INVESTIGACIÓN DEL CLIMA POR MEDIO DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA

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1 INVESTIGACIÓN DEL CLIMA POR MEDIO DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Caso de estudio: procesamiento de la lámina de precipitación instantánea, diaria y mensual registrada en un dispositivo Data Logger Vitel VX1004 MSc., Ing. Geógrafo Mauricio Valladares Borja Empresa Metropolitana de Alcantarillado y Agua Potable de Quito - EMAAP-Q Unidad Ejecutora del Proyecto de Agua Potable Ríos Orientales - UEPRO Quito, septiembre de 2008 SÍNTESIS Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica, la precipitación constituye la principal fuente de agua de la superficie terrestre y su medición representa uno de los principales puntos de partida para la mayor parte de los estudios vinculados con el uso y control de los recursos hídricos 1 [1]. La medición de la precipitación y el análisis de su comportamiento, ha propiciado la creación y utilización de diversos programas especializados que incorporan algoritmos para visualizar y analizar la información espacial; esto ha exigido la necesidad de un uso exhaustivo de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) en este campo de la ciencia. En este contexto, la Empresa Metropolitana de Alcantarillado y Agua Potable de Quito (EMAAP-Q), opera una red de monitoreo hidrometeorológico instalada en las cuencas hidrográficas de los proyectos y sistemas de agua potable existentes; esta red está conformada por estaciones climatológicas, pluviométricas e hidrométricas, que disponen, en la mayoría de los casos, de un dispositivo de adquisición y procesamiento de información o data logger de tipo Vitel VX1004. Para optimizar el tiempo de post procesamiento de datos adquiridos, la EMAAP-Q desarrolló un programa informático denominado pluviometría 2.0, que permite procesar la información y determinar la lámina de precipitación diaria y mensual registrada durante el período de medición. La estructura del programa pluviometría 2.0 también incorpora procesos automáticos para consultar la información general de cada estación y mapear su ubicación general en relación con el límite del Distrito Metropolitano de Quito (DMQ) y respecto a la localización de toda la red. 1 Aparicio Mijares, Francisco Javier, Fundamentos de Hidrología de Superficie, Año

2 CONTENIDO La Hidrología es la ciencia natural que estudia el agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo los seres vivos. En este contexto, aquella parte de la hidrología estudiada tradicionalmente en ingeniería se denomina ingeniería hidrológica o hidrología aplicada; de hecho, la ingeniería hidrológica estudia aquellos componentes de la hidrología relacionados con el diseño y operación de proyectos de ingeniería destinados al control y aprovechamiento del recurso hídrico: el agua. 2 Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica, la precipitación constituye la principal fuente de agua de la superficie terrestre; y su medición representa uno de los principales puntos de partida para la mayor parte de los estudios vinculados con el uso y control de este recurso estratégico. 3 La medición de la precipitación y el análisis de su comportamiento, ha propiciado la creación y utilización de diversos programas especializados que incorporan algoritmos de análisis espacial, que facilitan la interpretación de la distribución espacial de este fenómeno; precisamente, esta particularidad ha favorecido la creciente integración y aplicación de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) en este campo de la ciencia. RED DE ESTACIONES HIDROMETEOROLÓGICAS En el Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), la Empresa Metropolitana de Alcantarillado y Agua Potable de Quito (EMAAP-Q) es la entidad responsable de la prestación del servicio de agua potable y alcantarillado y de la ejecución de planes distritales destinados al cuidado del entorno ecológico y el mantenimiento de las fuentes hídricas. En este contexto, la EMAAP-Q, a través de la Unidad Ejecutora del Proyecto Ríos Orientales (UEPRO) y el Área de Hidrología, opera una red de monitoreo hidrometeorológico instalada en las cuencas hidrográficas de los proyectos y sistemas de agua potable existentes. Esta red está conformada por estaciones climatológicas, pluviométricas e hidrométricas; las estaciones catalogadas como climatológicas registran la información de 8 parámetros meteorológicos: precipitación, temperatura atmosférica, temperatura del suelo, humedad relativa, radiación solar, presión atmosférica, velocidad del viento y dirección del viento; las estaciones pluviométricas registran únicamente la precipitación; y, las estaciones hidrométricas registran el nivel de ríos y quebradas. En las fotografías No. 1 y 2 Aparicio M., Francisco Javier 3 Ibid 2

3 2 se muestran una estación climatológica y una estación hidrométrica, respectivamente. Fotografía No.1 Estación Climatológica Bellavista. (Sector Parque Metropolitano de Quito) Fotografía No. 2. Estación Hidrométrica Ramón Huañuna (Sector Antisana). La operación de la red ha permitido obtener series de datos históricos, de hasta 27 años de duración, los que han sido utilizadas en la formulación y ejecución de proyectos previstos por la EMAAP-Q; dicha información hidrometeorológica, también permite que la Empresa desarrolle trabajos de investigación científica relacionados con el estudio de glaciares, recursos hídricos y el comportamiento climático de la región. DISPOSITIVO DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO VITEL VX1004 Las estaciones que registran la precipitación están conformadas, de manera general, por un pluviómetro conectado a un sensor de precipitación y una unidad de adquisición y procesamiento de datos (Data Logger). El pluviómetro consiste en un recipiente cilíndrico de área transversa a, al que descarga un embudo que capta el agua de lluvia y cuya área de captación es A (Véase la Figura No. 1). El área de captación A es, normalmente, diez veces mayor que el área del recipiente a, con el objeto de que por cada milímetro de lluvia se deposite un centímetro en el recipiente 4. El sensor de precipitación consiste en un cangilón basculante montado sobre rodamientos de acero inoxidable; el sensor se activa por contacto magnético ante un impulso de lluvia; y, tiene una resolución de 0,1 mm. 4 Ibid 3

4 Figura No. 1 Características generales de un pluviómetro. La unidad de adquisición y procesamiento de datos (Data Logger Vitel VX1004) representa la parte inteligente de la estación; el Data Logger tiene una capacidad de almacenamiento de 128 Kbytes y almacena la información en formato ASCII; dicha información puede transmitirse automáticamente a un servidor central o transmitirse a un computador portátil mediante un puerto serial RS-232 (Véanse Figuras No. 2 y 3). Figura No. 2 Adquisición de información en un Data Logger Vitel VX1004. Figura No. 3 Unidad de adquisición y procesamiento de datos Vitel VX

5 Un archivo ASCII descargado de un Data Logger Vitel VX1004, contiene la información registrada cada 5 minutos; es decir existe un registro continuo de datos, incluso si no se produce precipitación. CREACIÓN DEL SISTEMA PLUVIOMETRÍA 2.0 El post procesamiento de los datos RAW obtenidos de un Data Logger, bien de forma automática (transmisión de datos) o mediante procedimientos manuales (a través de un computador portátil), conlleva la ejecución de un procedimiento mecánico que suele tardar varias horas/hombre; al final, el operador logra obtener un archivo ASCII con valores de precipitación instantánea, diaria y mensual, medidos en unidades de ingeniería (mm de precipitación). Para optimizar el tiempo de ejecución de este proceso y, por lo tanto, facilitar la operación misma de la red, la EMAAP-Q conceptualizó y desarrolló un sistema, denominado pluviometría 2.0, que integra los algoritmos de procesamiento de la precipitación con las funciones inherentes a los programas SIG. En la Figura No. 4 se muestra el formulario de ingreso al programa. Figura No. 4 Pantalla de ingreso del programa pluviometría 2.0. El programa permite la comprobación, in situ, de la precipitación registrada por el Data Logger (Vitel VX1004) de la estación; por ejemplo, si la precipitación no fue almacenada correctamente o se produjo algún imprevisto que distorsionó el valor de la medición, el operador puede identificar el problema e inmediatamente implementar las medidas necesarias para solucionar tal eventualidad. Además, su funcionalidad SIG, permite al operador consultar la información general de la estación y de los diversos componentes instalados allí; también puede consultar el mapa de ubicación de la estación y su posición con relación a otras estaciones que conforman la red. 5

