Cuenca Hidrográfica del Río Patía PDF

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Capítulo de hidrología, sobre la cuenca hidrográfica del Río Patía. ...

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CUENCA HIDROGRÁFICA DEL RÍO PATÍA (ALTO-MEDIO-BAJO) Autores: Maryi A. Ballen Ortiz - 35935 Correo: [email protected]

Nallyber S. Garzón Castro - 36257 Correo: [email protected]

Mario A. Serna Florez - 33852 Correo: [email protected]

RESUMEN Este articulo integra diferentes conceptos aplicados al análisis de la cuenca del Rio Patía (Baja, media y alta) para posteriormente realizar la caracterización morfológica; teniendo en cuenta las características morfométricas, geográficas, climáticas, uso del suelo y cobertura vegetal de la cuenca. Para el desarrollo de los ítems se siguen aspectos como el marco teórico, la información proporcionada por el IDEAM de estaciones hidrológicas y meteorológicas de la cuenca y la construcción de conclusiones a partir de resultados obtenidos de los diferentes cálculos realizados. Con esta información es posible calcular el caudal de diseño, donde se puede establecer la relación que existirá entre la precipitación y su coeficiente de escorrentía superficial, de tal forma que se pueda conocer la perdida de agua tanto por escorrentía como evapotranspiración y a partir de allí realizar diseños de obras en los que el riesgo de falla sea el menor posible. PALABRAS CLAVES: Cuenca, cauce, pendiente, drenaje, estaciones hidrológicas y metereologicas, IDEAM, ArcGIS, Índices representativos, precipitación, escorrentía, cobertura vegetal, hidrograma, hietograma, curva de masa, curva IDF, curva hipsométrica, tiempo, periodo de retorno. ABSTRACT This article integrates different concepts applied to the analysis of the Patia river basin (Low, medium and high) to perform the morphological characterization; taking into morphometric, geographical, climatic features, land use and plant cover of the basin. To carry the items out, it follows aspects such as the theoretical framework, the information provided by the IDEAM of hydrological and meteorological stations of the basin and the conclusions obtained from the

different calculations carried out are followed. With this information it is possible to calculate the design flow, where you can establish the relation will exist between precipitation and its surface runoff coefficient, so that you can know the water loss by both runoff and evapotranspiration and from there perform designs of works in which the risk of failure is the lowest possible KEY WORDS: Basin, channel, slope, drainage, hydrological and meteorological stations, IDEAM, ArcGIS, representative indices, precipitation, runoff, vegetation cover, hydrograph, hietogram, mass curve, IDF curve, hypsometric curve, time, return period. INTRODUCCIÓN En el presente artículo se pretende estudiar las características morfométricas y el comportamiento hídrico de la cuenca del Río Patía, por medio de Sistemas de Información Geográfica (SIG) y fuentes de información secundaria (IDEAM). El Río Patía nace en las faldas del Volcán Sotará a 4.580 m de altura como Río Timbío y adopta el nombre a partir de la confluencia del Timbío con el Río Quilcasé a 57 Km de su origen, a unos 600 m.s.n.m. de elevación. [ CITATION Cam11 \l 3082 ]. En su recorrido abarca los departamentos de Cauca y Nariño, alcanza una longitud aproximada de 360 km y su área hidrográfica cubre una extensión cercana a los 24000 km2.[ CITATION Cor11 \l 3082 ]. A lo largo de su curso recibe numerosos afluentes como los ríos Guachicono, Mayo, Juanambú, Guáitara, Telembí, Magüí, Mamaconde, Piusbí y Nansalví. Los ríos Juanambú y Guáitara se conecta a 130 Km de su origen (terminando aquí la planicie aluvial). El río penetra en una serie de angostos y profundos cañones a lo largo de 15 Km atravesando la Hoz de Minamá1 a una elevación de 400 m.s.n.m. El área de drenaje del Alto Patía hasta la Hoz de Minamá es de 13,123 Km2, la vertiente principal del Alto Patía es la Cordillera Central; por ello los mayores tributarios son los de la margen izquierda. El principal afluente, el Río Guáitara, drena toda la 1 Esta es un imponente cañón de más de 1 Km de profundidad y 60 Km de largo, mediante el cual se corta la Cordillera Occidental.

1

zona del sur en el Altiplano Nariñense (2,500 a 3,000m), bordeado e interrumpido por numerosos conos volcánicos. Posteriormente atraviesa la planicie del Pacífico nariñense y desemboca en el Océano Pacífico, formando un amplio delta de una extensión aproximada de 5000 km2. [ CITATION Cor12 \l 3082 ]. El relieve de la cuenca se conforma principalmente de un valle donde comienza la planicie aluvial del río Patía, dejando en su paso grandes mesetas y terrazas aluviales. La zona del Juanambú abarca terrenos quebrados, muy disectados. Posee una gran riqueza hídrica con muchos nacimientos y fuentes hídricas, además de paisajes naturales como cascadas, caídas de agua, gran variedad de flora. Siendo la principal esta cuenca.[ CITATION Cor11 \l 3082 ]. Ver Anexo 1 - Mapa 12.

Tabla 1. Fórmulas empleadas para la obtención de los resultados de Morfometría de la cuenca del Río Patía. ÍTEM Índice de Factor Forma (FF) Índice de Gravelious (K) L (mayor)

l (menor)

METODOLOGÍA 1. LLENADO DE DATOS FALTANTES: Debido a que algunos datos de las estaciones presentaban datos incompletos o faltantes, se procede a realizar un llenado de datos por medio de un Promedio Aritmético. Este proceso se hace a partir de la suma total de todos los datos/mes de precipitación de cada año, para después dividir por la ubicación del dato faltante (número de puesto en el que este se encuentra). Ejemplo: Datos mensuales de precipitación (mm) – Estación A

Año 1 2 4 5 6 7 8 **9 10

Precipitación Pi (mm/mes) 1 1 2 0 17 28 0 *---3

*Dato faltante en la serie **Posición del dato faltante (9)

Pendiente cuenca (S)

Densidad de drenaje (Dd)

FÓRMULA

Áreacuenca FF= (Longitud)2 0,028∗Perímetro cuenca K= √ Áreacuenca 1,12 K ¿ ¿ L= 1−¿ 1+√ ¿ K ∗¿ 1,12 1,12 K ¿ ¿ 1−¿ 1− √ ¿ K ∗¿ l= 1,12 Desnivel dela cuenca( S= Lado mayor del rectángulo equ Lc Dd= AT Lc: Longitud total de las corrientes perennes e intermitentes (Km2) AT: Área total de la cuenca (Km2)

Fórmula:

¿∗¿ ¿=

∑ Pi ¿

Por tanto;

*=

52 9

= 5,7

mm

2. MORFOMETRÍA: Para llevar a cabo la obtención de los resultados de este estudio de investigación de la cuenca del Río Patía, se hizo uso de la herramienta de información geográfica ArcGIS para la obtención de mapas y datos espaciales dentro de la cuenca y se aplicaron las siguientes fórmulas:

Curva Hipsométrica: La construcción de esta curva se hace en base al área que queda Vs la altitud que presenta la cuenca del Río Patía como se observa en el Excel – Libro 1, Pestaña: Morfometría – Curva Hipsométrica. Para la obtención de este parámetro se siguen los siguientes pasos: i) Se halla la superficie o área entre curvas de cada curva de nivel por medio de la herramienta ArcGIS; ii) Se obtiene el área acumulada y; iii) Se calcula el área que queda restando cada área acumulada por curva de nivel del área total de la cuenca. Red de drenaje: La elaboración de la red de drenaje se hizo en base a los mapas de acumulación, dirección y longitud de flujo visualizados en el Anexo 1 – Mapa 7, 8 y9. 

Orden de las corrientes: Para obtener este parámetro, primero se halla el mapa de Acumulación de Flujo (Ver Anexo 1 – Mapa 2) en ArcGIS por medio del archivo DEM (Ver

