Este cuaderno es una guía para facilitar el desarrollo de la actividades en clase de los cursos: Hidroclimatológia (pregrado y posgrado) y Modelación de procesos hidrológicos de la FEAR-PUJ y fue consolidado con la ayuda de Satia Acevedo, estudiante de la Maestría en Hidrosistemas en la PUJ.

1. Delimitación Cuencas- Aplicación de software ArcGIS PRO

Para trabajar con esta versión de ArcGIS, deberá tener un usuario y contraseña generado por la PUJ o solicitar una versión de prueba gratuita de 21 días en el siguiente link [https://www.esri.com/es-es/arcgis/products/arcgis-pro/trial]

1.1. Procedimiento:

A continuación se describen los pasos que se deben seguir para obtener la delimitación de una cuenca hidrográfica

  1. Cargar el DEM a ArcGIS PRO
  2. Corrección del DEM
  3. Delimitación

1.2. Caso de estudio:

Cuenca del Río Páez (Huila) con cierre en la estación limnigráfica PAICOL AUT

Código Nombre Categoría Tecnología Estado Departamento Municipio Y X Altitud
21057060 PAICOL - AUT Limnigráfica Automática sin Telemetría Activa Huila Tesalia 2.46 -75.76 785

El primer paso consiste en ubicar geográficamente el sitio objeto de interés. Nuestra delimitación se realizará sobre el Río Páez hasta la estación Limnigráfica Paicol [cod 21057060] en el departamento del Huila, municipio de Tesalia. Luego de identificar la zona es necesario seleccionar el tipo de Modelo digital de elevación (DEM) que se puede usar para tal fin. En este ejercicio usaremos el SRTM de 30m proporcionado en clase.

1.3. Acceso al Software ArcGIS PRO

En el buscador de su computador ubique el programa ArcgGIS Pro. Para abrirlo haga doble clik en el nombre e ingrese con su usuario y contraseña. En algunos casos puede tener un ícono de escritorio que le permita acceso directo o en otros casos deberá ir hasta aplicaciones para lograr encontrar el software.

Después se debe iniciar sesión con el usuario y contraseña dados en la licencia.

Al iniciar el software encontramos la siguiente pantalla (ver imagen), donde según el proyecto se pueden elegir diversas opciones. Para proyectos ya creados puede revisar el panel izquierdo (flecha azul), si se desea iniciar un nuevo proyecto se pueden seleccionar las siguientes opciones:

  • Proyecto en blanco: se selecciona “start without a template” (rosado),
  • __Proyecto con mapa base: se selecciona la opción “map” (morado),
  • Proyecto en 3D: se pueden escoger las opciones “global” o “local” (amarillo).

Si selecciona un nuevo proyecto (con mapa base o sin formato), se debe primero guardar el archivo que esta creando. Para esto, se recomienda que guarde en la carpeta que contenga todos los datos y capas necesarias para desarrollar el proyecto.

Al iniciar un nuevo proyecto veremos la siguiente pantalla:

  • Panel Izquierdo encontramos la ventana “contents” donde se podrán visualizar las capas del proyecto.
  • Ventana central espacio donde se podrá visualizar toda la información SIG.
  • Panel superior donde encontrarán diferentes opciones como: map, insert, edit.
  • Panel derecho encontrará información de la capa que esta visualizando

1.4. Ingresar el DEM a ArcGIS PRO

En el proceso de delimitación de una cuenca, es necesario cargar un Modelo de Elevación Digital (DEM). Para cargar el DEM (o cualquier capa) tenemos 3 opciones:

  • Opción 1: Parte superior de la pantalla en el menú MAP seleccionamos la opción “Add data” donde podremos abrir el explorador del computador y escoger las capas que cargaremos de la carpeta donde están almacenadas.
  • Opción 2: Catálogo ubicado en la parte derecha de la pantalla. Se ubica el archivo y se arrastra hasta el lado izquierdo de la pantalla en la ventana Contents.
  • Opción 3: Explorador de Windows podemos arrastrar los archivos desde el explorador de archivos de Windows.

