado.

19. Al haber obtenido el resultado anterior, se proceder a convertir el Raster a polgono Con la herramienta Raster to Polygon, la cual se ubica en la ruta: Arc Toolbox>Convertion Tools> From Raster > Raster to Polygon

20. Recorte Se proceder a recortar la red de drenajes para tener menos saturacin en el mapa. Esto se logra con el comando Clip ubicado en la ruta: Arc Toolbox>Extract>Clip

21. Parmetros de la Cuenca. A la cuenca delimitada, le agregamos la distribucin de la altura sobre la superficie. Para ello vamos a 3D Analyst, seguido de Functional Surface y por ultimo Interpolate Shape.

Como resultado se obtiene un nuevo archivo de la cuenca que tiene la informacin de las alturas.

Luego de que tenemos el Layer, hacemos click derecho sobre el mismo y abrimos la tabla atributiva (attributes table), en esta usamos la opcin Add Field. Agregamos los campos Area, permietro, Zmin, Zmax, Xcentroid, Ycentroid. Una vez agregado cada campo damos clic derecho sobre el mismo y seleccionamos la opcin Calculate Geometry.

Aparece una ventana donde aparecen todas las propiedades de la cuenca que podemos calcular.

Debido al sistema de coordenadas empleado en este proyecto, no fue posible hacer el clculo de estas geometras, con la ayuda de ArcMap. Por tanto se exportarn los Layers de los cauces y de la cuenca a un formato DWG para obtener estos parmetros en Autocad:

De Autocad se tiene que:

AREA DE LA CUENCA 6.3 Km2 PERIMETRO DE LA CUENCA 176222 m LONGITUD DEL CAUCE PRINCIPAL 7472 m

CONSIDERACIONES HIDROLGICAS DE DISEO

Dado que la cuenca de la Quebrada las Lajas es de una superficie menor a 200km2, es posible estimar el Gasto de Diseo para nuestro cauce a travs del Mtodo Racional.

Por tanto,

Q=0.278 CIA donde, Q= Caudal de diseo (m3/s) C= Coeficiente de escurrimiento I= Intensidad de la lluvia de diseo (mm/h) A= rea de la Cuenca (km2)

Considerando un 80% de la cuenca como de tipo urbano C=0.41 para un periodo de retorno de 10 aos, y C=0.45 para un perodo de retorno de 25 aos. Por tanto el 20% de la cuenca se trabajar como Matorral C=0.35 para un periodo de retorno de 10 aos, y C=0.36 para un perodo de retorno de 25 aos.

C ponderado para 10 aos= 0.40 Cponderado para 25 aos = 0.43

Se tienen registros de lluvia para un evento de inundacin en la cuenca de estudio:

Se tomar una intensidad de 69mm/h (obtenida por el mtodo aritmtico)

Q10= 0.278(0.5)(82mm/h)(2.894 km2) =48.3 m3 / seg

Q25= 0.278(0.5)(82mm/h)(2.894 km2) =52 m3 / seg

HEC-GEORAS

Debido a la poca informacin geogrfica de El Salvador, en formato Shape; para fines acadmicos se proceder a realizar las simulaciones de Hec-GeoRas y Hec-Ras para la Microcuenca del rea urbana de Santa Rita, del Municipio de Guadalupe, Zac.

Se delimit la cuenca siguiendo los pasos mostrados previamente en este documento hasta este punto. Y posteriormente se procede como se describe a continuacin:

1. Lo primero antes de utilizar la herramienta HEC-GeoRAS es la creacin de un DEM en formato de Red Irregular de Triangulos (TIN por sus siglas en ingls). Para ello cargaremos el layer de curvas de nivel y haremos uso de la barra de herramientas 3D Analyst, click en el botn 3D Analyst y seleccionamos la ruta Create/Modify Tin> Create Tin from Features

2. Dibujar el cauce Para ello accesaremos a travs de la barra de herramientas de HEC-GeoRAS a la ruta: RasGeometry>Create Ras Layer> Stream Centerline.

Con esto se crea un fichero vectorial (de lneas) en una geodatabase en el que se digitalizar el eje del ro.

Luego aparece el cuadro de dialogo:

Y finalmente aparece nuestro nuevo layer River

3. Ser necesario digitalizar el nuevo layer creado, para lo cual se har uso de la herramienta de edicin.

Se Dibuja segmentos con sucesivos click del botn izquierdo del ratn que no son ms que puntos de una polilnea, para cerrar la polilnea hacemos doble click sobre el botn izquierdo. Una vez terminada la edicin volvemos al desplegable Editor y seleccionamos Stop Editing.

