SISTEMA DE INFORMACIÓN HIDROLÓGICA PARA LA

CUENCA DEL RÍO SANTIAGO, MÉXICO.

Jaime Rivera

1, Jaime Velázquez

1

1 Coordinación de Hidrología, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.

Paseo Cuauhnáhuac No. 8532. Jiutepec, Morelos. 62550, México.

y

David Báez2

2 Proveedor de Servicios de Tecnología de Información.

México, D.F.

RESUMEN

Un sistema de información hidrológica (SIH) es un sistema de

cómputo que se compone de una base de datos geográfica sobre

el recurso hídrico de un área de interés y de herramientas para

consulta, actualización y procesamiento de la información

espacial y numérica almacenada en la base de datos. En este

trabajo se describe la implementación de un sistema de este tipo

que fue desarrollado para apoyar la organización de la

información del recurso hídrico superficial en la cuenca del Río Santiago, en México.

El SIH fue implementado en el software ArcGIS® versión 9.3 y

se compone de una base de datos geográfica con estructura del

modelo de datos ArcHydro en su versión completa, y de un

menú que contiene opciones para consultar los datos almacenados en la base a partir de una selección espacial.

El SIH desarrollado es una tecnología de información

geográfica útil para apoyar y proporcionar la información

requerida en los estudios dirigidos al diagnóstico, planeación y

disponibilidad de agua superficial en esta región hidrológica de México.

Palabras clave: Sistema de información hidrológica, base de

datos geográfica, modelo de datos ArcHydro, recurso hídrico,

Río Santiago

1. INTRODUCCIÓN

Para lograr una adecuada planificación hídrica es necesario

tener total conocimiento del recurso hídrico disponible en una

cuenca o región hidrológica, tanto en cantidad como en calidad.

Se requiere conocer las características topográficas, orográficas,

hidrológicas, climáticas y físicas, asentamientos urbanos, usos

de suelo, entre otros temas [2]. Todo este conocimiento permite

evaluar la disponibilidad del recurso hídrico en una cuenca o

región, y con ello obtener una planificación hídrica oportuna y real.

Los sistemas de información geográfica (SIG) son herramientas

donde se realiza el procesamiento de la información espacial

asociada con el recurso hídrico y con ello apoyar estudios

dirigidos al diagnóstico y planeación del recurso hídrico, de

actualización de la disponibilidad de agua superficial, de inventarios, caracterización y delimitación de áreas naturales.

En la última década han surgido nuevas tecnologías para

almacenar la información espacial y temporal asociada con el

recurso hídrico dentro de una plataforma de sistemas de

información geográfica. Una de estas tecnologías es el concepto

de Sistema de Información Hidrológica (SIH), el cual se define

como un sistema de cómputo que integra información espacial y

temporal para apoyar el análisis y modelación hidrológica, así

como para la toma de decisiones [5]. Este sistema se compone

de una base de datos geográfica con la estructura del modelo de

datos ArcHydro, la cual contiene datos espaciales y series de

tiempo asociadas con el recurso hídrico, y de herramientas para

actualización y consulta de estos datos.

En este trabajo se presenta un sistema de información

hidrológica para la cuenca de Río Santiago, localizada en la

región hidrológica No. 12 Lerma-Santiago-Pacífico, que fue

desarrollado para organizar la información del recurso hídrico y

apoyar la gestión del agua en esta región.

2. OBJETIVOS

Los objetivos planteados en el desarrollo de este trabajo fueron

los siguientes:

Desarrollar una base de datos geográfica de aguas

superficiales en la región.

Crear un sistema de información hidrológica.

3. ÁREA DE ESTUDIO

La cuenca del Río Santiago abarca un área aproximada de

75,750 km2 aproximadamente, lo que equivale a 4% de la

extensión territorial del país (Figura 1). Se localiza en la parte

central de la República Mexicana y comprende parcialmente los

territorios de los siguientes estados: Aguascalientes (7%),

Durango (5%), Jalisco (38%), Nayarit (15%), Guanajuato (2%) y Zacatecas (32%).

Figura 1. Localización geográfica de la cuenca del Río

Santiago.

El sistema hidrológico de la cuenca del Río Santiago está

constituido por el río Santiago que es el colector principal del

sistema, con poco más de 700 km de longitud, este río tiene su

origen en la salida del Lago de Chapala, en donde se localiza el

río Zula y la planta de bombeo Ocotlán, en el estado de Jalisco;

y termina en la desembocadura al Océano Pacífico, en el estado

de Nayarit. Sus principales afluentes son el Río Verde, el río

Juchipila, el río Bolaños y el río Huaynamota.