6 Pluviometría 2.0, consiste en un programa aplicativo, construido mediante el software de desarrollo de aplicaciones Visual Basic 6.0 y el software de desarrollo de aplicaciones geográficas SIG MapObjects 2.2. El programa Visual Basic, de MicroSoft, es un lenguaje de programación IDE (Integrated Development Enviroment) que está integrado por los siguientes componentes: un editor de código, un depurador, un compilador y un constructor de interfaz gráfica o GUI. En tanto que el programa MapObjects, de ESRI, es una colección de componentes destinados para mapeamiento y funciones SIG. En la Figura No. 5 se muestra un ejemplo del código (o script) realizado en Visual Basic. En la Figura No. 6 se muestra el diseño de la interfaz gráfica del programa, creado en Visual Basic y MapObjects. Figura No. 5 Ejemplo de código de programa desarrollado en Visual Basic 6.0. Figura No. 6 Diseño de interfaz gráfica de usuario desarrollada en Visual Basic y MapObjects. Pluviometría 2.0, está conformado por tres componentes principales o módulos básicos: (1) la consulta de la información relacionada con la estación; 6

7 (2) el mapeamiento de la estación; y, (3) el algoritmo de cálculo de la lámina de precipitación diaria y mensual (Véase Figura No. 7). (1) Área de Consulta de información alfanumérica o tabular de cada estación. (2) Área de Mapeamiento de información (3) Área de Algoritmo de Cálculo de la Lámina de Precipitación. Figura No. 7 Componentes del sistema pluviometría 2.0. El componente relacionado con la consulta de información de la estación (pluviométrica o climatológica), permite buscar y extraer los datos tabulares, de una base de datos o de un archivo de texto, y visualizarlos en un formulario personalizado. Mediante este componente se puede consultar la información general de la estación (nombre, tipo, código, coordenadas, altura, descripción del lugar y fotografía), información del sensor instalado (pluviómetro, data logger, batería, regulador, pararrayos y panel solar) e información relacionada con la transmisión telemétrica de los datos (radio, panel solar, amplificador, mástil y antena). Finalmente, el programa describe el operador responsable y las fechas de inicio y fin de operación de la estación. El componente de mapeo, permite buscar y extraer los datos espaciales georeferenciados, almacenados en formato georelacional shape file (.SHP) y visualizarlos en un Objeto Mapa. El Mapa personalizado puede controlarse mediante herramientas básicas de visualización completa, acercamiento y desplazamiento. La visualización de una estación o de la red de monitoreo se complementa mediante el despliegue del límite del Distrito Metropolitano de Quito (DMQ) y una imagen satelital Landsat 7 (año 1999) que cubre toda la superficie del DMQ y las cuencas aportantes en donde operan estaciones pluviométricas y climatológicas de la EMAAP-Q. 7

8 En la Figura No. 8 se observa el detalle y localización de una estación pluviométrica. En la Figura No. 9 se observa la localización de toda la red de monitoreo. Figura No. 8 Visualización de la información general y localización espacial de la estación pluviométrica Rumihurco (P3). Figura No. 9 Visualización de la red de monitoreo hidrometeorológico. CÁLCULO DE LA LÁMINA DE PRECIPITACIÓN DIARIA Y MENSUAL En lo concerniente al cálculo de la lámina de precipitación, pluviometría 2.0, dispone de una opción denominada Calcular, que permite buscar e ingresar, desde cualquier dirección del disco duro del computador, el archivo de datos RAW bajado del Data Logger de la estación. La estructura básica de un archivo RAW se muestra a continuación: : : : : :