2

Anexo 1 – Mapa 1) del Río Patía con el comando Spatial Analyst Tools – Hydrology – Flow Accumulation y el Mapa de Dirección de Flujo con el comando Spatial Analyst Tools – Hydrology – Flow Direection (Ver Anexo 1 – Mapa 3); luego, se halla la red de drenaje aplicando Log 10 al Mapa 2 por medio del comando Spatial Analyst Tools - Map Algebra – Raster Calculator con el fin de hacer visible la red de drenaje (Ver Anexo 1 – Mapa 3); después, aplicamos un condicional >2 al Mapa 2 para que sean visibles los drenajes más importantes de la cuenca (Ver Anexo 1 – Mapa 4). Aplicamos el comando Spatial Analyst Tools – Hydrology - Stream Link por medio del Mapa 3 al Mapa 2 para interconectar la red hídrica (Ver Anexo 1 - Mapa 5) y; se procede a calcular el Orden de las corrientes por medio del Mapa 3 y el comando Spatial Analyst Tools – Hydrology - Stream Order. Después de obtener nuestro mapa de orden de las corrientes, lo convertirnos a formato shp. por medio del comando Spatial Analyst Tools – Hydrology - Stream to Feature para poder calcular la longitud de los cauces de la cuenca. 

Densidad del drenaje: Para la obtención de este dato, se tuvieron en cuenta todas las corrientes de la cuenca como perennes e intermitentes; se hace una suma de todas las longitudes que presentan estas corrientes y esta suma total se divide en el área total de la cuenca.

3. ESTACIONES HIDROLÓGICAS Y METEREOLÓGICAS DEL IDEAM: Para la obtención de los resultados se hizo uso de la información suministrada por el IDEAM (Ver Excel – Libro 2, Datos Mensuales de Precipitación IDEAM) y se tuvieron en cuenta 10 años de registro por estación, aplicando las fórmulas presentes en la Tabla 2. Promedio Aritmético de precipitación. Para la obtención de este dato se realiza un promedio anual por estación y después se procede a calcular el promedio total de la estación (Pi) para posteriormente calcular la precipitación media de la zona con la formula Nº 1, donde n=número de estaciones presentes (21). Para ver el procedimiento, ver Excel – Libro 1, Pestaña: Precipitación Media.

Promedio de precipitación por polígonos de Thiessen. Para la obtención de este dato se procede a calcular por medio de la herramienta ArcGIS el área de influencia parcial del polígono correspondiente a la estación meteorológica activa (Mapa 3 – pág. 5), después se multiplica el área de cada polígono (Ai) por la precipitación obtenida por el promedio de cada estación (Pi) y se realiza una suma total de (columna Ai*Pi en el Excel – Libro 1, Pestaña: Precipitación Media) para así aplicar la fórmula Nª 1. Hietograma y Curva de masa de precipitación. En este paso se tuvo en cuenta la estación meteorológica pluviométrica MAMACONDE. Para la obtención de estas dos gráficas se siguen los siguientes pasos: i) Se obtiene el promedio anual de precipitación; ii) Se calcula el tiempo estimado teniendo en cuenta que 1 año tiene 365 y 1 día tiene 24 horas, obteniendo como resultado un total de 8760 horas/año por evento; iii) Se calcula la precipitación y tiempo acumulado; iv) Se procede a calcular la intensidad dividiendo la precipitación anual en el tiempo total en horas y; v) Se grafica la Intensidad Vs Tiempo Acumulado para obtener el Hietograma y la Precipitación promedio Vs Tiempo Acumulado para la obtención de la Curva de masa. Hidrograma unitario. En este paso se tuvo en cuenta la estación hidrológica PUENTE CARRETERA MAMACONDE cercana a la estación MAMACONDE utilizada para la realizar el Hietograma y la Curva de masa. Para la obtención del Hietograma unitario se tienen en cuenta los siguientes pasos: i) Se obtiene el promedio anual de caudal; ii) Se calcula el tiempo estimado teniendo en cuenta que 1 año tiene 365 y 1 día tiene 24 horas, obteniendo como resultado un total de 8760 horas/año por evento; iii) Se calcula el tiempo acumulado; iv) se procede a calcular el volumen total con la sumatoria de los caudales multiplicado por 31’536.000 segundos que tiene un año; v) Se calcula la altura de lluvia dividiendo el volumen en m3 con el área total de la cuenca en m2, obteniendo como resultado la altura de lluvia en metros para convertirla a milímetros; vi) Posteriormente se calcula la ordenada dividiendo el caudal promedio anual (Qi) entre la altura de lluvia y; vii) se grafica la ordenada Vs el tiempo acumulado para la obtención del Hidrograma unitario. (Ver Excel – Libro 1, Pestaña: Hidrograma Unitario).