4. METODOLOGÍA

Para la implementación del SIH se construyó la base de datos

geográfica de agua superficial de la cuenca y posteriormente se

desarrolló el módulo con las opciones de consulta de la

información almacenada en la base de datos. A continuación se describe la metodología empleada.

Implementación del modelo de datos ArcHydro de aguas

superficiales

ArcHydro es un modelo de datos geográfico, desarrollado por el

Centro de Investigación y Recursos Hídricos (CRWR) de la

Universidad de Texas, que propone una estructura para

almacenar en una base de datos geográfica, implementada con

el software ArcGIS, la información asociada con los recursos

hídricos de un área determinada. En particular, un modelo de

datos geográfico es una representación del mundo real que

puede ser usada en un sistema de información geográfico (SIG) para almacenar, consultar y analizar información espacial [5].

El modelo ArcHydro proporciona dos tipos de estructuras de

datos para almacenar y representar un sistema de recursos

hídricos: la versión compacta (Framework) y la versión

completa. La versión compacta organiza la información en una

sola componente denominada ArcHydro, mientras que la

versión completa del modelo ArcHydro organiza los datos del

recurso hídrico en cinco componentes dentro de la base de datos de geográfica (Figura 2).

Las capas consideradas en la versión compacta son la red

hidrográfica (capa HydroEdge), las estaciones de monitoreo

donde se miden variables relacionadas con la cantidad y calidad

del agua (capa Monitoring point), cuerpos de agua (capa

waterbody), delimitación de cuencas (capa watershed) y una

capa de puntos de interés sobre la red hidrográfica para propósitos de la modelación (capa HydroJunction).

(a)

(b)

Figura 2. Elementos del modelo ArcHydro en su versión

Framework (a) y completa (b) [5].

Los cinco componentes de la versión completa del modelo

ArcHydro son: Network, Drainage, Hydrography, Channel y

TimeSeries. Cada componente es un conjunto de capas. El

componente Network almacena las capas relacionadas con las

cuales la red hidrográfica se modela como una red geométrica.

El componente Drainage permite almacenar áreas de drenaje

definidas por criterios topográficos o administrativos, y líneas

de corriente obtenidas a partir de modelos digitales de

elevación. El componente Channel proporciona capas para

modelar canales. El componente Hydrography incluye las capas

definidas en la versión Framework y capas adicionales para

representar (como puntos, líneas o polígonos) otros rasgos de la

superficie terrestre de interés para la modelación como presas, puntos de descarga, puntos de retiro, etcétera.

Recopilación y procesamiento de información. La

información espacial y de series de tiempo que se consideró

para implementar el modelo se muestra en la tabla 1. El sistema

coordenado que se utilizó para almacenar la información

geográfica fue la proyección cónica conforme de Lambert con

los parámetros propuestos por el Instituto Nacional de

Estadística y Geografía (INEGI) para el país y el datum

ITRF92. El software utilizado para implementar la base de datos fue ArcGIS, en nivel ArcInfo, versión 9.3.

Tabla 1. Capas consideradas y fuentes de datos usadas en la implementación del modelo ArcHydro de aguas superficiales.

Nombre de la

capa en el

modelo

ArcHydro

Temas que

contiene

Fuente

HydroEdge Líneas de corriente INEGI - escala 1:50,000 [3]

HydroJunction Puntos de interés

dentro del sistema

hidrológico

Definidos con la

Comisión

Nacional del

Agua (CONAGUA)

Tabla 1. Capas consideradas y fuentes de datos usadas en la

implementación del modelo ArcHydro de aguas superficiales (Cont.)

Nombre de la

capa en el

modelo

ArcHydro

Temas que

contiene

Fuente

MonitoringPoint Estaciones

hidrométricas y climatológicas

CONAGUA

WaterBody Cuerpos de agua

correspondientes a

presas, lagos y lagunas

INEGI - escala 1:50,000 [3]

Watershed Límites de cuencas

hidrológicas

Obtenidos con

MDE de INEGI,

con resolución de 50 m.

Dam Ubicación de

presas y

características generales

CONAGUA

WaterWithdrawal Puntos de

extracción de agua

(Aprovechamientos

superficiales)

CONAGUA

TimeSeries

(Series de tiempo)

Datos diarios o

mensuales de gasto

medio diario,

precipitación,

evaporación,

temperatura max.,

min. y ambiente, y

datos de

almacenamientos.

