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Delimitación de cuencas hidrográficas

La delimitación de cuencas hidrográficas es el proceso de identificación de los límites de una cuenca hidrográfica, también denominada cuenca de captación, cuenca de drenaje o cuenca fluvial. Es un paso importante en muchas áreas de la ciencia, la ingeniería y la gestión ambientales, por ejemplo, para estudiar las inundaciones, el hábitat acuático o la contaminación del agua.

La actividad de demarcación de cuencas hidrográficas suele estar a cargo de geógrafos, científicos e ingenieros. Históricamente, la demarcación de cuencas hidrográficas se hacía a mano en mapas topográficos de papel , a veces complementados con investigación de campo. En la década de 1980, se desarrollaron métodos automatizados para la demarcación de cuencas hidrográficas con computadoras y datos electrónicos, y ahora su uso está muy extendido.

Mapa de la cuenca hidrográfica del embalse Lost Creek en el condado de Morgan, Utah, Estados Unidos, que muestra los principales arroyos en azul y el límite de la cuenca en rojo.

Los métodos computarizados para la delineación de cuencas hidrográficas utilizan modelos digitales de elevación (DEM), conjuntos de datos que representan la altura de la superficie terrestre. La delineación computarizada de cuencas hidrográficas se puede realizar utilizando software de modelado hidrológico especializado como WMS , software de sistemas de información geográfica como ArcGIS o QGIS , o con lenguajes de programación como Python o R.

Las cuencas hidrográficas son una unidad geográfica fundamental en hidrología , la ciencia que estudia el movimiento, la distribución y la gestión del agua en la Tierra. La delimitación de cuencas hidrográficas puede considerarse una aplicación de la hidrografía , la rama de las ciencias aplicadas que se ocupa de la medición y descripción de las características físicas de océanos, mares, zonas costeras, lagos y ríos. También está relacionada con la geomorfometría , la ciencia cuantitativa que analiza las superficies terrestres. La delimitación de cuencas hidrográficas sigue siendo un área activa de investigación, en la que los científicos y programadores desarrollan nuevos algoritmos y métodos, y hacen uso de datos de resolución cada vez más alta procedentes de teledetección aérea o satelital .

Delimitación manual de cuencas hidrográficas

El método convencional para encontrar el límite de una cuenca hidrográfica es dibujarlo a mano en un mapa topográfico de papel o en una lámina transparente. Luego, se puede estimar el área de la cuenca hidrográfica utilizando un planímetro , superponiendo papel cuadriculado y contando las celdas de la cuadrícula, o el resultado se puede digitalizar para su uso con un software de mapeo. El mismo proceso se puede realizar en una computadora, dibujando el límite de la cuenca hidrográfica (con un mouse o un lápiz) sobre una copia digital de un mapa topográfico. [1] Esto se conoce como "digitalización con visualización frontal" o "digitalización en pantalla". [2]

Ejemplo de un límite de cuenca hidrográfica idealizado, dibujado en un mapa topográfico con curvas de nivel. Toda precipitación que caiga dentro del límite de la cuenca hidrográfica fluirá hacia la salida de la cuenca hidrográfica en la parte inferior.

Para delimitar cuencas hidrográficas de forma "manual", es necesario saber leer e interpretar un mapa topográfico, por ejemplo para identificar crestas, valles y la dirección de la pendiente más pronunciada. [3] Incluso en la era informática, la delimitación manual de cuencas hidrográficas sigue siendo una habilidad útil para comprobar si las cuencas hidrográficas generadas con software son correctas. [1]

Las instrucciones para la delimitación manual de cuencas hidrográficas se pueden encontrar en algunos libros de texto de geografía o gestión ambiental, en folletos gubernamentales, [4] [5] o en tutoriales de video en línea. [6]

Según el Servicio Geológico de Estados Unidos, la delimitación manual de cuencas hidrográficas consta de cinco pasos: [6]

  1. Encuentre el punto de interés a lo largo de un arroyo en el mapa. Este es el "desembocadura de la cuenca" o "punto de vertido".
  2. Imagine o dibuje líneas de flujo de agua superficial que apunten cuesta abajo perpendicularmente a los contornos topográficos (esta es la dirección más empinada).
  3. Marque la ubicación de los puntos topográficos más altos (picos) alrededor del arroyo.
  4. Marque los puntos a lo largo de los contornos que dividen los flujos hacia o desde el arroyo (crestas).
  5. Une los puntos para delimitar la cuenca hidrográfica.

