Umbral de escorrentía con ArcGIS

Tal y como vimos en nuestro artículo de los sistemas de información geográfica y sus aplicaciones en hidrología, ArcGIS permite realizar estudios hidrológicos de diverso tipo.

En otros tutoriales hemos aprendido a obtener parámetros de cuenca con ArcGIS, hemos calculado el índice de erosividad de la lluvia y hemos obtenido una red hidrológica de órdenes. En esta ocasión aprenderemos a obtener el umbral de escorrentía con ArcGIS.

Cálculo del umbral de escorrentía con ArcGIS

Para realizar el siguiente estudio hemos utilizado las siguientes fuentes de información:

• Cuadrícula MTN50: Instituto Geográfico Nacional
• Hojas MDT 5 metros del MTN50: Instituto Geográfico Nacional
• Corine Land Cover para el año 2012. Instituto Geográfico Nacional
• SIOSE 2011. Instituto Geográfico Nacional
• Mapa Edafológico de Andalucía: Instituto de Estadística y Cartografía de Andalucía
• Mapa Litológico de Andalucía: nstituto de Estadística y Cartografía de Andalucía

Metodología para el cálculo del umbral de escorrentía con ArcGIS

En los estudios hidrológicos el objetivo es calcular el caudal producido por la lluvia que cae en el punto de salida de una cuenca (o subcuenca) y uno de los métodos más comúnmente utilizados para el cálculo de caudales es el conocido como método racional que especifica que:

Q = C * I * A

Donde:

• Q = caudal
• C = Coeficiente de escorrentía
• I = intensidad de precipitación
• A = Superficie de la cuenca

El umbral de escorrentía representa la precipitación mínima que debe caer sobre una cuenca para que se inicie la generación de escorrentía y es necesario para el cálculo del Coeficiente de Escorrentía del método racional:

C= (Pd – P0)(Pd + 23 * P0) / (Pd + 11 * P0 )^2

Donde:

• C = Coeficiente de Escorrentía
• Pd = Precipitación diaria (mm)
• P0 = Umbral de escorrentía (mm)

Este umbral es función de las siguientes variables:

• Pendiente del terreno
• Características hidrológicas
• Uso de suelo
• Tipo de suelo
• Condiciones de humedad del suelo

La relación entre este factor y estas variables no es matemática sino tabular. La Tabla 1 recoge el valor inicial del umbral de escorrentía (mm):

Modelo Digital del Terreno

Se descargan los MDT de 5 metros para las hojas del MTN50 de la región de estudio y se unen en un solo MDT (ver tutorial unión de raster con ArcGIS)

Cálculo de Variables

Mapa de Pendientes

A partir del MDT se genera un raster para obtener las pendientes < 3 % y ≥ 3%.

Características hidrológicas

Esta variable se utiliza para obtener el número de curva mediante las tablas propuestas por Témez (1978). El autor la hace equivalente a cultivar la tierra y se divide en dos grupos:

• N: el cultivo sigue las curvas de nivel
• R: el cultivo sigue la línea de máxima pendiente

Los valores del número de curva asociados a cada tipo no se diferencian mucho por lo que en muchos casos se considera que toda el área de estudio tiende a cultivarse de una misma manera, a no ser que se tengan datos específicos.

En este caso consideramos que los cultivos siguen la línea de máxima pendiente, por tanto el valor elegido para todos ellos es R.

Mapa de usos del suelo

Se ha cruzado la información del CORINE Land Cover con la información del SIOSE para establecer los usos del suelo.

Mapa de tipos de suelo

Los tipos de suelo se deben categorizar según los 4 Grupos Hidrológicos:

Según recoge el documento del 6 Congreso Forestal Español, se puede asignar el grupo de suelo en base a la edafología. A continuación se recogen los Grupos de Suelos de Referencia (GSR) más frecuentes en el ámbito ecológico español, no modificados intensamente por el hombre, y grupo hidrológico asignado:

Para obtener los grupos hidrológicos, se ha utilizado el Mapa Edafológico de Andalucía y en los casos en los que no se tenía información edafológica, se ha cruzado la información con el Mapa Litológico de Andalucía. Así, en la zona de estudio tenemos los siguientes grupos:

Resultados

El Umbral de escorrentía es función de las variables que hemos visto anteriormente:

• Pendiente del terreno
• Características hidrológicas
• Uso de suelo
• Tipo de suelo

La relación entre este factor y estas variables no es matemática sino tabular. La Tabla 5 recoge el valor inicial del umbral de escorrentía (mm):

Para proceder a su cálculo, a cada una de las variables que interviene en el umbral de escorrentía se le asigna un número primo (Tabla 6).

Ahora, si se multiplican los diferentes mapas (uso de suelo, pendiente y tipos de suelo), tendremos un resultado diferente por cada combinación de 3 números (Tabla 7).

Mapa de Pendientes

Se reclasifica el mapa de pendientes para asignar los números primos correspondientes:

Mapa de usos de suelo

Una vez identificados los usos de suelo, se les asignan los siguientes números primos (Tabla 9):

Mapa de Tipos de suelo

Una vez definidos los grupos hidrológicos, se les asignan los siguientes números primos:

Para obtener los valores del umbral de escorrentía, convertimos a raster los 3 mapas (usaremos un tamaño de celda de 100 metros ya que aunque tenemos información con tamaño de 5 metros los cálculos tardan) y los multiplicamos:

Por último lo convertimos a raster de tipo entero y en base a la matriz reclasificamos los valores obteniendo el siguiente mapa del Valor inicial del Umbral de escorrentía: