luis alejandro cruz ruiz - uniandes

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DINÁMICA DE EVENTOS DE PRECIPITACIÓN LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERIA CIVIL BOGOTÁ D.C 2008

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DINÁMICA DE EVENTOS DE PRECIPITACIÓN

LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERIA CIVIL

BOGOTÁ D.C

2008

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DINÁMICA DE EVENTOS DE PRECIPITACIÓN

LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ

Trabajo de grado para optar por al título de

Ingeniero Civil

Director:

MARIO DIAZ-GRANADOS ORTIZ

Ingeniero Civil

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERIA CIVIL

BOGOTÁ D.C

2008

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Tabla de contenido

1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 6

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................... ..................................... 8

3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ................... ...................................... 9

3.1. Antecedentes......................................................................................... 9

3.2. Justificación ......................................................................................... 10

4. OBJETIVOS ............................................................................................... 11

4.1. Objetivo general ............................. ..................................................... 11

4.2. Objetivos específicos ........................ ................................................... 11

5. MARCO CONCEPTUAL ............................... ............................................. 12

5.1. Precipitación ........................................................................................ 12

5.1.1 Tipos de precipitación ...................... ............................................. 16

5.2. Distribución de precipitación zonal .......... ............................................ 19

5.3. Intensidad de la precipitación ............... ............................................... 20

5.4. Medición de las precipitaciones .............. ............................................. 21

5.4.1 Método aritmético ........................... .............................................. 22

5.4.2 Método de los Polígonos de Thiessen. ........ ................................. 23

5.4.3 Método de Isoyetas .......................... ............................................. 24

5.5. Método de interpolación espacio – temporal ... .................................... 25

5.5.1 Espacio 2-D y Tiempo 1-D .................... ........................................ 28

6. Información meteorológica ...................... ................................................... 30

6.1. Análisis estadístico de la información ....... ........................................... 31

7. Análisis de resultados ......................... ....................................................... 41

8. Conclusiones y Recomendaciones ................. ........................................... 46

Bibliografía ........................................................................................................ 47

ANEXOS ........................................................................................................... 48

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Lista de Figuras

Figura 1 Ciclo hidrológico Fuente: (Viessman & Lewi s, 1996) .......................... 12 Figura 2 Distribución de la precipitación a través del ciclo hidrológico Fuente: (Viessman & Lewis, 1996) .................. ................................................. 14 Figura 3 Formación de la precipitación Fuente: (Cho w et al., 1994) ................ 15 Figura 4 Precipitación ciclónica frentes frío y cál ido ......................................... 17 Figura 5 Ilustración de precipitación convectiva .. ............................................. 18 Figura 6 Precipitación Orográfica (barreras para la lluvia) ................................ 19 Figura 7 Tipo de aparatos medidores de lluvia ..... ............................................ 22 Figura 8 Ilustración de los polígonos de Thiessen Fuente: www.geologia.uson.mx/.../PRECIPITACION.htm ................................ 24 Figura 9 Ilustración de los polígonos de Thiessen Fuente: www.geologia.uson.mx/.../PRECIPITACION.htm ................................ 25 Figura 10 interpolación lineal espacial para elemen tos triangulares ................ 28 Figura 11 Área de estudio y estaciones meteorológic as .................................. 31 Figura 12 Número de días registrados con lluvia en las diversas estaciones meteorológicas ................................................................................................. 37 Figura 13 Función de autocorrelación estación Agron omía (A) - El Sena (B) .. 38 Figura 14 Función de autocorrelación estación Albán (A) – Santiago Gutiérrez (B) ..................................................................................................................... 39 Figura 15 Función de autocorrelación estación El pe ñol (A) – Manuel M. Mallarino (B) ..................................................................................................... 39 Figura 16 Mapas de días con lluvia e Índice hídrico para Colombia, Fuente: IDEAM .............................................................................................................. 40 Figura 17 Interpolación de los eventos máximos de p recipitación .................... 42 Figura 18 Interpolación espacio temporal evento de tormenta 15 de abril del año 1990 (17-21horas) ............................. ........................................................ 43 Figura 19 Interpolación espacio temporal evento pun tual de tormenta 27 de abril del año 1990 (1 am) ......................... ......................................................... 44