(CLICOM,2002),

(BANDAS,2007) y CONAGUA

Basin Límite general de la cuenca

Obtenido con

MDE de INEGI,

con resolución de 50 m. [1]

El primer paso para implementar el modelo fue elaborar los

mosaicos de información vectorial de hidrografía y cuerpos de

agua y del Modelo Digital de Elevación (MDE) para cada una

de las cuencas del estudio, considerando un buffer de 10 km

alrededor de ellas para tener una mejor definición de las cuencas

(Figura 3). La cuenca del Río Santiago queda comprendida en 124 cartas de datos vectoriales en escala 1:50,000.

(a)

(b)

Figura 3. Mosaico vectorial (a) y de tipo raster (b) de la región

hidrológica del Río Santiago.

El segundo paso consistió en editar la red hidrográfica de cada

cuenca para que ésta cumplieran con las características que se

requieren para formar la red geométrica: totalmente conectada,

sin ciclos y con dirección de flujo asignada. La edición de los

ríos se realizó apoyándose en las siguientes fuentes de

información: MDE, cartas topográficas digitales, Google Earth

e imágenes de satélite tomadas del acervo existente en el

Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), ver figura

4.

1. Carta topográfica 2. Raster de líneas de drenaje

3. Ortofoto/ Imagen de satélite

Figura 4. Proceso de edición de la red hidrográfica.

El siguiente paso consistió en definir los parteaguas de las 33

cuencas que conforman la cuenca del Rio Santiago utilizando la

red hidrográfica y la información de tipo raster. La obtención

del parteaguas se realizó en varios pasos, que incluyeron la

obtención de los rasters de dirección y acumulación de flujo, y

un raster de área de aportación para cada corriente (catchments),

entre otros. La figura 5 muestra los parteaguas de las cuencas

que conforman toda la cuenca del río Santiago al finalizar el

proceso de delimitación.

Figura 5. Delimitación de las cuencas de la región del Río

Santiago utilizando ArcHydro.

Debido a que el volumen de datos que representa el MDE de

cada cuenca es muy grande y se dificulta el procesamiento si se

desea hacerlo para toda la región, el proceso de definición de

cuencas se procesó de forma individual. Al finalizar el proceso

de delimitación de todas las cuencas de la región, se unieron los

resultados de todas ellas para tener la región hidrológica

completa a través del proceso llamado Regionalización [4].

El cuarto paso consistió en integrar los datos descriptivos de las

estaciones hidrométricas y climatológicas en una sola tabla,

dejando una columna para indicar el tipo de estación (campo

FType). Esta tabla pasa a formar la feature class Monitoring

Point dentro de la base de datos geográfica. Los datos

descriptivos, como el nombre y coordenadas, entre otros, fueron tomados de catálogos disponibles en la CONAGUA.

El penúltimo paso consistió en adecuar las series de tiempo de

hidrometría, climatología y datos de almacenamientos en el

formato de cuatro columnas que maneja el modelo ArcHydro,

donde se almacena la clave de la estación donde se mide el

valor, la clave de la variable, la fecha y el valor medido. Se

consideró conveniente agregar una dimensión (columna) más, para indicar el origen de los datos.

Como último paso se creó la base de datos geográfica, la cual se

implementó del tipo FileGeodatabase con la aplicación

ArcCatalog de ArcGIS y consistió de los siguientes pasos:

primero se creó una FileGeodatabase vacía y posteriormente se

aplicó el esquema del modelo de datos ArcHydro. Finalmente,

se cargó toda la información espacial y de series de tiempo que

fue generada e integrada en los pasos descritos anteriormente.

También se integró en la base de datos información de contexto

relacionada con localidades rurales y urbanas, división política

estatal y municipal, edafología y uso de suelo.

Implementación del sistema de información hidrológica

(SIH)

Dentro de la plataforma ArcGIS se implementó un menú con

opciones de consulta para acceder a la información almacenada

en la base de datos geográfica. El menú se desarrolló a través de

una serie de procedimientos informáticos mediante Microsoft

Visual Basic for Applications (VBA), que es el lenguaje nativo

de la plataforma ArcGIS, para que a través del menú de consulta

se visualice la información descriptiva y numérica asociada a cada capa geográfica por medio de ventanas de diálogo.