9 En donde los primeros dos dígitos representan el número de sensor, los cuatro siguientes dígitos representan el año, los tres siguientes dígitos representan el número de día en el año, luego se describe la hora; y, finalmente los últimos cuatro dígitos corresponden al valor (RAW) registrado por el data logger. Como se puede observar, el dispositivo de adquisición de datos almacena un valor de precipitación cada cinco minutos, incluso si no existe precipitación. El algoritmo de transformación de datos RAW en valores de lámina de precipitación instantánea, se determina mediante la aplicación de la siguiente relación: P t = (R t - R to ) / 10 En donde P t es la precipitación instantánea calculada en unidades de ingeniería (mm) en un instante t, R t es el dato RAW almacenado por el Data Logger en un instante t y R to es el dato RAW almacenado por el Data Logger en un instante to. Es importante señalar que t = to + 5 minutos. Además, el denominador de la relación (10) representa la resolución del sensor de precipitación. Mediante la relación anteriormente descrita, el programa pluviometría 2.0 determina la precipitación instantánea; luego determina la precipitación diaria, a través de la sumatoria de las precipitaciones instantáneas ocurridas durante cada día; y, finalmente, determina la precipitación mensual, a través de la sumatoria de las precipitaciones diarias ocurridas durante cada mes. El procesamiento de los datos se efectúa en todo el período de tiempo registrado en el dispositivo de almacenamiento data logger. Los resultados del procesamiento se almacenan en dos archivos en formato ASCII, el primero contiene la lámina de precipitación diaria (en mm) y el segundo archivo almacena la lámina de precipitación mensual (en mm). En el segmento de archivo ASCII, correspondiente a la lámina de precipitación diaria, que se muestra a continuación, se puede observar que cada registro contiene tres valores: el número de registro, la fecha de cada día y la precipitación diaria expresada en mm. 1,"11/05/2003",1 2,"12/05/2003",.6 3,"13/05/2003",0 4,"14/05/2003",0 5,"15/05/2003",0 Mientras que en el segmento de archivo ASCII correspondiente a la lámina de precipitación mensual, que se muestra a continuación, se puede observar que cada registro detalla tres valores: el número de registro, la fecha de cada mes y la precipitación mensual expresada en mm. 9

10 1," 5/2003",4.2 2," 6/2003",83.9 3," 7/2003",12.8 4," 8/2003",.5 5," 9/2003",95.9 Una vez que se ha concluido el procesamiento de la información, pluviometría 2.0, activa la opción Ver Resultados, que visualiza las tablas de precipitación diaria y mensual obtenidas; además se muestra el gráfico estadístico de los resultados mensuales: el histograma de distribución de alturas de precipitación mensual. En la Figura No. 10 se representa el formulario de resultados del procesamiento de la información. 5 Figura No. 10 Visualización de los resultados obtenidos del procesamiento de la información en el programa pluviometría 2.0. En resumen, el uso del programa pluviometría 2.0, constituye una herramienta versátil en la operación de la red de monitoreo hidrometeorológico que se adapta a las necesidades propias de cada uno de los usuarios. Finalmente, los resultados obtenidos a través del uso de este programa, ratifican la reducción del tiempo de post proceso de la información y facilitan la estandarización del formato de almacenamiento de la información para su posterior migración a la base de datos hidrometeorológica. 5 EMAAP-Q, Estudios de Prefactibilidad Proyecto de Agua Potable Ríos Orientales, Volumen 3: Estudios de Cartografía y SIG, Año

11 BIBLIOGRAFÍA Aparicio Mijares, Francisco Javier, Fundamentos de Hidrología de Superficie, Año EMAAP-Q, Estudios de Prefactibilidad Proyecto de Agua Potable Ríos Orientales, Volumen 3: Estudios de Cartografía y SIG, Año

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