Reglas generales:

Una desventaja de la delimitación manual de cuencas hidrográficas es que está sujeta a errores y al criterio individual del analista. La Agencia de Protección Ambiental de Illinois escribió: "Tenga en cuenta que la delimitación de una cuenca hidrográfica es una ciencia inexacta. Dos personas cualesquiera, incluso si ambas son expertas, llegarán a límites ligeramente diferentes". [5]

En particular, en el caso de cuencas hidrográficas más pequeñas y cuando es importante obtener resultados precisos, puede ser necesario realizar un reconocimiento de campo para encontrar características que no se muestran en los mapas. "Salir al campo permite identificar alteraciones humanas, como zanjas en las carreteras, alcantarillas pluviales y alcantarillas que podrían cambiar la dirección del flujo de las aguas y, por lo tanto, modificar los límites de la cuenca hidrográfica". [5]

Delimitación automatizada o informatizada de cuencas hidrográficas

El uso de software informático para delimitar cuencas hidrográficas puede ser mucho más rápido que los métodos manuales. También puede ser más consistente, ya que elimina la subjetividad del analista. Los métodos automáticos de demarcación de cuencas hidrográficas se han utilizado desde la década de 1980 y ahora son de uso generalizado en las comunidades científicas y de ingeniería. Los investigadores incluso han utilizado métodos informáticos para delimitar cuencas hidrográficas en Marte. [7] [8]

Los métodos automatizados de delineación de cuencas hidrográficas utilizan datos digitales de la elevación de la Tierra, un Modelo Digital de Elevación o DEM. Normalmente, los algoritmos utilizan el método de la "pendiente más pronunciada" para calcular la dirección del flujo desde una celda de la cuadrícula (o píxel) hasta una de sus vecinas. [9]

Es posible utilizar DEM en diferentes formatos para la delimitación de cuencas hidrográficas, como una red triangular irregular (TIN), [10] o mosaico hexagonal [11]; sin embargo, la mayoría de los algoritmos contemporáneos utilizan una cuadrícula rectangular regular. [12] En las décadas de 1980 y 1990, los modelos de elevación digitales a menudo se obtenían escaneando y digitalizando los contornos en mapas topográficos de papel, que luego se convertían en una TIN o un DEM cuadriculado. [13] Más recientemente, el DEM se obtiene mediante teledetección aérea o satelital , utilizando estereofotogrametría , lidar o radar . [14]

Para utilizar un DEM de cuadrícula rectangular para la delineación de cuencas hidrográficas, primero debe procesarse o "acondicionarse" para obtener resultados realistas. [9] El resultado a veces se denomina DEM "hidroforzado" o "HydroDEM". La mayoría de los paquetes de software que se enumeran a continuación pueden realizar estas funciones en un DEM "en bruto", o los analistas pueden descargar DEM acondicionados hidrológicamente como el casi global HydroSHEDS, [15] MERIT-Hydro, [16] o EDNA [17] para los Estados Unidos continentales. Los pasos habituales para el acondicionamiento hidrológico de un DEM son:

  1. Llene los lavabos.
  2. "Quemar" los canales de transmisión.
  3. Calcular la dirección del flujo.
  4. Calcular la acumulación de flujo.
Representación tridimensional de un modelo digital de elevación condicionado hidrológicamente. Este ejemplo del Servicio Geológico de Estados Unidos muestra la construcción de muros o cercas utilizando datos del Conjunto de datos de límites de cuencas hidrográficas (WBD) y la "quema" de arroyos del Conjunto de datos de hidrografía nacional (NHDPlus).

Además, algunos métodos permiten "cercar las crestas" y quemar las vías de flujo a través de los lagos. [18] Algunos métodos también imponen una pequeña pendiente en las áreas planas para que el flujo continúe moviéndose hacia la salida. [19] El paso de "quemar" los canales fluviales implica profundizar artificialmente el canal, restando un gran valor de elevación de los píxeles que representan el canal. Esto garantiza que una vez que el flujo haya ingresado al canal, permanecerá allí en lugar de saltar y fluir por tierra o hacia otro canal. Algunos algoritmos infieren la ubicación de los canales automáticamente a partir del DEM. Por lo general, se obtienen mejores resultados quemando en canales fluviales mapeados o canales derivados de imágenes satelitales o aéreas. [20]

