Cuenca Hidrográfica mediante Sistemas de Información Geográfica
Estudio Hidrológico mediante SIG (GIS):
Fundamentos Geodésicos y Análisis de Cuencas
En el ámbito de la Ingeniería Civil, el estudio hidrológico es el pilar fundamental para el diseño de obras de drenaje transversal, puentes, presas y encauzamientos., entre otros.
Hoy en día, realizar estos cálculos a mano sobre cartografía en papel es impensable. La integración de los Sistemas de Información Geográfica (SIG o GIS) ha revolucionado la precisión y eficiencia de estos estudios.
En este artículo, exploraremos desde los conceptos básicos de topografía y geodesia necesarios para trabajar en España (ETRS89 y UTM), hasta el flujo de trabajo técnico en QGIS para delimitar una cuenca y calcular sus parámetros morfológicos básicos.
1. Fundamentos Geodésicos: El marco de trabajo
Antes de abrir cualquier software, un ingeniero debe entender dónde está trabajando.
La Tierra no es una esfera perfecta, sino un geoide irregular. Para representar esta superficie curva en un plano (nuestra pantalla o plano de obra), necesitamos dos cosas: un Sistema de Referencia (Datum) y una Proyección Cartográfica.
1.1. El sistema ETRS89
En España, por normativa (Real Decreto 1071/2007), el sistema de referencia oficial es el ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989). Este sistema está ligado a la parte estable de la placa continental europea.
Antiguamente se utilizaba el Datum ED50 (European Datum 1950). Si se descarga cartografía antigua del IGN o de confederaciones hidrográficas, hay de realizar la transformación a ETRS89 para evitar errores de desplazamiento que pueden superar los 200 metros.
1.2. La Proyección UTM y los Husos en España
Para “aplanar” la tierra se utiliza la proyección UTM (Universal Transverse Mercator). Es una proyección cilíndrica conforme que mantiene los ángulos pero distorsiona las distancias al alejarse del meridiano central. El mundo se divide en 60 husos (zonas) de 6 grados de longitud cada uno.
Debido a su extensión geográfica, la España peninsular y Baleares abarca tres husos diferentes.
Es imprescindible para el ingeniero civil saber en qué huso se encuentra la cuenca para configurar correctamente el proyecto en el software GIS:
- Huso 29: Galicia (parte oeste) y extremidad occidental de la península.
- Huso 30: Centro de la península. Es el más extenso en territorio español.
- Huso 31: Este de la península (Cataluña, Comunidad Valenciana, Baleares).
- Huso 28: Correspondiente a las Islas Canarias.
2. Introducción a los Sistemas GIS
Un Sistema de Información Geográfica no es solo un mapa digital; es una base de datos con referencia espacial.
En hidrología, se trabaja principalmente con dos modelos de datos:
- Vectorial: Representa la realidad mediante Puntos, Líneas y Polígonos. Se utilizan vectores para definir el punto de desagüe o los límites finales de la cuenca.
- Ráster: Una malla de celdas (píxeles) donde cada celda tiene un valor. El raster más importante es el MDE (Modelo Digital de Elevaciones), donde cada píxel contiene el valor de la altura (Z) del terreno.
Para el análisis hidrológico se puede utilizar software como QGIS, un software libre y de código abierto que se ha convertido en un estándar de la industria.
3. Análisis Hidrológico en QGIS: Flujo de Trabajo
El objetivo es delimitar la cuenca vertiente a un punto de interés (por ejemplo, donde se proyectará una obra de drenaje) y calcular sus parámetros.
El proceso sigue una secuencia lógica de algoritmos hidráulicos. En términos generales consta de varios pasos;
Paso 1: Obtención del MDE (Modelo Digital de Elevaciones)
Se descarga el MDE (generalmente pasos de malla de 5×5 o 25×25 metros) desde el Centro de Descargas del IGN. Es crucial que este ráster esté proyectado en el Huso ETRS89 correspondiente.
Paso 2: Relleno de Sumideros (Fill Sinks)
Los MDE brutos suelen tener imperfecciones o “huecos” donde el agua se quedaría atrapada.