Es importante mencionar que la lnea se digitaliza iniciando aguas arriba del cauce, como se muestra en la figura:

Para efectos de simplificar proceso, se digitaliz nicamente el cauce principal:

2. Lneas de Margen del Cauce Se proceder a dibujar las lneas del margen del cauce respetando siempre el comenzar aguas arriba. Esto se logra con la herramienta: RAS Geometry / Create RAS Layer / Banks Lines,

Generamos la capa vaca y procederemos a digitalizarla de la misma forma que previamente hicimos con el eje del rio. En este caso debemos comprobar que en la casilla Target se encuentra el nombre de la capa que queremos editar, en nuestro caso Banks.

3. Dibujar los flowpaths o centroides de las zonas por donde preveamos que circular el flujo de agua: RAS Geometry / Create RAS Layer / Flow Path Centerlines: El corte de estas lneas con las secciones transversales definen los puntos entre los que se medir automticamente, siguiendo esa lnea, la distancia entre secciones por las mrgenes.

Bastar ahora con cerciorarnos de que se toma el eje del ro correcto y se le deja el nombre por defecto para los Flowpaths.

Luego de haber editado el layer, es necesario definir, para cada segmento, su situacin:

izquierdo (left), derecho (right) o cauce (channel). Esto se logra con el botn ubicado en la barra de herramientas de HEC-Ras

Define la posicin de flow path centerlines, al pulsarlo se van sealando los segmentos de lnea con el cursor y en la caja de dialogo se elige la posicin que corresponda.

4. Dibujar las secciones transversales:

RAS Geometry / Create RAS Layer / XS Cutlines. De nuevo generamos el archivo vaco al que llamaremos XSCutlines.

Las secciones cortan perpendicularmente al flujo, se digitaliza desde el margen izquierdo al derecho y deben cortar solo UNA vez tanto al eje como a los banks y a las lneas flowpaths.

Existen dos formas de definir las secciones una es manual y la otra es automticamente con el botn . Para este proyecto se realizar de la forma manual por medio del men edicin

En este proceso debe tenerse muy presente 2 consideraciones: a. No se pueden cortar dos secciones. b. Las secciones cortan perpendicularmente al flujo, se digitaliza desde el margen izquierdo al derecho y deben cortar solo UNA vez tanto al eje como a los banks y a las lneas flowpaths.

Luego se procede a verificar las lneas y corregir la perpendicularidad de las mismas:

5. Aadir topologa y elevacin al cauce: Ras Geometry / Stream Centerline Attributes aade informacin automticamente a cada elemento, generando capas en 3 dimensiones.

Es necesario seguir el orden de ejecucin que se indica (Topology, Lengths/Station, Elevations o directamente All) y comprobar el esperado successfully. Se optiene la capa river3D.

6. De igual forma se aade topologa y elevacin a las secciones transversales: Ras Geometry / XS Cut Line Attributes

Se realizan las operaciones consecutivamente o directamente se elige All.

7. Comprobar las capas antes de llevarlas a HecRas: Ras Geometry / Layer Setup nos permite visualizar los ficheros a incluir en el archivo de importacin.

8. Crear el fichero de importacin para HEC-RAS: Ras Geometry / Extract GIS data que prepara el fichero que posteriormente ser ledo por Hec-Ras. Este fichero de texto se guarda con formato *.sdf

HEC-RAS

HEC-RAS nos permitir generar los perfiles del cauce y simular la inundacin de acuerdo a una precipitacin dada.

Este es un software externo a ArcMap, por lo cual para ejecutarlo debemos de buscarlo dentro de nuestras aplicaciones:

1. Crear proyecto. Al iniciar Hec-Ras lo primero que debemos hacer es crear un proyecto nuevo. En este caso se denomir Santa Rita

2. Lo siguiente ser importar la geometra del proyecto a travs del men Edit /Geometric Data

Aparecer una nueva ventana. Seleccionar del men: File/ Import Geometry Data/GIS format buscando el archivo *.sdf generado por ArcGis.

En las opciones de importacin elegir Unidades del sistema mtrico SI (metric) units. Pulsamos Next.

Comprobamos los datos en la pestaa River Reach Stream Lines. Pulsamos Next

En la pestaa Cross Sections and IB Nodes, aadimos la informacin en las ventanas Import River e Import Reach y redondeamos el nmero que nos identifica las secciones. Round Selected RS.

Pulsamos Finished Import Data.

Obtendremos el siguiente resultado