Existen varios algoritmos diferentes disponibles para calcular la dirección del flujo a partir de un DEM. El primer método, introducido por los geógrafos australianos O'Callaghan y Mark en 1984, se conoce como D8. [12] El agua fluye desde un píxel en una de las 8 direcciones posibles hacia una celda vecina (incluida la diagonal), según la dirección de la pendiente más pronunciada. Este método tiene desventajas, ya que el flujo de agua está limitado a 8 direcciones, separadas por 45°, lo que puede dar lugar a patrones de flujo poco realistas. Además, debido a que todo el flujo se dirige en una dirección, el método D8 no puede modelar situaciones en las que el flujo diverge, como en laderas convexas, en un delta de un río o en ríos ramificados o trenzados . Se han propuesto e implementado algoritmos alternativos para superar esta limitación, como D∞. [21] Sin embargo, el algoritmo D8 sigue siendo de uso generalizado y se ha utilizado para crear conjuntos de datos importantes como HydroBasins [15] y MERIT-Basins. [16]

La delimitación computarizada de cuencas hidrográficas no siempre es correcta. Algunos errores se deben a la ubicación incorrecta de la salida de la cuenca hidrográfica en la red digital del río, o a la "captura del punto de vertido". [22] Otra clase de errores se debe a imprecisiones en los datos digitales del terreno, o a que su resolución es demasiado gruesa para capturar las vías de flujo. [2] En general, los DEM con mayor resolución espacial pueden describir de manera más realista la topografía de la superficie terrestre y la dirección del flujo. Sin embargo, existe una desventaja, ya que una cuadrícula más fina con más píxeles aumenta el tiempo de cálculo. [16] No obstante, incluso los datos de alta resolución pueden no capturar adecuadamente las vías de flujo en entornos complejos como ciudades y suburbios, donde el flujo es dirigido por bordillos, alcantarillas y desagües pluviales. [23] Finalmente, algunos errores pueden resultar del algoritmo o de la elección de parámetros. [24]

Como los errores son comunes, algunas autoridades insisten en que los resultados de la delineación automatizada deben ser revisados ​​cuidadosamente. Las normas del Servicio Geológico de Estados Unidos para el conjunto de datos de límites de cuencas hidrográficas de Estados Unidos permiten el uso de software "para generar líneas de demarcación intermedias o "borradores" que luego deben ser verificadas por el analista superponiéndolas en una pantalla de computadora sobre mapas base (mapas topográficos escaneados, fotografías aéreas) para verificar su precisión. [1]

Software para la delimitación de cuencas hidrográficas

Algunos de los primeros programas de delineación de cuencas hidrográficas se escribieron en FORTRAN, como CATCH [25] y DEDNM [19] . Las herramientas de delineación de cuencas hidrográficas forman parte de varios paquetes de software de sistemas de información geográfica, como ArcGIS , QGIS y GRASS GIS . Existen programas independientes para la delineación de cuencas hidrográficas, como TauDEM. Las herramientas de delineación de cuencas hidrográficas también se incorporan en algunos paquetes de software de modelado hidrológico.

Los desarrolladores de software también han publicado bibliotecas o módulos en varios idiomas (consulte la lista a continuación). Muchos de estos paquetes son gratuitos y de código abierto, lo que significa que pueden ser ampliados o adaptados por quienes deseen y puedan escribir o modificar el código. Por último, existen aplicaciones web para delimitar cuencas hidrográficas. Algunas de estas aplicaciones web tienen funciones adicionales para la ciencia y la ingeniería, como el cálculo de estadísticas de caudal o tipos de cobertura terrestre de cuencas hidrográficas (por ejemplo, StreamStats, Model My Watershed).

Software de delineación de cuencas hidrográficas independiente

Software de modelado hidrológico con capacidad de delineación de cuencas hidrográficas

Software basado en SIG

Aplicaciones web

Conjuntos de datos vectoriales de cuencas hidrográficas predefinidas

Existen varios conjuntos de datos vectoriales que representan cuencas hidrográficas como polígonos que pueden visualizarse y analizarse con SIG u otro software. En estos conjuntos de datos, toda la superficie terrestre se divide en "subcuencas" o "cuencas unitarias". Las cuencas unitarias individuales pueden combinarse o fusionarse para encontrar cuencas hidrográficas más grandes. Las cuencas unitarias tienen datos de código hidrológico vinculados o metadatos similares para crear una red de flujo , de modo que las vías y conexiones de flujo se pueden determinar mediante el análisis de la red. [34]

Mapa de subregiones del conjunto de datos de límites de cuencas hidrográficas para los Estados Unidos, creado por el Servicio Geológico de los Estados Unidos

Esta lista no es exhaustiva, ya que muchas organizaciones y territorios han elaborado sus propios mapas de cuencas hidrográficas y los han publicado en la web. Entre los conjuntos de datos más destacados se incluyen los siguientes:

Referencias

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