Las opciones para la consulta que contiene el menú son

“Selección por cuenca” que muestra la información descriptiva

de cada capa geográfica por cuenca, y la opción “Consultas”

que muestra los datos históricos asociados con estaciones de

medición y presas, así como información puntual de aprovechamientos superficiales.

Las opciones de consulta de la información descriptiva permiten

la generación de un reporte en formato PDF de Adobe Reader.

La consulta de información relacionada con las series de tiempo

incluye las siguientes opciones: consultar los datos de una

estación de monitoreo especificando la variable y un periodo de

tiempo, exportar los datos a un archivo de Microsoft Excel y visualizar de forma gráfica los datos.

5. RESULTADOS

Base de datos con la estructura ArcHydro

La figura 6 muestra la estructura de la base de datos geográfica

que se implementó para la cuenca del Río Santiago, tal como se

visualiza con la aplicación ArcCatalog del software ArcGIS. La

figura muestra todos los componentes del modelo de datos de

ArcHydro en su versión completa. La base de datos contiene

siete features datasets, tres están definidos por el modelo

ArcHydro (Drainage, Hydrography y Network); cuatro más se

agregaron para almacenar información de contexto. Dentro de la

información de contexto que se almacenó en la base de datos se

encuentran mapas de uso del suelo, edafología, localidades urbanas y rurales y división política, entre otros datos.

Además de los feature datasets, la base de datos contiene tablas

y relaciones propias del modelo ArcHydro, y otras que fueron consideradas necesarias para dar mayor claridad a los datos.

Figura 6. Estructura de la base de datos geográfica

implementada para la cuenca hidrológica Río Santiago.

Sistema de información hidrológica (SIH)

La figura 7 muestra la ventana principal del sistema de

información hidrológica ejecutándose en el módulo ArcMap

como un proyecto de ArcGIS. En la ventana principal del

sistema se observa el menú de consultas implementada para la información descriptiva y de las series de tiempo.

El menú de consultas del sistema de información geográfica

para la cuenca del Río Santiago dentro de la plataforma ArcGIS

se desarrolló mediante programación en Visual Basic for

Applications (VBA). Las opciones del menú permiten consultar

la información descriptiva y numérica asociada con capas

geográficas específicamente de la cuenca del Río Santiago. Las

consultas se realizan seleccionando una capa geográfica o

seleccionando una cuenca hidrológica.

Figura 7. Ventana principal del sistema de información

hidrológica para la región hidrológica No. 12 Río Santiago.

Opción “Selección por cuenca”. La opción “Selección por

cuenca” muestra la información descriptiva para cada una de las

cuencas hidrológicas que forman parte de toda la cuenca del Río

Santiago. Para consultar la información se selecciona la opción

Selección por cuenca y se da un clic con el mouse sobre una cuenca de la capa geográfica de cuencas hidrológicas.

Esta opción realiza una selección de la información descriptiva

de las capas geográficas de Estaciones hidrométricas y

climatológicas, Presas de almacenamiento, Cuerpos de agua,

Registro Público de Derechos de Agua (REPDA), Edafología,

Uso de Suelo, Localidades urbanas y rurales. La información

descriptiva que se muestra en las pestañas incluidas dentro de la

ventana de dialogo corresponde únicamente a la información

que se localiza dentro de la cuenca hidrológica seleccionada.

La figura 8 muestra la ventana de diálogo con el resultado de la

consulta de datos descriptivos de estaciones de monitoreo

ubicadas en la cuenca Presa el Cuarenta. Los temas incluidos en

la ventana de diálogo corresponden a “Estaciones Hidrométricas

y climatológicas”, “Presas”, “Cuerpos de agua”, “registros

REPDA”, “Edafología”, “Uso de suelo” y “Localidades

Urbanas y Rurales”. Cada pestaña muestra información

descriptiva de cada tema para la cuenca seleccionada. Una vez

que se han extraído, los datos se pueden exportar a un archivo

en formato PDF, ver figura 9.

Figura 8. Consulta de la información descriptiva utilizando la

opción Selección por cuenca. Estaciones climatológicas.

El reporte en formato PDF muestra el nombre de la cuenca, su

área en km2 y una lista de las estaciones climatológicas, la

cuenca y municipio donde se localizan y sus coordenadas

geográficas.

Figura 9. Resultados de la consulta de estaciones de medición

en formato “PDF”.