Después de subir el DEM, este se debe proyectar en el sistema de coordenadas correcto. Para esto seleccione la capa en “content” y dirijase a la barra superior de “Analysis”, luego seleccionamos “tools” donde se despliega una nueva ventana en la parte derecha. En esta ventana se abre el menú en Toolboxes (lado izquierdo de la ventana) y luego busque la caja de herramientas: “Data management tools”. Una vez allí, se busca la opción “projections and transformations”. En ese submenú seleccione la opción “raster” y finalmente la opción “define projection”. Para Hidrología asegúrese siempre de trabajar coordenadas planas.

Otra opción para definir su sistema de coordenadas es seleccionar en la parte inferior de la ventana un sistema de unidades UTM.

Una vez cargado y ajustado el DEM, se debe iniciar el proceso de identificación y localización del punto de salida de la cuenca (para el ejercicio en clase será la estación PAICOL AUT), tenga en cuenta que este corresponde a una estación hidroclimatológica. Para esto deberá exportar el punto a un archivo tipo véctor (punto), a partir de catálogo nacional de estaciones (el cual esta disponible en la página DHIME del Ideam).\

Si su proceso posterior será la modelación, recuerde que este punto deberá ser una estación Limnimétrica o Limnigráfica y deberá tener disponibilidad de información para datos de caudal.

Una vez exportado el punto de la estación en un único archivo, suba la capa y deshabilite la visualización de todo el catálogo de estaciones. Esto con el fin de tener un espacio de trabajo más limpio. Cambie el tamaño del punto para que sea facilmente reconocido y asigné un color que resalte entre el DEM.

Dado el tamaño del DEM, se debe realizar un recorte para optimizar los recursos físicos del PC en el procesamiento del ráster. Para ello, antes tendrá que reconocer la zona o área que abarca la cuenca hidrográfica a modelar. Para esto es recomendable tener en cuenta el punto de salida (estación) de la cuenca. Así, después tendrá que generar un polígono (de preferencia rectangular) que cubra la zona identificada, esto lo hará de la siguiente manera:

  • En la barra de Catálogo, busque la opción folders y en ella seleccione la opción nuevo y a continuación la opción shapefile. Para crear el archivo asegúrese de que este tenga una geometría tipo polígono y que este en coordenadas planas.

Una vez creado el archivo, podrá visualizarlo como una capa en la ventana de Contenido, al lado derecho de la pantalla. En este caso, el archivo ha sido llamado rectangulo1.

Con el archivo creado, deberá ahora dibujar el polígono (rectángulo) con el que vamos a delimitar el área de la cuenca. Para ello, deberá seleccionar el archivo (en este caso llamado Rectangulo1) y en el panel superior seleccionar la opción Edit, y luego buscar la opción Create. Una vez seleccionada, encontrará un menú de opciones (figuras) en la ventana derecha de la pantalla. Para iniciar el dibujo, deberá seleccionar una esquina del polígono y completar el recuadro.

Una vez finalizado el proceso tendrá el rectángulo almacenado en un archivo tipo véctor y lo podrá visualizar en la ventana como se muestra a continuación:

Ahora sí, estamos listos para realizar el recorte. Para esto, es importante interpretar que lo deseado es recortar un ráster a partir de un vector. Para iniciar, vamos a la barra de herramientas (menú Analysis<Tools), abrimos la caja de herramientas Toolboxes, y allí se busca la opción Spatial Analyst Tools, luego abrimos la opción Extraction y después seleccionamos la herramienta Extract by Mask (extracción por mascará). A partir de esto habrá emergido una ventana, en la cual las entradas serán: el DEM (ráster), el rectángulo (vector) y el nombre del ráster de salida con la especificación de la ruta de guardado, en ese mismo orden. Si el proceso es correcto, podrá visualziar la capa en la tabla de contenidos (menú izquierdo de la ventana).

Otra forma de hacer este proceso es buscar directamente en las herramientas de geoprocesamiento por una palabra clave, en este caso: extract. Recuerde que la búsqueda de palabras clave dependerá del idioma base del programa que tenga instalado. Si esta en inglés, debe buscar la palabra clave en inglés.