3

Caudal de diseño por el Método racional. Para el cálculo del caudal de diseño se deben obtener las siguientes variables:

0,60 según Benitez, (1980) [ CITATION And06 \l 3082 ]. También se encontrar cobertura de hierba en un 15% comprendiendo un área de 1515,09 km2 con un coeficiente de escorrentía de 0,40. El resto de área que queda se evalúa en un 15 % donde se presume que es un área de 1515,09 con una cobertura de pastos con vegetación ligera, siendo una zona que se presta para la ganadería, con un coeficiente de escorrentía de 0,45 según Ràzuri (1984) [ CITATION And06 \l 3082 ].



Tiempo de concentración. Se utilizaron los métodos de Kirpich, Fórmula Australiana, California y Perez (Ver Anexo 2 – Tiempo de Concentración). Descripción de los métodos. (Ver Excel – Libro 1. Pestaña: Tiempo de concentración).



Intensidad. Después de obtener el tiempo de concentración se halla la intensidad con la curva IDF. Para obtener el valor de la intensidad se tiene en cuenta el valor máximo de duración de la gráfica de la curva IDF de la estación MERCADERES (Ver Anexo 3 Curva IDF).

Promedio aritmético:

Coeficiente de escorrentía. Para poder determinar el coeficiente de escorrentía se tiene en cuenta el tipo de vegetación, pendiente y textura correspondiente al suelo (Ver Anexo 1 – Mapa 10 y 11), donde se cuenta con diferentes tipos de vegetación por lo cual se determina el coeficiente de escorrentía para terrenos cultivados, bosques y otros usos, de tal manera se procede a realizar un promedio aritmético que permite obtener un coeficiente de escorrentía general de la cuenca hidrográfica del rio Patía.

Caudal de diseño por el método Gumbell. En este paso se tuvieron en cuenta 20 años de registro de la estación hidrológica FONDA LA de categoría limnigráfica. Para la obtención del caudal de diseño por el método de Gumbell se tienen en cuenta los siguientes pasos: i) Se calcula el caudal promedio anual (Qi); ii) Se hace una sumatoria de todos los caudales obtenidos; iii) El resultado obtenido de la suma de los caudales se eleva al cuadrado (Qi 2); iv) Se obtiene el caudal medio (Qm) dividiendo la suma de los caudales entre el número de años de registro (20 años); v) el caudal medio se eleva al cuadrado (Qm2); vi) Se calcula la desviación estándar (σQ) aplicando la fórmula Nº 3; vii) Se calcula σN y ӮӮN para el número de años de registro (20 años) con la Tabla – Valores de σN y ӮӮN en función de N (Ver Anexo 4); viii) Se calcula el caudal máximo (Qmáx) con la fórmula Nº 4 teniendo en cuenta un periodo de retorno (T) de 50 y 100 años. ix) Se calcula el Ø con la fórmula Nº 5 para un T de 50 y 100 años; x) De acuerdo a los valores de Ø, se calcula el intervalo de confianza ∆Q (para este caso Ø>0,90) con la fórmula Nº 6 y; xi) se calcula el caudal de diseño (Qd) para T igual a 50 y 100 años sumando el ∆Q con los valores de Qmáx para el T correspondiente. (Ver Excel – Libro 1, Pestaña: Caudal de Diseño - Gumbell).



(4171,14∗0,30 ) +( 1617∗0,70) + ( 1313∗0,60) + (1515,69∗0,40 )+(1515,09∗0,45) C= 10100,65 C= 0,4414

Coeficiente de escorrentía terrenos cultivados: El coeficiente para este tipo de vegetación es de 0,70 teniendo en cuenta que la pendiente oscila entre un 10-30 porciento [ CITATION Fer06 \l 3082 ], comprendiendo un área de 1617 km2, correspondiente a un 16% del área total. Coeficiente de escorrentía bosques: El coeficiente para este tipo de vegetación es de 0,30, teniendo en cuenta que la pendiente oscila entre un 10-30 porciento [ CITATION Fer06 \l 3082 ], comprendiendo un área de 4171,14 km2, correspondiente al 41,29% del área total. Coeficiente de escorrentía para otros tipos de cobertura vegetal: Para logar hallar un coeficiente de escorrentía al área faltante se tienen en cuenta diferentes variables que permiten definir que se encuentran zonas sin vegetación equivalente a 1313 km2 (13%). Siendo su coeficiente de escorrentía

Tabla 2. Fórmulas empleadas para la obtención de los resultados de Precipitación e Hidrología de la cuenca del Río Patía. Nº

ÍTEM

FORMULA

4

Promedio Aritmético

1

ṖṖ =

Precipitació n media de la zona (ṖṖ)

2

Pi n

n

Polígono de Thiessen

ṖṖ =

( Ai∗Pi) ∑ i=1 Área total Qi2−N∗Qm2 ¿ ¿

3

Desviación estándar (σQ)

σQ

N

=

∑¿ i=1

¿

√¿

dato, se utilizó la herramienta de información geográfica ArcGIS, mediante el comando Measure y midiendo cada tramo del cauce principal identificado. 1.1.4

Longitud de la cuenca.

La longitud de la cuenca del Río Patía es de aproximadamente 240,02 Km como se observa en el Anexo 1 – Mapa 8. Para la obtención de este dato, se utilizó la herramienta de información geográfica ArcGIS, mediante la herramienta Measure.

N: Número de años de registro (20 años)

4

Caudal máximo (Qmáx) T=50 años

5

Ø

T=100 años

6

Intervalo de confianza (∆Q)

7

Caudal de diseño (Qd)

Qmáx=Qm −

σQ (Ӯ N− σN

1 1−T 1,14∗σQ ∆ Q= σN Qd = Qmáx + ∆Q

RESULTADOS 1.

CARACTERÍSTICAS MORFOMÉTRICAS DE LA CUENCA.

1.1 DELIMITACIÓN DE LA CUENCA. 1.1.1

Área de la Cuenca.

La cuenca del Río Patía tiene con un área de 10100,65 Km2 aproximadamente. Para la obtención de este dato, se utilizó la herramienta de información geográfica ArcGIS, mediando el shp. zonificación Hidrológica. 1.1.2

Perímetro.

1.1.5

Altura Máxima y Mínima.

La altura máxima en la cuenca del Río Patía es de 4400 m.s.n.m y la altura mínima es de -19 m.s.n.m. Para la obtención de este dato se utilizó el DEM de la cuenca del Río Patía y mediante la herramienta Spatial Analyst Tools – Reclass – Reclassify en ArcGIS, se obtuvieron las cotas. Tabla 3. Curvas de Nivel de la cuenca del Río Patía. Curvas de nivel (m.s.n.m.) MIN

MAX

-19

292

292

680

680

954

954 1257

1257 1603

1603

1967

1967

2366

2366

2927

2927

4400

1.2 CURVA HIPSOMÉTRICA. La curva hipsométrica nos relaciona las alturas con las áreas entre curvas en la cuenca.

La cuenca del Río Patía presenta un perímetro aproximado de 1116,94 Km. Para la obtención de este dato, se utilizó la herramienta de información geográfica ArcGIS. 1.1.3

Longitud del cauce principal.

La longitud del cauce principal es la distancia equivalente que recorre el río entre el punto de desagüe aguas abajo y el punto situado a mayor distancia topográfica aguas arriba. Esta longitud es de aproximadamente 461,26 Km como se observa en el Anexo 1 – Mapa 7. Para la obtención de este 5

Gráfico 1. Curva Hipsométrica de la cuenca del Río Patía.

L (mayor):

539,42

l (menor):

18,73

A (Km2)

Li (Km)

5380,45

287,26

918,07

49,02

949,62

50,70

848,41

45,30

607,43

32,43

599,33

32,00

426,77

22,79

246,16

13,14

124,41

6,64

1.5 PENDIENTE DE LA CUENCA. 1.3 ÍNDICES REPRESENTATIVOS. El índice de Factor Forma es la relación entre el ancho medio de la cuenca y la longitud de su cauce principal. El índice de Gravelious o índice de compacidad (K), es la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de un círculo de área igual a la de la cuenca. Este valor K no podrá ser menor a la unidad (1) y, a medida que el valor de K se acerque a 1, la forma de la cuenca tenderá a parecerse a la de un círculo; si el resultado tiende a ser mayor a la unidad, l...