Opción “Consultas”. Esta opción permite consultar los

datos históricos asociados con las capas geográficas de

estaciones hidrométricas y climatológicas, presas de

almacenamiento así como información puntual del Registro

Público de Derechos de Agua (REPDA) e información de disponibilidad de agua superficial por cuenca.

Para consultar los datos históricos se requiere seleccionar la

capa geográfica y dando clic con el botón derecho del mouse se

despliega una ventana de diálogo donde se muestran

gráficamente los datos. En la ventana de diálogo se puede

definir el intervalo de tiempo de los datos (diario o mensual), el

periodo de información y la clave de la estación seleccionada.

También se incluyó una opción para exportar la gráfica a un archivo de Microsoft Excel.

Los datos que se grafican son los gastos medios diarios y

mensuales de las estaciones hidrométricas. Las temperaturas

máximas, mínimas y observadas, precipitaciones y

evaporaciones de las estaciones climatológicas. De la capa de

presas de almacenamiento se pueden graficar las curvas de

elevación área capacidad y los datos de almacenamientos,

ingresos, evaporaciones, precipitaciones, extracciones, derrames y filtraciones.

La información numérica es la que se encuentra almacenada en

la tabla de series de tiempo (TimeSeries) y corresponde con los

datos diarios de “Evaporación”, “Precipitación”, “Temperaturas

máxima, mínima y observada” en el caso de estaciones

climatológicas y del “gasto medio diario” en el caso de estaciones hidrométricas.

La figura 10 presenta el resultado de la consulta de los datos de

precipitación para la estación climatológica “Guadalupe

Trancoso”. Se pueden consultar los datos de las variables

mostradas en la parte inferior de la ventana y se puede definir

un periodo sobre el que se desea consultar los datos. La misma

ventana se utiliza para presentar gráficamente la información de estaciones climatológicas e hidrométricas.

Figura 10. Despliegue gráfico de los datos de precipitación

reportados en estaciones climatológicas.

La información numérica de presas corresponde con sus

“volúmenes de Evaporación y Precipitación,

“Almacenamientos, Volúmenes de ingreso, Extracciones y

Derrames” registrados en un intervalo mensual. Además de

información histórica, las presas de almacenamiento contienen

información asociada con su curva de elevaciones-áreas-capacidades, si cuentan con ella.

La figura 11 muestra la gráfica de la variable de evaporación en

la Presa “Julián Adame Alatorre”. La información numérica

mostrada en las gráficas puede ser exportada a un formato de Microsoft Excel si el usuario así lo desea.

Figura 11. Despliegue gráfico de los datos de evaporación

reportados en presas de almacenamiento.

6. CONCLUSIONES

El SIH presentado en este trabajo permitió organizar los datos

asociados al recurso hídrico en una estructura estándar,

integrando datos espaciales y series de tiempo en un sólo

depósito de datos (base de datos geográfica), con lo cual se

redujeron los problemas asociados a la información. También

permite realizar consultas de la información geográfica y extraer

los datos registrados en las estaciones hidrométricas,

climatológicas y presas, así como conocer los periodos de registro de esta información.

El sistema de información constituye una herramienta útil que

proporciona información espacial y numérica para apoyar

estudios dirigidos a la gestión y planeación del recurso hídrico

en esta importante región del país.

7. REFERENCIAS

[1] Departamento de Geografía, INEGI. Modelos digitales de

elevación (MDE) escala 1:50,000. México.

[2] Hidalgo Toledo Jorge Arturo, Francisco Salinas Estrada,

Alberto Balancán Soberanís, Jaime Velázquez Álvarez,

Enrique Sánchez Camacho, Alberto Güitrón de los Reyes,

Armando Trelles Jasso, Ana Wagner Gómez y Ma. del

Carmen Barragán Barrios. Módulo IV, La planificación

hídrica. Diplomado en gestión integrada del agua. Instituto

Mexicano de Tecnología del Agua. México, 2004.

[3] Instituto Nacional de Estadística y Geografía, INEGI,

Conjunto de datos vectoriales y cartas topográficas imagen

digital, escala 1:50,000. México.

[4] Patiño, C., McKinney D., & Maidment D. (2007). Sharing

Water Resources Data in the Bi-National Rio Grande/Bravo

basin. Journal of Water Resources Planning and

Management. American Society of Civil Engineers. Volume

133/ Number 5. September/October 2007, pp 416 - 426.

[5] Maidment, David R. ArcHydro GIS for water resources.

ESRI Press. Redlands, California, USA, 2002.