El algoritmo Fill Sinks rellena estas depresiones para asegurar que el agua fluya continuamente hacia los bordes del modelo.
Paso 3: Dirección de Flujo (Flow Direction)
Este algoritmo analiza cada píxel y determina hacia cuál de sus 8 vecinos (modelo D8) hay mayor pendiente. El resultado es un ráster donde el valor indica la dirección (Norte, Sur, Este, Oeste, etc.) hacia la que viaja el agua.
Paso 4: Acumulación de Flujo (Flow Accumulation)
Quizás el paso más visual. Calcula cuántos píxeles “desaguan” en cada celda. Las celdas con valores muy altos representan los cauces de los ríos (thalwegs), mientras que las celdas con valor 0 son las divisorias de aguas (crestas).
Paso 5: Definición de la Red de Drenaje y Cuenca
Utilizando la calculadora ráster, se puede filtrar la acumulación de flujo para visualizar la red hídrica.
Finalmente, mediante el algoritmo r.water.outlet (en GRASS), se selecciona el punto de desagüe (coordenada exacta sobre el cauce) y el software genera el polígono de la cuenca vertiente.
4. Parámetros Geomorfológicos de la Cuenca
Una vez obtenida la geometría de la cuenca (polígono vectorial), se debe calcular los parámetros que alimentarán las fórmulas hidrometeorológicas (como el Método Racional o el Hidrograma Unitario). Los principales son:
4.1. Superficie (\(A\)) y Perímetro (\(P\))
Se calculan directamente con la calculadora de campos de QGIS (funciones $area y $perimetro). La superficie suele expresarse en \(km^2\) y el perímetro en \(km\).
4.2. Coeficiente de Compacidad (Índice de Gravelius)
Indica la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de un círculo de igual área.
Da una idea de la susceptibilidad de la cuenca a las avenidas. Una cuenca muy redonda (\(K_c \approx 1\)) concentra el agua más rápido, siendo más peligrosa.
La fórmula es:
\(K_c = 0.282 \cdot \frac{P}{\sqrt{A}}\)
Donde:
- \(P\): Perímetro de la cuenca en km.
- \(A\): Área de la cuenca en km².
4.3. Rectángulo Equivalente
Es una transformación geométrica que convierte la cuenca en un rectángulo con la misma área y perímetro (y por tanto, mismo coeficiente de Gravelius e hipsometría). Permite comparar cuencas entre sí climatológicamente.
Los lados del rectángulo (\(L\) lado mayor y \(l\) lado menor) se calculan así:
\(L = \frac{K_c \cdot \sqrt{A}}{1.12} \cdot \left( 1 + \sqrt{1 – \left( \frac{1.12}{K_c} \right)^2} \right)\)
\(l = \frac{K_c \cdot \sqrt{A}}{1.12} \cdot \left( 1 – \sqrt{1 – \left( \frac{1.12}{K_c} \right)^2} \right)\)
4.4. Pendiente Media del Cauce Principal (\(S\))
Fundamental para calcular el Tiempo de Concentración. Se obtiene dividiendo el desnivel máximo y mínimo del cauce principal por su longitud.
\(S = \frac{H_{max} – H_{min}}{L_{cauce}}\)
La correcta definición de los parámetros geodésicos (ETRS89 y Huso correspondiente) es el primer paso para evitar errores posicionales en ingeniería civil.
A partir de ahí, QGIS ofrece un entorno potente para transformar datos de elevación brutos en información hidrológica valiosa.
El cálculo preciso del área, el índice de Gravelius y la pendiente son determinantes para estimar los caudales de diseño que garantizarán la seguridad de las infraestructuras.
Tutoriales para trabajar en QGIS
1. Instalación, descarga de capas y MDT.
2. Red de drenaje y subcuencas
3. Obtención de características morfológicas de la cuenca
4. Usos del suelo del proyecto CLC
Bibliografía y Referencias
- IGN España. (2023). Conceptos Geodésicos y Cartografía. Instituto Geográfico Nacional. www.ign.es
- QGIS Documentation. (2023). User Guide & Training Manual. qgis.org
- Real Decreto 1071/2007, de 27 de julio, por el que se regula el sistema geodésico de referencia oficial en España. (enlace)