Al seleccionar la opción de extracción por máscara, tendrá una ventana emergente en la que podrá guardar el nuevo archivo creado.

Con lo anterior, se ha logrado el preprocesamiento general de la información y es posible iniciar el proceso de delimitación de la cuenca hidrográfica.

Iniciaremos este proceso, realizando una pequeña corrección al DEM con el objetivo de eliminar algunas imperfecciones (llenado de espacios, o corrección de datos vacíos). Para esto, se hace una interpolación simple llamada Fill. Para ejecutarla, dirijase al menú ArcToolbox y luego busque la opción Spatial Analyst Tools, es la encuentra en la caja de herramientas Hydrology; luego seleccionamos la herramienta Fill, y en la ventana que emerge sólo se pondrá el DEM a corregir (el obtenido en el recorte) y se definirá la ruta y nombre del ráster de salida (para guardar el archivo). El resultado también será agregado a la tabla de contenido para su visualización.

También, en ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology se utiliza la herramienta Flow Direction para identificar la dirección de los flujos que se dan en el DEM en base a las pendientes, aquí el dato de entrada será el DEM al que se le aplicó Fill. También, podrá definir el nombre y carpeta para guardar el archivo de salida, a su vez, el resultado se deberá cargar automáticamente en la tabla de contenido.

Luego, siguiendo dentro de la caja ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology se usa la herramienta Flow Accumulation, la cual va a generar un ráster que determina la red hídrica conforme a las acumulaciones de los drenajes del DEM interpretados gracias al resultado del Flow Direction, por lo cual, este último es el dato de entrada al proceso. También, podrá definir el nombre y carpeta para guardar el archivo de salida, a su vez, el resultado se deberá cargar automáticamente en la tabla de contenido.

Ya aquí, a partir del resultado obtenido en el Flow Accumulation y el punto de la estación de salida, se realiza un proceso de manera manual, el cual es sumamente importante, de su precisión dependerá el modelado correcto de la cuenca; entonces, teniendo cargados y habilitados para su visualización en el ambiente de trabajo ambos archivos se ha realizar un zoom al punto, de esta manera podrá ver que se encuentra un poco apartado de la red de drenaje que muestra el Flow Accumulation, es por ello que, tendrá que mover el punto de la manera más recta posible hacia la red de drenaje, intentando que este quede lo más cercano o sobre (de ser posible) el centroide del píxel de la red, indicando así que hasta allí va la zona hidrográfica de interés. Para mover el punto, encuéntrelo en la tabla de contenido, de clic derecho sobre este y diríjase a la opción Edit Features, ahí seleccione Start Editing, se habilitará la edición del archivo, así que seleccione el punto dentro del ambiente de trabajo y muévalo sobre la red sosteniendo el clic izquierdo del ratón.

Continuando, dentro de ArcToolbox > Spatial Analyst Tools > Hydrology, ya para cumplir con el objetivo de la práctica, se usa la herramienta Watershed, por medio de esta se logra la modelación de la cuenca, para ello, se toman como entradas los archivos obtenidos en el Flow Direction y el punto de salida corregido (conforme a lo mencionado en el numeral 9), en el orden descrito.

Finalmente, dado que el modelado de la cuenca se encuentra en formato ráster, se procede a convertir en un vector para mejorar su manipulación y análisis, por lo tanto, estando en ArcToolbox se dirige a Conversion Tools, ahí se selecciona la caja From Raster y se abre la herramienta Raster to Polygon (tenga en cuenta que se escoge polígono porque la cuenca está representada de esta manera y, a su vez, para poder evaluarla mejor), Aquí sólo se tendrá como dato de entrada la cuenca en formato ráster. También, podrá definir el nombre y dirección de guardado de la salida, a su vez, el resultado se deberá cargar automáticamente en la tabla de contenido. Ya con esto, podrá manipular la capa, agregar otra u otras, analizar el área, elaborar mapas, entre otros.