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ANÁLISIS DE DISTRIBUCIÓN ESPACIO TEMPORAL DE LA PRECIPITACIÓN
UTILIZANDO HERRAMIENTAS PROCESAMIENTO ESPACIAL DE INFORMACIÓN
HÉCTOR PIZARRO DÍAZ
JOSÉ MIGUEL GUTIÉRREZ A.
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERIA
ESPECIALIZACIÓN EN SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA
MEDELLÍN
2006
1
INTRODUCCIÓN
El análisis espacial de variables es de suma importancia para poder comprender el
comportamiento de fenómenos naturales que varía espacialmente influenciadas por el
medio físico que las rodea, es una herramienta de gran utilidad para variadas
disciplinas y sirven para tomar decisiones que pueden afectan las actividades humanas.
En el área del manejo de recursos hídricos el análisis espacial de variables hace parte
de estado del arte actual ya que facilita la interpretación de los procesos hidrológicos
que se tienen en cuenta en la planeación, diseño y construcción de obras hidráulicas.
Un caso específico tiene que ver con la planeación del recurso hídrico en las centrales
de generación hidroeléctrica, el conocimiento no solo de la cantidad sino también de su
disponibilidad en el tiempo se convierte en factor crítico de decisión sobre la cantidad
de energía que puede producirse y lo es aún más en un mercado energético
competitivo como lo es el colombiano.
Este trabajo pretende hacer un aporte al análisis de la variación espacial y temporal de
la precipitación en la cuenca del río Guatapé, cuenca que la utiliza Empresas Públicas
de Medellín en la generación hidroeléctrica y que se encuentra ubicada en la región de
mayor producción de energía del país.
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1. FORMULACIÓN Y JUSTIFICACION DEL PROBLEMA
Empresas Públicas de Medellín tiene en el departamento de Antioquia varias centrales de
generación de energía hidroeléctrica, la cual debe ofrecerse en el mercado energético
compitiendo con precio y disponibilidad de energía con otras empresas del sector eléctrico,
estas dos características de la oferta dependen de variables económicas, de mercado,
estratégicas, hidrológicas etc. La ventaja competitiva de cada empresa en su oferta depende de
la información y del conocimiento que tenga de las variables, de las cuales una de gran
complejidad es la variable hidrológica mediante la cual se estiman los caudales generados en
los ríos que alimentan a los embalses de las centrales de generación y por tanto la
disponibilidad hídrica en los mismos.
Para estimar los caudales de los ríos diariamente el área de Hidrometría e Instrumentación
debe hacer, a partir de las precipitaciones diarias antecedentes, un pronóstico sobre los
caudales que se registrarán durante los próximos 3 días, este pronóstico es un insumo para que
el área Transacciones de Energía pueda realizar las ofertas de energía en el mercado donde se
negocia este valor.
El pronóstico realizado se contrasta luego con el caudal realmente registrado en los días
siguientes en estaciones limnigráficas ubicadas en los ríos. En esta gestión que realiza el área
Hidrometría el problema que debe resolverse está relacionado con el modelo de pronóstico de
caudales, puesto que previo a éste se hace otro pronóstico muy empírico de las precipitaciones
que alimentan al modelo, contando solo con información sobre la precipitación total antecedente
registrada en algunas de las estaciones de la cuenca y con información meteorológica a una
escala global. El pronóstico de caudales debe ser lo más acertado posible ya que esta
información es un insumo para la toma de decisiones en las ofertas diarias de venta de energía
que realiza Empresas Públicas de Medellín E.S.P.
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Para dar respuesta al problema pueden estimarse los patrones de distribución de la
precipitación a partir de los registros horarios por medio de tablas que muestren cuánta
precipitación se registra en cada intervalo de tiempo, además estas tablas pueden disponerse
en secuencia geográfica, de tal manera que mediante un proceso dispendioso, por la gran
cantidad histórica de precipitación, podría inferirse cómo varía la precipitación tanto espacial
como temporalmente. El pronóstico de caudales podría disminuir su nivel de incertidumbre si
se conociera diariamente cuál es la tendencia o los patrones de la distribución espaciales hora a
hora de la precipitación dentro de las cuencas aportantes a los ríos.
Un sistema de información geográfico permitiría, mediante rutinas de interpolación y a partir de
registros puntuales de precipitación, elaborar planos de distribución espacial, el análisis de esta
información gráfica, repetida para diferentes intervalos de tiempo, permitiría establecer patrones
de distribución espacial que podrían explicarse a partir de la entrada de humedad a la cuenca y
de la influencia de la topografía sobre el régimen pluviométrico.
El pronóstico de caudales lo realiza Empresas Públicas de Medellín E.S.P diariamente en todos
sus proyectos de generación hidroeléctrica que están en operación; sin embargo, se ha
seleccionado como cuenca piloto la del río Guatapé que surte de caudales al proyecto
hidroeléctrico de Playas, por que allí dada la torrencialidad de la cuenca hay mayor
incertidumbre en la estimación de caudales altos.
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2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Analizar la distribución espacial y temporal de la precipitación para ver si existen patrones que
se repitan y asociarlos con las características físicas de las cuencas y con los mecanismos
meteorológicos de mesoescala.
2.2 OBJETIVO ESPECIFICO
2.2.1 Analizar gráficamente la distribución espacial de la precipitación registrada en eventos
que hayan dado origen a crecientes máximas en la cuenca del río Guatapé.
2.2.2 Analizar estadísticamente la distribución temporal de la precipitación en los mismos
eventos anteriores.
2.2.3 Explicar la distribución espacial de la precipitación con base en las características físicas
en la cuenca del río Guatapé y en los mecanismos meteorológicos y observar si existen
patrones repetitivos.
2.2.4 Explicar la distribución temporal de la precipitación con base en los mecanismos
meteorológicos y observar si existen patrones repetitivos.
2.2.5 Mostrar algunas características fisiográficas de la cuenca (Aspecto, iluminación, red de
drenaje, relieve y pendiente) utilizando herramientas de ArcGis.
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3. MARCO TÉORICO
La variabilidad espacial del clima en Colombia está afectada por los siguientes factores:
Oscilación del frente intertropical de convergencia, entrada de humedad desde la amazonía
hacia el interior del país, influencia de la humedad proveniente de los océanos Atlántico y
Pacífico y de las cordilleras oriental, central y occidental que se presentan como barreras a la
entrada de humedad y que la distribuyen en los valles interandinos. Todos estos factores a su
vez se conjugan con la fisiografía propia de cada región lo cual aumenta más la variabilidad.
Se ha observado que en la zona tropical los complejos convectivos de mesoescala son los
responsables de la precipitación en un 90% (Houze, 1993), estos son grandes sistemas de
nubes y precipitación con circulación asociada que incluye un grupo de cumulonimbus durante
la mayor parte de la vida del sistema (Zipser, 1982).
Las masas de aire que transportan los complejos convectivos de mesoescala sufren variaciones
en su dinámica por la presencia de la altura y orientación de la orografía, la cobertura vegetal y
al interacción sueloatmósfera. Esto ocasiona variabilidad en la forma como se distribuye
espacial y temporalmente la precipitación y en forma más general sobre los procesos del ciclo
hidrológico.
Para mayor claridad respecto a los complejos convectivos de mesoescala se dan las siguientes
definiciones:
Convención: movimiento vertical del aire provocado principalmente por el efecto de
calentamiento que ocasiona la radiación solar en la superficie terrestre. Este fenómeno origina
la formación de nubes de tipo cúmulos, los cuales pueden convertirse en cumulonimbus
(Nubes de tormentas) si la convección es muy fuerte. Ver Figura # 1
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Figura # 1 Procesos de convección.
Fuente: www.jmarcano.com/planeta/meteo.html
Cúmulo: Nube aislada y densa, que se desarrolla verticalmente con protuberancias, no produce
lluvias. Este tipo de nube se muestra en la Figura # 2.
Cumulonimbus: Nube densa y potente, de considerable desarrollo vertical que produce lluvias y
tormentas eléctricas. Ver figura # 3.
Mesoescala: Un fenómeno de mesoescala es aquel que tiene una duración desde horas hasta
dos o tres días o una extensión horizontal desde decenas hasta 2500 Km o una altura entre 1
y 10 Km. Ejemplo de estos fenómenos son las tormentas convectivas, tornados, brisa de mar,
etc.
Dentro del ciclo hidrológico existen algunos procesos que ocurren en la superficie de la tierra
luego que la precipitación cae sobre ella. Inicialmente parte de la precipitación queda detenida o
almacenada en la cobertura vegetal, en los cuerpos de agua (Lagos, embalses) y en el interior
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del suelo. A continuación se explicará cómo es cada uno de estos procesos en el ciclo
hidrológico.
Figura # 2 Nube tipo cúmulo.
Fuente: www.jmarcano.com/planeta/meteo.html
Figura # 3 Nube tipo cumulonimbus
Fuente: www.jmarcano.com/planeta/meteo.html
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La cantidad de agua almacenada en la cobertura vegetal da origen a un proceso hidrológico
llamado intercepción, esta cantidad depende del tipo de vegetación, de su estado de
maduración y de su cobertura espacial. Experimentalmente la cantidad de agua almacenada
mediante este proceso hidrológico puede conocerse colocando pluviómetros bajo cada tipo de
cobertura vegetal y otros a campo abierto, la diferencia de la medida entre ambos tipos de
pluviómetros indicará la cantidad de agua interceptada, este método de medición es difícil de
realizar por la gran cantidad de pluviómetros que tendrían que ubicarse en el terreno, por lo
tanto, existen valores teóricos que indican la capacidad de intercepción para diferentes
coberturas vegetales.
Los cuerpos de agua presentes en las cuencas almacenan agua y su cantidad depende de la
profundidad y del área superficial de estos cuerpos, el agua almacenada allí puede regresar a la
atmósfera y cargarla de humedad mediante el proceso hidrológico llamado evaporación o puede
recargar la humedad del suelo mediante el proceso de infiltración. El agua que logra
evaporarse puede estimarse a partir de las medidas que se realizan en los evaporímetros
colocados en la zona de estudio. La cantidad de agua precipitada que puede infiltrarse depende
de la humedad antecedente del suelo, de la intensidad y duración de la precipitación y del tipo
de suelo, experimentalmente la tasa de infiltración del terreno puede medirse en laboratorios o
en parcelas experimentales del terreno, su aplicación en cuencas de gran tamaño se hace
impracticable.
Finalmente el agua luego de almacenarse, evaporarse e infiltrase puede escurrir superficial o
subterráneamente hacia las corrientes de agua produciendo una onda que se conoce como
crecida o creciente.
En resumen el agua que se precipita desde la atmósfera sufre procesos hidrológicos que hacen
que varíe la escorrentía superficial que llega a las fuentes de agua, adicionalmente la cantidad y
la forma cómo esta llega a las corrientes varía con la distribución espaciotemporal de la
precipitación.
La distribución temporal hace variar la intensidad de la precipitación dependiendo de la cantidad
de agua que cae en el intervalo de tiempo, además la horas del día en la cual se presenta la
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precipitación es necesario conocerla para programar los procesos que utilizan el recurso
hídrico, o para programar actividades humanas que pueden afectarse por la presencia de
precipitación como el transporte, la agricultura, la realización de obras civiles, etcétera.
La distribución espacial determina la rapidez con la cual la escorrentía superficial llega a las
corrientes de agua, esto se aprecia gráficamente en los ondas de las crecientes o hidrogramas,
una tormenta que cubra solamente una parte de la cuenca producirá menor escorrentía que
otra que cubra un área mayor.
Por las razones expuestas es importante conocer, para estimar los caudales producidos en un
río, no solo la cantidad de precipitación si no también su distribución espacial y temporal.
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4. METODOLOGÍA PROPUESTA
Inicialmente se seleccionaron las dos crecientes máximas registradas anualmente, desde 1997
hasta 2005, en la estación limnigráfica RN9B El Silencio ubicada en el cauce del río Guatapé a
la entrada del embalse de Playas, esta estación está ubicada allí precisamente para estimar el
recurso hídrico disponible para la generación hidroeléctrica. Luego se seleccionaron las
precipitaciones que dieron origen a las crecientes máximas anuales, estas precipitaciones
fueron registradas en nueve estaciones pluviográficas ya mencionadas y ubicadas en la cuenca
del río Guatapé.
Para analizar la distribución espacial de la precipitación se desarrolló un pequeño modelo en
ArcGIS para hacer la interpolación gráfica de la precipitación sobre la cuenca del río Guatapé
hasta el sitio de presa del proyecto hidroeléctrico, y utilizando los datos puntuales de
precipitación registrados en las estaciones pluviográficas Con el modelo de interpolación se
analizaron los 18 eventos de precipitación, discretizando para su análisis la precipitación total
registrada cada media hora con el fin de observar si existe algún patrón de distribución espacial
que se repita.
Con el análisis propuesto se realizaron 18 mapas para los eventos discretizados cada media
hora. Estos mapas pueden observarse en el Anexo 2. Se construyeron mapas con la cantidad
de precipitación registrada cada media hora, que combinándolas nos permite ver cómo se
mueve el foco de precipitación tanto espacial como temporalmente, pero además y con el fin de
poder hacer la comparación a una misma escala de la cantidad de precipitación registrad cada
media hora, se hicieron mapas similares pero en unidades el porcentaje de precipitación
registrado en cada estación, el porcentaje se calculó respecto a la suma aritmética de las
precipitaciones registradas cada media hora en todas estaciones. Estos mismos mapas se
muestran en el Anexo2.
Una vez dibujados los mapas se realizó un análisis estadístico para saber cuál estación se
comporta como foco o punto de máxima precipitación y cuáles son las horas del día cuando son
más frecuentes los eventos de precipitación.
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5. DESARROLLO
La cuenca del río Guatapé se encuentra ubicada al oriente del departamento de Antioquia en la
ladera oriental de la cordillera central, en jurisdicción de los municipios de San Rafael y San
Carlos, comprendida entre las coordenadas 74° 59´ W, 75° 06´, 6° 10 y 6° 17´. Hasta el sitio de
presa la cuenca drena un área de 296 Km 2. Está conformada por varios ríos y quebradas siendo
los más importantes los ríos Guatapé, Bizcocho, Arenales, Churimo y la quebrada Jaguas.
La cuenca presenta una pendiente muy escarpada hacia la parte occidental, donde nace el río
Guatapé aproximadamente en la cota 1900, hacia su parte occidental, donde se encuentra el
embalse de Playas. Aproximadamente el 60% de la cuenca esta cubierta por bosques
secundarios y rastrojos y el resto por potreros. Las temperaturas medias varían entre 17° C y
23° C y la precipitación media anual entre 3200 mm y 6000 mm, la variación espacial de esta
última variable se muestra en la Figura # 4.
El río Guatapé alimenta al embalse de Playas en el cual se almacena el agua para generación
hidroeléctrica en la central de mismo nombre. El embalse de Playas tiene una capacidad útil de
almacenamiento de 77.3 millones de m 3 , recibe las aguas del río Guatapé y además las
descargas de las centrales hidroeléctricas de Guatapé y Jaguas. Luego de generar las aguas
son desviadas nuevamente al cauce del río Guatapé.
La central hidroeléctrica de Playas entró en operación en febrero de 1988, posee tres grupos de
generadores impulsados por turbinas Francis de eje vertical. La central tiene una capacidad
instalada de 204 megavatios y una caída neta de 176 metros.
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Figura # 4. Precipitación media anual en la cuenca del río Guatapé
Fuente: realizada por investigador con las herramientas del ArcGis.
5.1 INFORMACION UTILIZADA
5.1.2 Información hidrológica
Para este estudio se utilizó información hidrológica suministrada por Empresas Públicas de
Medellín e información geográfica suministrada por esta misma empresa y por la Corporación
Regional del Río Nare (CORNARE).
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Para la información Hidrológica se utilizaron los registros de la estación limnigráfica RN9B El
Silencio y los registros de precipitación de nueves estaciones pluviométricas ubicadas en la
cuenca del río Guatapé aguas arriba del sitio de presa del proyecto hidroeléctrico Playas. Estas
estaciones registran información continuamente y la envían cada cuatro horas vía satélite a las
oficinas del Área Hidrometría e Instrumentación de Empresas Públicas de Medellín, una vez
llega allí es almacenada en una base de datos de registros hidrometeorológicos que permite su
administración, análisis y consulta.
En la Tabla # 1 se indican las características de las estaciones empleadas para el estudio y en
Tabla # 1. Características de las estaciones utilizadas en el estudio
Código Nombre Coordenada X Coordenada Y Precipitación media
anual (mm)
Altura (msnm)
2308046 La Pradera 1186610 899760 3489 1100 2308061 El Bizcocho 1189710 888920 4501 1070 2308083 La Rápida 1181057 893626 4163 1380 2308084 Tocaima 1194003 885996 4613 1570 2308085 La Cascada 1181740 889860 5214 1700 2308086 Samaria 1185620 885166 5917 1350 2308790 Silencio 1188187 896277 3367 979 2308523 Playas 1192310 902110 3212 1210 2308951 Jaguas 1194272 898973 3287 975
Fuente: realizada por el investigador
Las estaciones El Silencio y Jaguas registran los niveles del río Guatapé y de la descarga de la
central de Jaguas al embalse de Playas respectivamente, pero además a partir de julio de 1998
comenzaron también a registrar la precipitación en los mismos sitios de ubicación de los
limnígrafos.
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Figura # 5 Ubicación de estaciones en la cuenca del río Guatapé
Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis.
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5.1.3 Información topográfica digital
Las características físicas de la cuenca como son su topografía y la distribución de la red de
drenaje se analizaron en planos topográficos digitales a escala 1:25000 de Instituto Geográfico
Agustín Codazzi digitalizado y facilitados para este estudio por CORNARE, esta información fue
complementada por información similar que había sido digitalizada por Empresas Públicas de
Medellín.
5.1.4 Información meteorológica
Los datos meteorológicos y su análisis se consultaron de la tesis de Postgrado titulado “Análisis
sinóptico y de mesoescala de los eventos hidrometeorológicos extremos que afectan las
cuencas de los ríos Nare y Guatapé los cuales alimentan a los embalses de El Peñol y Playas,
respectivamente, en el oriente de Antioquia, Colombia” presentado por la ingeniera Gloria
Estela Marín Cortés para optar al título de Magister Scientiae en ciencias de la atmósfera.
5.1.5 Metadatos
La documentación sobre los datos utilizados para la realización de este estudio se presentan en
el formato FGDC propuesto por ESRI, en este formato se informa sobre el origen de los datos,
sus formatos, restricciones, confiabilidad, contenido, sistema de coordenadas, lenguaje y los
autores entre otros.
La documentación de los datos se anexa en archivo magnético.
5.2 ANÁLISIS DE SUPERFICIE
Con el fin de hacer una mejor descripción de algunas características físicas de la
cuenca se utilizarán herramientas de ArcGis que permiten realizar análisis espacial de
superficies. Estas herramientas y el análisis que permiten hacer se describen a
continuación.
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5.2.1 Modelo digital del terreno.
Una manera de representar digitalmente la topografía del terreno es mediante un
arreglo vectorial de triángulos irregulares que ajustan un plano a tres puntos cercanos
no colineales que se adaptan a la superficie del terreno. En la Figura # 6 se muestra
este modelo digital de la cuenca del río Guatapé. En el puede apreciarse claramente las
partes de mayor altura en la cuenca hacia los nacimientos de los ríos Guatapé y
Bizcocho y en la parte baja la ubicación del embalse que pareciera tener una extensión
mayor, esto debido a la escala de alturas empleada en la elaboración del modelo digital.
Normalmente este tipo el modelo digital del terreno se conoce como TIN por sus siglas
en inglés (Triangulated irregular net).
5.2.2 Mapa de pendientes
Este es un mapa en formato raster que indica el máximo cambio de elevación que existe entre
una celda y sus ocho vecinas. En este caso ser muestra el mapa de pendientes, expresando en
porcentaje. Como puede notarse del mapa en promedio la mayor parte del terreno tiene una
pendiente menor al 40 %, solo en zonas muy escarpadas la pendiente puede ser mayor al
100%. Ver Figura # 7
5.2.3 Mapa de aspectos
Este es también un mapa tipo raster que muestra un concepto geomofológico que indica la
dirección de mayor pendiente en cualquier punto de una vertiente, se define a partir de una
celda y sus ocho vecinas circundantes. El aspecto se mide siguiendo la dirección de las
manecillas del reloj, los valores que toma esta variable va de 0° hasta 360°, de tal manera que
un aspecto con valor 0° indica dirección norte. Nótese como hacia las laderas del lado sur de la
cuenca las mayores pendientes se orientan hacia el norte, en tanto que en las laderas del lado
norte de la cuenca las mayores pendientes se orientan hacia el sur, sureste y suroeste, que
esta de acuerdo con la orientación de los cauces principales de la cuenca. Este mapa se
muestra en la Figura # 8
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Figura #6. Modelo digital de la cuenca. Figura #7. Mapa de pendientes.
Figura #8 Mapa de aspectos.
Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis.
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5.2.2 Mapa de iluminación.
Es un mapa tipo raster que representa la iluminación hipotética de una región geográfica si
estuviera iluminada por la luz del sol proyectada hacia ella con determinado azimut (Dirección
angular del sol, siendo 0° el este, 90° el norte, 180° el oeste y 270° el sur) y la altitud del sol.
Este mapa es muy útil para conocer a determinadas horas del día cómo reciben las laderas de
la cuenca la radiación solar. Más adelante se explicará cómo influye la radiación solar en la
circulación de las masas de aire entre el valle y las montañas.
El mapa resultante indica para cada celda la iluminación que recibe de acuerdo con la ubicación
del sol, para este caso azimut 0° y altitud 20°, los valores de van desde 0 hasta 255, los colores
más claros indican zonas intensamente iluminadas y las más oscuras, sombras.Ver Figura # 9
Figura # 9 Mapa de Iluminación.
Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis.
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5.2.3 Red de drenaje.
En el estudio de la geomorfología de las cuencas es muy importante conocer cómo se
distribuye su red de drenaje, tanto en cantidad como en configuración espacial. Un método para
estudiar la configuración de la red de drenaje fue propuesto por Strahler, el método que tan
drenada se encuentra una cuenca, para ello asigna un orden a cada drenaje o corriente de
agua de acuerdo con las siguientes reglas: Una corriente es de orden uno si aguas arriba de
cualquier punto de ella no recibe afluentes, cuando se unen dos corriente del mismo orden la
que continua aumenta en una unidad su orden, si se unen dos corriente de orden diferente la
que continua conserva el orden de la mayor. El río principal de la cuenca, por lo tanto el de
mayor caudal es el que tiene el mayor orden que es el mismo que le corresponde a la cuenca.
Entre mayor sea el orden de la cuenca indica una red de drenaje muy bifurcada, esto es
característico de drenajes que fluyen por terrenos poco permeables.
En el caso de la cuenca del río Guatapé, cuya red de drenaje se muestra en la Figura # 10, el
orden de la cuenca es de 8 que indica una red muy bifurcada. Infortunadamente no pudo
contarse con información topográfica antes de la construcción del embalse de Playas, por esta
razón en la figura mencionada no es muy clara la conformación de la red de drenaje en la zona
ocupada por el embalse o en sus cercanías.
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Figura # 10 Orden de la cuenca.
Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis.
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5.3 PROCESO DE INTERPOLACIÓN
Inicialmente se seleccionaron precipitaciones registradas cada media hora en las nueve (9)
estaciones pluviográficas, esta información reposa en la base de datos hidrometeorológicos de
las Empresas Públicas de Medellín y se muestra en el Anexo 1.
A continuación se describen los pasos realizados para el proceso de interpolación:
5.3.1 Consulta y extracción de la información de la base de datos a formato txt. Mediante uno
de los módulos que posee la base de datos se exportaron los registros de precipitación a tablas
en formato txt
5.3.2 La información en formato txt se convierte a formato dbf para luego poderla cargar en
Arcmap
5.3.3 Se construyó mediante la herramienta de modelamiento asistido (Model builder) un
modelo para realizar la interpolación de los datos de precipitación. El modelo asistido es una
herramienta del Arctoolbox, que permite crear un Toolbox y este a su vez permite crear el
modelo.
Figura # 11 Modelo utilizado para interpolar la precipitación
Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis.
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5.3.4 Luego se procedió a cargar en ArcMap los datos de precipitación desde la tabla dbf, se
creó un layer con la ubicación de las estaciones pluviográficas una vez que se les asignaron las
coordenadas X, Y.
5.3.5 Con el layer se realizó la interpolación con el método de interpolaciòn IDW (Inverse
Distance Weighted) el resultado de la interpolación es un raster que pose los valores
interpolados de la precipitación cada media hora.
Figura # 12. Mapa resultante de la interpolación de los datos de precipitación
Fuente: realizados por investigador con las herramientas del ArcGis
Una vez dibujados los mapas se realizó un análisis estadístico para saber cuál estación se
comporta como foco o punto de máxima precipitación y cuáles son las horas del día cuando son
más frecuentes los eventos de precipitación.
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6. ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN.
6.1 ANÁLISIS DE LA DISTRIBUCIÓN TEMPORAL.
Como se mencionó en el numeral anterior, se hizo un análisis estadístico de los eventos de
precipitación estudiados, tal como se explicará a continuación. En la Tabla 2 se resumen las
características de estos eventos: se muestra la fecha del evento, sus horas de inicio y
finalización, y los focos horario, total e inicial que corresponden a la estación donde se presentó
la máxima precipitación horaria, la estación de máxima precipitación total y la estación donde
ocurrió la máxima precipitación en la hora inicial respectivamente.
Tabla # 2. Características de los eventos analizados.
Fecha Hora inicial Hora Final Duración Foco horario Foco total Foco inicial
Sep2597 20 3 8 El Bizcocho El Bizcocho Samaria Oct2197 16 1 10 Playas Playas El Bizcocho Jul2898 18 2 9 El Bizcocho El Bizcocho Samaria Nov1398 15 23 9 Jaguas La Rápida Tocaima Abr2999 18 2 9 El Bizcocho La Pradera Samaria Jun1999 22 5 8 El Bizcocho Tocaima Samaria Jun2400 17 23 7 Samaria Samaria La Rápida Dic1000 17 1 9 La Rápida Samaria Samaria Mar3101 18 23 6 La Cascada La Cascada El Bizcocho Abr2401 19 23 5 Samaria Tocaima La Cascada Ago2902 6 10 5 La Rápida Samaria Samaria Oct1702 19 23 5 Tocaima Samaria Samaria Abri2903 0 5 6 El Bizcocho Samaria Samaria Sep0603 0 4 5 Samaria La Cascada Tocaima Sep2904 20 24 5 La Pradera Playas La Rápida Nov0204 19 24 5 La Cascada La Cascada La Cascada Jun2805 22 2 5 La Cascada La Rápida La Rápida Nov0905 19 24 6 La Cascada La Cascada Tocaima
Fuente: realizados por investigador
Respecto a la distribución temporal de la precipitación puede notarse que la mayoría de los
eventos se presentan al terminar la tarde o en las primeras horas de la noche y se prolongan
hasta el amanecer, en promedio estos eventos tiene una duración aproximada de siete horas
desde que comienza en alguna estación hasta su registro final.
Para conocer el ciclo diurno de la precipitación se analizaron las precipitaciones totales
registradas cada seis horas en todas las estaciones y en los días de los eventos seleccionados.
En el Anexo 3 se muestran estas distribuciones, tanto en cantidad total como porcentualmente y
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en la Tabla # 3 se muestran los porcentajes promedio de precipitación cada seis horas para los
eventos analizados. Figura # 13 se muestra en forma resumida la distribución horaria de los
eventos con respecto a la elevación de las estaciones.
Tabla # 3. Distribución horaria de la precipitación cada seis horas.
Fuente: realizada por el investigador
En total se analizaron 176 eventos de precipitación para las nueve estaciones seleccionadas los
cuales se muestran en el Anexo 1. Puede notarse de este Anexo y de la tabla anterior como
porcentualmente la mayor precipitación se registra diariamente entre la 18 y las 24 horas y
luego en el período entre las 0 horas y las 6 de la mañana, o sea que entre las 18 horas y las 6
de la mañana del día siguiente ocurre casi el 90% de la precipitación que originan grandes
crecientes en el río Guatapé.
Se nota también de la tabla anterior como las estaciones Jaguas y Playas, que se encuentran
en la parte más baja de la cuenca, presentan distribuciones diferentes a las del resto de la
cuenca, en estas estaciones la precipitación se concentra en las primeras 6 horas de la
mañana, pero en las 6 horas antecedentes a ellas también ocurre un porcentaje grande de la
precipitación. Se podría concluir que en la parte alta de la cuenca la precipitación tiende a
presentarse con más intensidad en las últimas 6 horas del día y que a medida que se desciende
en altura la precipitación más intensa tiende a concentrarse en las primeras horas de la
mañana.
Estación 0:006:00 6:0012:00 12:0018:00 18:0024:00
El Bizcocho 23.8 4.8 9.5 61.9 La Cascada 27.3 4.5 0.0 68.2 Jaguas 50.0 6.3 0.0 43.8 Playas 55.0 0.0 0.0 45.0 La Pradera 35.0 5.0 0.0 60.0 La Rápida 22.2 5.6 5.6 66.7 Samaria 22.7 4.5 0.0 72.7 El Silencio 35.7 7.1 0.0 57.1 Tocaima 39.1 4.3 0.0 56.5
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Figura #13 Variación porcentual de la precipitación con la altura, en intervalos de 6 horas
Periodo horario
Altitud
1218 1824 246 612
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
0
10
20
30
40
50
60
70
Fuente: realizada por el investigador con las herramientas del Matlab
De este análisis se observa que el período de menor precipitación se presenta entre el medio
día y las seis de la tarde por lo que puede decirse entonces que el ciclo diario es unimodal con
la mayor concentración de precipitación entre las seis de la tarde y la seis de la mañana del día
siguiente, y que en el resto del día la precipitación tiende a ser menor principalmente luego del
mediodía.
El ciclo diurno de la precipitación no solo está determinado por la circulación atmosférica de
gran escala, sino también por condiciones locales como las características de la circulación
montañavalle, las características orográficas y la vegetación predominante en la zona. En el
caso de la cuenca del río Guatapé es de especial interés para la explicación del ciclo diurno de
precipitación el mecanismo de circulación montañavalle, como se explica a continuación.
El río Guatapé desemboca al río Samaná Norte y este a su vez lo hace al río Magdalena, tal
como lo hacen los afluentes a este río moviéndose por los valles interandinos de las cordilleras
central y oriental. Durante el día debido a la radiación solar las masas de aire presentes en los
valles se calientan y se mueven desde el valle del río Magdalena hacia los valles de sus
tributarios y desde estos hacia las partes altas de sus cuencas.
26
En la cuenca del río Guatapé la dirección de las masas de aire que contiene humedad se
mueven hacia las partes altas de la cuenca en donde el aire es forzado a subir por una barrera
orográfica muy pendiente en la cual se alcanzan alturas hasta de 2000 m.s.n.m, luego en las
primeras horas de la noche estas masas se enfrían y originan precipitaciones sobre las laderas
de la montañas, estas masas frías siguen su descenso hacia la parte baja de la cuenca y esto
explica por qué en las estaciones que se encuentran a menor altitud alrededor del embalse, la
precipitación tiende a ser mayor al amanecer.
En la gráfica siguiente se observa cómo es el mecanismo de calentamiento de los valles y las
montañas a lo largo del día. En la mañana el sol calienta la ladera oriental de la montaña, el aire
se eleva sobre este costado produciendo la elevación de las masa de aire sobre él. Al mediodía
los rayos del sol calientan ambos costado de las montañas, pero igualmente el centro del valle
lo que hace reducir los flujos de aire desde el valle hacia las laderas de las montañas,
finalmente en las horas de la tarde el calentamiento del sol se da sobre la ladera occidental los
cual origina la circulación vallemontaña sobre esta ladera y una circulación inversa sobre la
ladera oriental.
Figura # 14. Circulaciones vallemontañavalle producidas por la radiación solar
Fuente: www.jmarcano.com/planeta/meteo.html
.
27
6.2 ANÁLISIS DE DISTRIBUCIÓN ESPACIAL
Para estudiar la distribución espacial de la precipitación se analizarán los resultados resumidos
en la Tabla # 2 y los gráficos que muestran la distribución espacial en el Anexo 2. Se analizaron
cada uno de los eventos estudiados para detectar en ellos cuál es la estación donde se registró
la mayor cantidad de precipitación total, en cuál estación se registró la máxima cantidad de
precipitación horariamente y en cuál estación se presentó en la primera hora la mayor cantidad
de precipitación.
De acuerdo con el análisis puede concluirse que la estación en donde regularmente se presenta
mayor cantidad de precipitación es Samaria, esto concuerda con la precipitación anual que es la
máxima de las estaciones en estudio, luego le sigue La Cascada que es también donde se
presentan los mayores registros anuales de precipitación. Casi en el 50 % de los eventos
analizados estas estaciones fueron los focos máximos de precipitación.
En cuanto a la frecuencia de foco máximo horario de precipitación se destaca la estación El
Bizcocho y luego le sigue La Cascada, en la primera estación el 27.8 % de los eventos horarios
se presentó allí la máxima precipitación y en la segunda el 22.2 %.
La estación Samaria ubicada en la parte alta de la cuenca del río Guatapé recibe el influjo
directo de las masas que ascienden por la parte encañonada del río, es por esta razón que en
la mayoría de los eventos analizados, el 44.4 % de las veces, allí se presentó en la primera hora
la máxima cantidad de precipitación, en las demás estaciones el porcentaje de ocurrencia fue
ostensiblemente menor y en tres de ellas nunca ocurrió el máximo de precipitación en la
primera hora, estas estaciones fueron Playas, Jaguas y La Pradera que son las estaciones que
se encuentran ubicadas en la parte más baja de la zona en estudio, donde regularmente ocurre
la precipitación en las primeras horas del día cuando en las otras estaciones de la cuenca la
precipitación está disminuyendo.
Al analizar los mapas de la distribución espacial horaria (Mapas del Anexo 2) puede notarse que
en la mayoría de los eventos analizados la primera hora más intensa de precipitación ocurre en
las estaciones Samaria, El Bizcocho y Tocaima, la primera como ya se mencionó ubicada en el
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cañón del río Guatapé y las otras dos en la cuenca del río El Bizcocho que es una zona de
mucha precipitación y donde se registran grandes creciente en este río.
En general en las primeras horas de las tormentas los focos horarios de precipitación saltan
entre las estaciones Samaria, El Bizcocho y Tocaima y en algunas tormentas también en las
estaciones La Cascada y La Rápida. A medida que avanza la tormenta el movimiento del foco
es errático, pero en las últimas horas el foco tiende a ubicarse en las estaciones más cercanas
al embalse como son El Silencio, La Pradera, Playas y Jaguas o se presentan focos
generalizados en varias estaciones lo que indica una distribución más uniforme de la
precipitación sobre toda la cuenca.
Esta distribución espacial obedece a los mismos mecanismos explicados en la distribución
temporal, es decir, a la circulación vallemontaña y a la presencia de barreras orográficas que
obligan a las masas de aire húmedo a ascender sobre sus laderas, produciendo la
condensación de la humedad y eventualmente originando precipitación sobre las laderas y
posteriormente sobre toda la cuenca.
Para tener una mejor explicación de estos eventos desde el punto de vista meteorológico se
buscó información al respecto, pero infortunadamente no fue posible conseguirla, solo se pudo
tener información para el día 29 de abril de 1999. A continuación se da una explicación sobre
los mecanismos meteorológicos que originaron las precipitaciones de ese día.
Según el análisis de mesoescala el día 29 de abril de 1999 a las 19:00 (Día 30 de abril hora
00:00 UTC: Universal time coodinated), se originó un complejo convectivo de mesoescala en la
cordillera central en la ladera derecho del valle del río Medellín, con su centro en las
coordenadas en la latitud 6.24° N y en la longitud 75.51 W, con un área de 281151 Km 2 y una
temperatura en su tope de 197.35 °K (75.65°C).
Este complejo convectivo fue originado por vientos provenientes del Océano Pacífico y los
Alisios del noreste, la convergencia de estas masas de aire originaron un movimiento en
dirección suroeste empujados por los vientos Alisios que predominaron hasta las 22:00 horas,
luego el complejo fue forzado por los vientos provenientes del océano Pacífico llevándolo en
dirección sureste hasta la 01:00 del día 30 de abril. Finalmente a las 01:15 del 30 de abril el
29
complejo chocó contra la ladera occidental de la cordillera central, esto generó un ascenso y un
aumento de su tamaño a 680964 Km 2 y se trasladó desde esa hora en dirección noroeste.
Figura # 15 Trayectoria del complejo convectivo de mesoescala los días
29 y 30 de abril de 1999.
Fuente: Marín Cortés, G.E.
En la figura anterior los círculos representan la ubicación del centro de gravedad del complejo a
las 19:00 y 22:00 horas del 29 de abril y a la 01:00, 04:00, 07:00, 10:00 y 13:00 horas del 30 de
abril (0, 3, 6, 9, 12, 15 y 18 del 30 de abril). El tamaño de los círculos no representa el tamaño
del complejo.
Por las dimensiones de este complejo, por su ubicación y trayectoria, este influyó sobre las
precipitaciones registradas en las horas de la noche del día 29 de abril y en las primeras horas
30
del día 30 de abril de 1999 en la cuenca del río Guatapé y en cuencas vecinas. Estas lluvias
generaron una creciente en el río Guatapé registrada en el estación limnigráfica RN9B, esta
alcanzó un caudal máximo instantáneo de 826.5 m 3 /s a las 23:00 horas del 29 de abril, de este
caudal 80.0 m 3 /s corresponde al caudal turbinado en la central de Guatapé y desviado luego al
río Guatapé, es decir, el caudal natural generado por las precipitaciones fue de 746.5 m 3 /s. La
creciente generada se observa en al Figura No 16, en la cual la hora de inicio corresponde a
las 20:00 del día 29 de abril y se prolongó hasta las 22:00 del día 30 de abril de 1999.
Figura # 16. Creciente registrada en la estación RN9B entre los días 29 y 30 de abril de 1999.
Creciente registrada en el río Guatapé entre los días 29 y 30 de abril de 1999
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
Hora
Cau
dal (m3/s)
Fuente: realizada por el investigador
31
7. CONCLUSIONES
El objetivo general de este estudio fue analizar algunos eventos de precipitación que originaron
crecientes máximas en la cuenca del río Guatapé para ver si existen patrones de distribuciones
temporales y espaciales de la precipitación en los eventos analizados.
Se pudo comprobar mediante un análisis estadístico que para los eventos analizados, la
precipitación que dio origen a las crecientes máximas comienza generalmente en las últimas
horas de la tarde o en las primeras de la noche y se prolonga hasta el amanecer del siguiente
día.
El ciclo diurno de precipitación se analizó dizcretizando la precipitación en períodos de seis
horas, pudo notarse que este ciclo es unimodal con la cantidad máxima de precipitación
concentrada en todas las estaciones entre las seis de la tarde y las seis de la mañana del día
siguiente.
El ciclo diurno de precipitación no varía con la altura, a pesar de que a la altura de 1200 m.s.n.m
se presenta un desplazamiento de la concentración de la precipitación hacia las primeras horas
del día, pero este comportamiento solo se observó en la estación Playas, por lo tanto, no puede
concluirse que para esta altura el patrón de precipitación sea diferente.
Una discretización de la precipitación para intervalos horarios más pequeños permitiría
encontrar con más precisión en qué horas del día la precipitación tiende a ser mayor.
Espacialmente se encontró que en las tormentas analizadas la precipitación comienza en las
partes altas del cañón del río Guatapé, allí se encuentra ubicada la estación Samaria sitio en el
cual comenzó la precipitación en la mayoría de los eventos.
En general puede concluirse que los focos iniciales o puntos de máxima precipitación de las
tormentas comienzan en las estaciones ubicadas en las partes altas del cañón del río Guatapé
y en la cuenca del río Bizcocho. A medida que se prolonga la tormenta el foco comienza a
desplazarse hacia la parte baja de la cuenca cerca la embalse Playas, aunque en muchas
tormentas se observó que la precipitación tiende a ser más uniforme o el foco se mueve
erráticamente de un punto a otro.
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Tanto la distribución espacial como temporal puede explicarse localmente por los patrones de
circulación de masas de aire que se generan entre el valle y la montaña debido a la forma como
tanto el uno como el otro reciben la radiación solar durante el día, específicamente por el patrón
de circulación que se origina entre el valle del río Magdalena y los valles interandinos de sus
tributarios entre los cuales se encuentra el río Guatapé.
Al menos en un evento, abril 29 y 30 de 1999, se comprobó que un complejo convectivo de
mesoescala originó las precipitaciones registradas en las horas de la noche del 29 de abril y la
madrugada del 30 de abril.
Se comprueba que existen condiciones locales como la orografía, orientación de los valles y la
vegetación y condiciones meteorológicas que cubren mayor área que explican la generación de
tormentas en la cuenca del río Guatapé.
Se comprobó también que en los eventos analizados, que dieron origen a crecientes máximas
en la cuenca del río Guatapé, existen patrones temporales y espaciales de la precipitación,
estos ayudarán a mejorar el pronóstico de caudales en el mismo río.
Se anota que estos patrones se encontraron para eventos máximos de caudales, para caudales
menores estos patrones pueden ser diferentes.
La metodología empleada en este estudio puede replicarse en otras cuencas de interés no solo
para Empresas Públicas sino también para otras empresas o entidades que se encarguen del
manejo el recurso hídrico.
Finalmente se anota que la cantidad de precipitación registrada temporal y espacialmente,
depende de la densidad de la red de estaciones y de la ubicación de las mismas, ya que
posiblemente en otros puntos de la cuenca puedan registrarse mayores cantidades de
precipitación horariamente.
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8. BIBLIOGRAFÍA
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tropicales de Colombia, región centro, trabajo dirigido de grado, Ingeniería Civil, Facultad
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International editions.
Empresas Públicas de Medellín, Revista Vol.5 N° 3. Julio septiembre 1983 ISSN 0120 – 1239
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Marín Cortés, G.E. 2005: Análisis sinóptico y de mesoescala de los eventos
hidrometeorológicos extremos que afectan las cuencas de los ríos Nare y Guatapé los
cuales alimentan a los embalses de El Peñol y Playas, respectivamente, en el oriente de
Antioquia, Colombia, trabajo dirigido de grado, Maestría en ciencias de la atmósfera,
Escuela de Física, Universidad de Costa Rica.
Mesa, O.J., G. Poveda y L.F. Carvajal, 1977: Introducción al clima de Colombia. Universidad
Nacional de Colombia, sede Medellín, Facultad de Minas, Postgrado en aprovechamiento
de recursos hidráulicos
www.jmarcano.com/planeta/meteo.html