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Lista de Tablas

Tabla 1 Zonas de precipitación y cinturones zonales ...................................... 20 Tabla 2 Estaciones meteorológicas utilizadas ...... ............................................ 30 Tabla 3 Correlación lineal de las 33 estaciones met eorológicas ...................... 33 Tabla 4 (continuación) Correlación lineal de las 33 estaciones meteorológicas ......................................................................................................................... 34 Tabla 5 Valores estadísticos de las series analizad as ..................................... 35 Tabla 6 Eventos máximos registrados en las 33 estac iones meteorológicas ... 41

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1. INTRODUCCIÓN

El ciclo hidrológico está gobernado por procesos na turales que ocurren de

manera continua. Su componente principal es el agua que circula en sus

diversos estados a través de la esfera terrestre. A l circular por un mecanismo

cíclico es difícil determinar dónde comienza su mov imiento en el planeta, pero

sin embargo es posible convenir que su circulación comienza con la

evaporación desde la superficie de los hidrosistema s existentes en la geósfera.

Consecuentemente, se infiere que el siguiente fenóm eno físico que ocurra es

la precipitación, proceso que activa los flujos de masa, energía e información

entre el clima, el suelo y la biocenosis. De esta m anera la gestión que se haga

sobre el recurso hídrico, con fines de optimizar la interacción hombre

naturaleza, debe partir del conocimiento de las can tidades cuantificadas de

agua, presente en este eslabón del ciclo del hidrol ógico.

La cuantificación de la lluvia se lleva a cabo medi ante una estación

meteorológica, dotada de instrumentos apropiados co mo pluviómetros (PM) o

pluviógrafos (PG). En Colombia la entidad encargada de operar estas

estaciones, que en conjunto forman la Red Básica Na cional de Estaciones

Meteorológicas, es el Instituto de Hidrología Meteo rología y Estudios

Ambientales (IDEAM); una de las redes que conforman esta gran red nacional,

es la pluviométrica, red de mayor cubrimiento a niv el nacional, conformada por

1.315 estaciones activas, donde se hace la medición de la precipitación con

registros continuos en 141 pluviógrafos o por lectu ra una vez al día en 1.174

pluviómetros1 . No obstante, los avances tecnológicos ofrecen equ ipos más

sofisticados, como el radar meteorológico que brind a un mejor cubrimiento y

estimación espacio-temporal de este fenómeno.

La entidad ha aunado esfuerzos por mantener estas e staciones en

funcionamiento en pro de aumentar su capacidad oper ativa y con el ánimo de

servir a la comunidad científica, entidades guberna mentales y privadas

encargadas de gestionar el recurso hídrico, con inf ormación precisa y confiable

1 http://www.ideam.gov.co/atlas/mclima.htm

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de los diversos procesos medibles del ciclo hidroló gico, en aras de mejorar los

diferentes modelos implementados para tal fin.

La implementación de técnicas geoestadisticas que u tilizan variables tanto

espaciales como temporales en fenómenos que se habí an considerado de

variación netamente espacial, sugieren una mayor ap roximación a la realidad

de los eventos, permitiendo atacar los problemas de forma más precisa y eficaz

y así lograr óptimas soluciones .

En la actualidad los deslizamientos y las constante s inundaciones han cobrado

gran cantidad de pérdidas no solo humanas sino mate riales, lo cual hace

pertinente la implementación de dichas herramientas en la simulación de la

precipitación con el fin de tener una mejor informa ción de la distribución de la

lluvia en la geografía propia de estudio.

El desarrollo de esta investigación se basa en el m étodo de interpolación

espacio temporal propuesto por (Lixin & Revesz, 200 4); inicialmente se

describen los diversos metodos de interpolación esp acial de la precipitación

ultilizados comunmente en las ciencias hidrológicas y luego se plantea la

metodología propuesta por estos autores.

Se contó con información de 33 estaciones meteoroló gicas emplazadas en los

departamentos de Quindío, Risaralda, Caldas (Eje ca fetero), Antioquía,

Cundinamarca, Tolima y Valle del Cauca. El análisis espacio-temporal de las

precipitaciones se realizó con información horaria para el periodo de abril y

mayo del año 2000, considerado como época lluviosa en todo el país.

Finalmente se presentan las conclusiones y recomend aciones.

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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La interpretación de datos provenientes de estacion es pluviográficas y el

mapeo de los mismos mediante el uso de isoyetas o p olígonos de Thiessen

(Serrano, 1997) es un punto de suma importancia en el estudio hidrológico de

una cuenca. Dependiendo de los resultados obtenidos se puede llegar a

mejores soluciones en temas como diseño de estructu ras hidráulicas (puentes

canales, diques de contención, vertederos, etc.), e studios de amenaza de

inundación y deslizamientos, principalmente estudios de balances hídricos para

determinar la cantidad de agua en una cuenca hidrog ráfica.

El desarrollo de isoyetas como método de análisis d e precipitación ha sido

enfocado a través del tiempo en las variables netam ente espaciales, sin contar

con los efectos producidos por las variables tempor ales. Es por esto que el

desarrollo de modelos con base en métodos geoestadí sticos permite un

análisis más aproximado del fenómeno, permitiendo h acer un mapeo que

considere las dos variables.

En Colombia en el año de 1995 fue creado el Institu to de Hidrología,

Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), el cu al ha sido el encargado de

llevar a cabo los estudios, investigaciones y análi sis de los fenómenos

naturales necesarios para hacer un mejor uso y mane jo de los recursos

biofísicos del país; sin embargo los estudios reali zados por dicha institución se

han llevado a cabo mediante el uso de técnicas de i nterpolación espacial, lo

cual tiene ciertas implicaciones en las decisiones o en las políticas que define

el estado en la utilización de esta información, as í como en la práctica del

diseño hidrológico e hidráulico.

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3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN

3.1. Antecedentes

Durante las últimas décadas se ha venido implementa ndo el uso de modelos

de distribución espaciotemporal en los diferentes c ampos de la ingeniería,

meteorología y ciencias ambientales, con el fin de poder realizar un análisis

más detallado y característico de los diferentes fe nómenos naturales.

El desarrollo de estos métodos geoestadísticos prov enientes de procesos

dinámicos que relacionan las dos variables ( espaci o-tiempo), se ha utilizado

desde los años ochenta, presentando avances en dife rentes campos de la

ciencia como en la "determinación de tendencias de deposición de polución en

la atmósfera" (Eynon y Switzer, 1983; Bilonick, 198 5; Rouhani y otros, 1992;

Oehlert, 1993; Vyas and Christakos, 1997); más adel ante se realizaron

estudios en el " modelamiento de evolución temporal en diseños de contenidos

de humedad del suelo" (Goovaerts y Sonnet, 1993; Pa pritz y Fluhler, 1994;

Heuvelink, Musters, y Pebesma, 1997); "caracterizac ión de la variabilidad

espacio-tiempo de los parámetros geofísicos de la t ierra" (Haslett y Raftery,

1989, Seguret y Huchon, 1990; Handcock y Wallis, 19 94; Bogaert y Christakos,

1997).2

En el caso de la hidrología se han hecho estudios d e simulaciones estocásticas

espacio-temporales en la construcción de mapas de p recipitación diaria 3 y

adelantos a nivel computacional con la creación de herramientas para la

implementación de dichos procedimientos, Krig3dst (García, 2006); sin

embargo el desarrollo de estas herramientas no ha s ido profundizado del todo,

pues se siguen utilizando los métodos convencionale s de interpolación

(espaciales) en la elaboración de estudios hidrológ icos.

2 Fuente: Mathematical Geology, Vol. 31, No. 6, 1999

3 Journal of Hydrology 297 (2004) 236–255

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3.2. Justificación

El estudio y el análisis de datos de precipitación horaria es un tema de gran

importancia para el entendimiento de las tormentas, ya que esto no solo

permitiría tener un mejor conocimiento en temas de prevención y contención de

desastres, sino que una buena sistematización de es te fenómeno conseguiría

un mayor entendimiento climático en la región de es tudio y un óptimo manejo

de la cuenca.

El método de isoyetas, el cual relaciona los distin tos puntos espaciales que

presentan una misma altura de precipitación en una hoya, a pesar de ser el

método más efectivo para la medición de precipitaci ón, presenta falencias al no

relacionar los datos de un periodo determinado con los resultados de periodos

anteriores. De allí la necesidad de implementar un método que pueda hacer

una relación espacio-temporal de los datos y así ob tener mejores resultados

para la región en cuestión.

La implementación de este método podrá diferenciar de una forma más clara

los cambios de precipitación no solo a lo largo y a ncho del terreno, sino

también a través de los últimos periodos de tiempo, demostrando así los

verdaderos cambios de precipitación en la cuenca y de esta forma poder llegar

a soluciones más precisas en los campos de diseño d e estructuras hidráulicas

y análisis de amenazas de deslizamiento e inundació n en diversas zonas.

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4. OBJETIVOS

4.1. Objetivo general

Implementar un modelo de distribución espacio-tempo ral de precipitación total

horaria mediante el uso herramientas geo-estadistic as de correlación espacio-

temporal.

4.2. Objetivos específicos

Los siguientes son los objetivos que se seguirán pa ra dar cumplimiento al

objetivo general de la investigación.

1. Aplicar la metodología espacio-temporales a los datos obtenidos, con el

fin de obtener imágenes espacio temporal de precipi tación.

2. Observar la dinámica y distribución de las torme ntas en el área a

estudiar.

3. Observar la variación de la precipitación en los periodos de tormenta

para una misma área de estudio.

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5. MARCO CONCEPTUAL

En el presente capítulo se describen los conceptos básicos que darán cabida a

la metodología propuesta.

5.1. Precipitación

Es preciso describir en este aparte el ciclo hidrológico, como un proceso

continuo por el cual el agua es transportada desde los océanos a la atmósfera,

de la atmósfera a la tierra y de la tierra al mar. Éste está subdividido en tres

subciclos: el de agua atmosférica, donde se encuent ran los procesos de

precipitación, evaporación, intercepción y transpiración; el de agua superficial,

que contiene los proceso de flujo superficial, esco rrentía superficial y

escorrentía hacia ríos y océanos; y el de agua subs uperficial o subterránea, del

cual hace parte los flujos por la zona insaturada y saturada (ver Figura 1).

Figura 1 Ciclo hidrológico Fuente: (Viessman & Lewis, 1996)

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Su entrada principal es la precipitación, que se da por la condensación del

vapor de agua atmosférico. Ésta al caer en cualquie ra de sus formas (lluvia,

llovizna, granizo o nieve) puede ser interceptada p or vegetación, objetos, o

eventualmente puede retornar a la atmósfera inmedia tamente por evaporación;

si esto no sucede, una vez la precipitación llega a la tierra puede acumularse

en depresiones (agua almacenada superficialmente) y ser evaporada

rápidamente; o fluir a través de la superficie (esc orrentía) hasta llegar a

canales, lagos, o al océano de donde también es eva porada. No obstante,

también puede penetrar (infiltración) y ser parte d el agua disponible en el suelo

(humedad del suelo), o percolar hasta el agua subte rránea (acuíferos) y

alimentar posteriormente cuerpos de agua superficia les o al océano.

En la zona subsuperficial puede ser directamente ev aporada si el nivel freático

es alto y está dentro de los límites de transporte capilar a la superficie; o desde

la vegetación (evapotranspiración) en la zona radic ular u hojas (Chow,

Maindment, & Mays, 1994; Ward & Robinson, 2000)

De esta manera el ciclo hidrológico y sus interacci ones en conjunto permiten

analizar y cuantificar la ocurrencia, distribución, calidad y movimiento del agua

en un área de interés, la cual determina la migraci ón de nutrientes a través de

la red hídrica de cualquier cuenca.

En el caso de las cuencas la precipitación es la fu ente principal de entrada,

siendo ésta la forma de suministro natural de agua. De allí que de la frecuencia

y la intensidad de la precipitación dependan los di ferentes organismos de los

ecosistemas, y por ende sea necesario su estudio y conocimiento, para de esta

forma poder llevar a cabo un buen uso del agua y pr eveer posibles desastres

naturales.

La precipitación incluye distintos procesos mediant e los cuales el agua cae a la

superficie terrestre, tales como la lluvia, la niev e, y el granizo. Éste es uno de

los factores más importantes que controla los proce sos hidrológicos en una

región, siendo la principal entrada de agua a la su perficie terrestre (ver Figura

2), por lo que el conocimiento de sus patrones a ni vel espacial y temporal es

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determinante para entender otros aspectos como la h umedad del suelo, la

recarga de acuíferos y los flujos de ríos y canales en general

Gran parte de la precipitación se

océanos, ya que las que suben procedentes del conti nente son muy secas.

Ésta se produce cuando el aire se enfría lo suficie nte hasta saturarse y además

se presentan núcleos de condensación para que las m olécula

puedan unir formando gotas de lluvia o cristales de hielo.

Figura 2 Distribución de la precipitación a través del ciclo hidrológico

Fuente

Sin embargo éstos solo precipitan hasta alcanzar el tamaño neces ario para

vencer la resistencia del aire (aproximadamente ent re 500 a 4000 µm, o 1 mm

de diámetro), a la cual se llega gracias a un proce so de coalescencia en el que

las pequeñas gotas incrementan gradualmente su tama ño mediante el contacto

de unas con otras por colisión. U

grandes arrastran las más pequeñas repitiendo el proceso de coalescencia

hasta evitar ser evaporadas (

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determinante para entender otros aspectos como la h umedad del suelo, la

recarga de acuíferos y los flujos de ríos y canales en general.

Gran parte de la precipitación se deriva de las masas de aire originadas en los

océanos, ya que las que suben procedentes del conti nente son muy secas.

Ésta se produce cuando el aire se enfría lo suficie nte hasta saturarse y además

se presentan núcleos de condensación para que las m oléculas de agua se

puedan unir formando gotas de lluvia o cristales de hielo.

Distribución de la precipitación a través del ciclo hidrológico

Fuente: (Viessman & Lewis, 1996)

stos solo precipitan hasta alcanzar el tamaño neces ario para

vencer la resistencia del aire (aproximadamente ent re 500 a 4000 µm, o 1 mm

de diámetro), a la cual se llega gracias a un proce so de coalescencia en el que

las pequeñas gotas incrementan gradualmente su tama ño mediante el contacto

de unas con otras por colisión. U na vez empiezan a caer por gravedad, las más

más pequeñas repitiendo el proceso de coalescencia

hasta evitar ser evaporadas (ver Figura 3).

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determinante para entender otros aspectos como la h umedad del suelo, la

deriva de las masas de aire originadas en los

océanos, ya que las que suben procedentes del conti nente son muy secas.

Ésta se produce cuando el aire se enfría lo suficie nte hasta saturarse y además

s de agua se

stos solo precipitan hasta alcanzar el tamaño neces ario para

vencer la resistencia del aire (aproximadamente ent re 500 a 4000 µm, o 1 mm

de diámetro), a la cual se llega gracias a un proce so de coalescencia en el que

las pequeñas gotas incrementan gradualmente su tama ño mediante el contacto

na vez empiezan a caer por gravedad, las más

más pequeñas repitiendo el proceso de coalescencia

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Figura 3 Formación de la precipitación Fuente: (Cho w et al., 1994)

De acuerdo al transporte vertical de masas de aire y a las condiciones que

generan su movimiento, se pueden dar tres tipos de precipitación: ciclónica,

asociada con el movimiento de masas de aire desde r egiones con altas

presiones a regiones con bajas presiones; convectiv a típica en el trópico y

producto del calentamiento del aire en su interface con la superficie terrestre,

con movimientos fuertes de aire a nivel local; y or ográfica que resulta del

ascenso de aire húmedo a través de barreras como ca denas montañosas o

islas en océanos (Chow et al., 1994; Viessman & Lew is, 1996; Ward &

Robinson, 2000).

Una vez la precipitación cae a la superficie su ran go y distribución por

escorrentía a través de la cuenca hidrográfica pued e variar gracias a la

combinación de factores climáticos y fisiográficos. Entre los climáticos se

incluyen la forma, tipo, cantidad y distribución te mporal de la precipitación,

además de los tipos de cobertura vegetal presentes en la zona, que determinan

el estado de la humedad del suelo y las característ icas de la

evapotranspiración. Por su parte entre los factores fisiográficos que más se

destacan se encuentran las propiedades geométricas de la cuenca, las

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características del uso de la tierra, el tipo de su elo, la estructura geológica y las

características de drenaje de los canales (geometrí a, pendiente, rugosidad y

capacidad de almacenamiento) (Viessman & Lewis, 199 6).

La precipitación varía geográfica y temporalmente e n relación al patrón general

de circulación atmosférica y a agentes locales. Med iciones de precipitación

puntual pueden mostrar grandes variaciones en disti ntas escalas de tiempo:

hora a hora, semana a semana e inclusive año a año. Las variaciones

temporales pueden ser clasificadas en tres grupos: estocásticas, producto de la

aleatoriedad natural en la ocurrencia de la precipi tación; periódicas o cíclicas,

resultado de variaciones regulares en las que lluvi as mínimas y máximas son

recurrentes después de intervalos de tiempo aproxim adamente iguales; y

seculares o de largo plazo, relacionadas en muchos casos a cambios

climáticos fuertes y extendidos, o con procesos ast ronómicos (Chow et al.,

1994; Viessman & Lewis, 1996; Ward & Robinson, 2000 ).

En área de distribución, la precipitación puede var iar inclusive de una estación

de recolección de datos a otra, ya que la oscilació n en la circulación

atmosférica cambia la cantidad de humedad que entra . Aspectos de la cuenca

como su tamaño, variación de altitud y topografía; y aspectos climáticos como

la forma y tipo de la precipitación, vientos y en g eneral los patrones

característicos de los eventos de lluvia regional y local, son determinantes en la

variación espacial de la precipitación (Chow et al. ,1994; Viessman & Lewis,

1996; Ward & Robinson, 2000).

5.1.1 Tipos de precipitación

La precipitación es un fenómeno que varía notableme nte tanto en el espacio

como en el tiempo. La intensidad y la frecuencia co n que se presentan las

lluvias varían sobremanera en lugares costeros con relación al interior del

continente, ya que los primeros se ven afectados po r la humedad proveniente

del océano, la cual genera mayores precipitaciones en estos lugares; por otra

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parte la diferencia de relieve también genera cambi os, siendo mucho más

lluviosos los lugares montañosos que las llanuras.

De esta manera, la precipitación se clasifica según la forma en la cual se

realice el enfriamiento y levantamiento de las capa s de aire, en los siguientes

tipos:

Ciclónicas : Este tipo de precipitación hace referencia a masa s de aire que

presentan diferencias tanto térmicas como de humeda d, generando así, lluvias

intensas y muy prolongadas.

A su vez estas precipitaciones se pueden subdividir en frontal (frente frio y

frente cálido, ver Figura 4) y no frontal.

Frontal: esta precipitación se puede presentar por una dep resión

barométrica que lleva a un ascenso debido a la conv ergencia de masas de aire

que buscan llenar la zona de baja presión.

En la precipitación frontal de frente frío el aire caliente es desplazado

drásticamente hacia arriba por el aire frío, genera ndo una nubosidad vertical

que se acompaña de lluvias muy intensas que pueden generar tormentas y en

ocasiones granizo.

En los frentes cálidos el aire caliente asciende s uavemente por una cuña de

aire frío de poca pendiente, creando lluvias mucho más suaves y prolongadas

que en los de frente frío.

Figura 4 Precipitación ciclónica frentes frío y cál ido

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Convectivas : Estas son las provenientes del calentamiento de l as masas de

aire cercanas al suelo, las cuales en el proceso de asencion bajan su

temperatura hasta el punto de condensar su humedad y de esta forma se

precipitan. Este tipo de lluvia es propia del veran o y se caracteriza por ser de

muy poca duración, pero de gran intensidad.

Figura 5 Ilustración de precipitación convectiva

Orográficas : Estas son típicas de costas y océanos (ver Figura 6). Hacen

relación a las masas de aire con una alta humedad, las cuales al encontrar

barreras naturales (cadenas montañosas) ascienden y finalmente adquieren la

temperatura que produce la precipitación.

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Figura 6 Precipitación Orográfica (barreras para la lluvia)

5.2. Distribución de precipitación zonal

Para el desarrollo de mapas de precipitación es nec esario hacer una amplia

recopilación de datos de contenido de humedad y vel ocidad vertical de la masa

de aire, siendo éstos los factores más importantes en la formación de la

precipitación, para de esta forma poder destacar la s zonas en que existen

corrientes ascendentes y las de corrientes descende ntes en el área de estudio.

En la totalidad del globo terrestre se puede observ ar cómo estas corrientes se

compensan mutuamente. A lo largo de la superficie t errestre se pueden

diferenciar claramente ocho zonas que pueden agrupa rse en los cinturones

zonales, ver Tabla 1. En estas se puede observar qu e la mayor intensidad de

precipitación se desarrolla en el ecuador y descien de al subir de latitud,

contando con cambios debidos por factores orográfic os y efectos locales.

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Tabla 1 Zonas de precipitación y cinturones zonales 4

5.3. Intensidad de la precipitación

La intensidad de precipitación es una medida que pe rmite ver la profundidad de

la columna de agua que cae durante un aguacero. Est os datos son registrados

por pluviógrafos o pluviómetros, los cuales brindan los datos en milímetros

manejando escalas de tiempo desde 5 minutos hasta 2 4 horas, en el caso del

último.

A lo largo del tiempo se han encontrado casos en lo s cuales la intensidad de la

lluvia supera los 1100 mm/día, debido a lluvias mon sonicas o ciclones

tropicales; así mismo en el África se han registrad o lluvias promedio hasta de

0.5 mm/día.

4 Tomada de http://www.igeograf.unam.mx/instituto/publicaciones/libros/hidrogeografia/cp2.pdf

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En el estudio de las precipitaciones se ha observad o como en las zonas

costeras durante la época de verano el efecto conve ctivo genera las lluvias

más intensas durante las horas de la noche, caso co ntrario al que ocurre en las

zonas de interior, donde las precipitaciones más fr ecuentes se llevan a cabo en

las horas de mayor temperatura, tendiendo a ser las horas del medio día.

Al estudiar la precipitación en una zona determinad a durante periodos mayores

a doce meses se puede deducir que las mayores inten sidades de lluvia se

llevan a cabo durante tiempos muy cortos y que a me dida que la lluvia se

prolonga la intensidad de la misma disminuye notori amente.

5.4. Medición de las precipitaciones

La toma de datos de precipitación es sin duda el pa so más importante en el

proceso de estudio de una cuenca hidrográfica, ya q ue dependiendo de la

cantidad de puntos de recolecta y la eficiente lect ura de los operarios, se podrá

llevar a cabo un análisis más detallado y aproximad o.

La recolección de los datos se lleva a cabo en esta ciones dispuestas a través

de toda la cuenca de estudio ya sean pluviómetros y /o pluviógrafos que

permiten la lectura de la precipitación en periodos de tiempo determinados o en

tiempo real telemétricas (ver Figura 7).

La medición de la precipitación con respecto al tie mpo brinda la intensidad de

las precipitaciones en una zona. De esta forma la t oma de una solo medida en

un día afecta de gran manera el estudio de la inten sidad, ya que no es lo

mismo tener una columna de agua en un día que en un a hora.

Para la lectura de los datos, el pluviógrafos crea unos mapas pluviográficos que

brindan la información en diferentes periodos de ti empo; sin embargo en la

actualidad se encuentran diferentes tipos de lector es electrónicos con mayores

y mejores especificaciones.

Page 22: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

22

Pluviómetro

Pluviógrafos

Pluviotelemétrica

Figura 7 Tipo de aparatos medidores de lluvia

Para el desarrollo de obras ingenieriles es necesar io manejar datos de la

precipitación media en una zona (cuenca); sin embar go los métodos de

medición, anteriormente explicados, solo permiten l a lectura de lluvia en

lugares puntuales, los cuales difieren de los resul tados en los sitios aledaños.

Debido a estas falencias en la recopilación de los datos, se hace necesario el

uso de herramientas estadísticas y geométricas, par a poder brindar una media

aproximada de los datos, y desarrollar proyectos co n base en datos acertados.

Entre los métodos más utilizados se encuentran el d e la media aritmética, los

Polígonos de Thiessen y los mapas de isoyetas.

5.4.1 Método aritmético

Este es un método bastante efectivo en hoyas que pr esenten un distribución

relativamente uniforme de las estaciones y donde la diferencia tanto topográfica

como en las lecturas no sea pronunciada.

Éste es tal vez el más sencillo de todos, ya que le da el mismo peso a todas las

estaciones promediando la precipitación de la sigui ente forma:

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ICIV 200810 09

23

n

PPm

i∑=

Donde:

Pmj= Precipitación media (mm).

Pij= Precipitación de la estación i (mm).

n = Número de estaciones.

5.4.2 Método de los Polígonos de Thiessen.

Este método es más preciso para hoyas en las cuales la distribución de las

estaciones no es del todo homogénea, ya que le da u n peso a cada una de las

medidas tomadas, dependiendo del área de influencia de dicho aparato (ver

figura 8).

Estas áreas de influencia se hallan mediante la ubi cación de las estaciones en

el mapa de la hoya y la unión de las mismas con lín eas rectas, luego trazando

mediatrices que forman los polígonos de áreas.

El problema de este método es que no contempla infl uencias orográficas, lo

cual lo limita en terrenos con altos gradientes top ográficos.

=

==

=n

ii

n

ji

iji

j

S

PS

Pm

1

11

*

Pmj= Precipitación media del área (mm).

Si= Área deinfluencia de la estación i (Km 2).

Pij= Precipitación de la estación i, (mm)

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ICIV 200810 09

24

Figura 8 Ilustración de los polígonos de Thiessen

Fuente: www.geologia.uson.mx/.../PRECIPITACION.htm

5.4.3 Método de Isoyetas

Es el método más preciso de todos. Consiste en el t razo de curvas de igual

precipitación (similar a las curvas de nivel), las cuales se extienden sobre todo

el terreno de estudio. Este método es fundamental p ara cualquier estudio

hidrológico y es importante que en la realización d el mismo se tengan en

cuenta los efectos orográficos, ya que de estos dep enden en gran parte los

resultados.

Page 25: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

25

Figura 9 Ilustración de los polígonos de Thiessen

Fuente: www.geologia.uson.mx/.../PRECIPITACION.htm

5.5. Método de interpolación espacio – temporal

Las aplicaciones de Sistemas de Información Geográf ica (GIS) a menudo

requieren interpolación espacio-temporal de los datos de entrada. La

interpolación espacio-temporal requiere la estimación de los valores

desconocidos de pares no muestreados de localización-tiempo con un nivel

satisfactorio de ocurrencia. Por ejemplo, si se sup one que se conocen los

registros de temperatura en las diferentes estacion es meteorológicas en las

diferentes instancias de tiempo. Después la interpo lación espacio-temporal

estimaría la temperatura no muestreada localización -tiempo.

La interpolación espacial ha sido usada frecuenteme nte en GIS. Existen

muchos algoritmos de interpolación espacial para co njuntos de datos (2-D o 3-

D) espaciales. Shepard (1968) analiza en detalle la ponderación de la distancia

inversa, Deutsch and Journel (1998) kriging, Goodma n and O´Rourke (1997)

las ranuras, Zurflueh (1967) las superficies de ten dencia, and Harbaugh and

Preston (1968) las series de Fourier. Lam (1983) da una revisión y

comparación de métodos de interpolación espacial.

Page 26: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

26

La mayoría de los investigadores de GIS asumen que la interpolación espacio-

temporal es reducible a una secuencia de interpolac iones espaciales. Esta

reducción es conveniente solo si se muestra en el m ismo lugar al mismo

tiempo. Por ejemplo, que cada estación meteorológic a tenga los registros de

todos los lunes al medio día; luego se podría hacer una interpolación espacial

por cada instante de tiempo, para los datos en las estaciones que se tienen

.

• Funciones 2-D para formas triangulares.

Mallas triangulares

Cuando se trata de dominios geométricos complejos, es conveniente dividir el

total de dominio entre un número finito de sub-domi nios simples que pueden

tener figuras triangulares o de cuadrilátero en el caso de problemas en 2-D. La

generación de la malla usando dominios triangulares o cuadrangulares es

importante en la discretización de elementos finito s dentro de problemas

ingenieriles. Para la generación de mallas triangul ares han sido desarrollados

algoritmos con bastante éxito. Un método popular pa ra la generación de mallas

triangulares es “Delaunay Triangulation” (Goodman and O´Rourke, 1997;

Preparata and Shamos, 1985; Shewchuk, 1996).

Aproximación lineal en espacio 2-D

Una función de aproximación lineal para un área tri angular puede ser escrita en

términos de tres funciones de forma N1, N2, N3, y c on valores de esquinas w1,

w2 y w3. En la Figura 10, dos elementos finitos tri angulares, I y II, se combinan

para cubrir todo el dominio considerado.

En este ejemplo, la función en todo el dominio es i nterpolado usando cuatro

valores discretos w1, w2, w3 y w4 en cuatro lugares . Una característica

particular de los métodos de aproximación elegidos, es que la función de los

valores dentro del sub-dominio I puede ser obtenido usando solo tres valores

Page 27: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

27

esquineros w1, w2 y w3, mientras que todos los valo res de función para el sub-

dominio II pueden ser construidas usando la los val ores esquineros w2, w3 y

w4. La función de interpolación lineal para el sub- dominio del elemento I puede

ser escrita como:

(1)

Donde N1, N2 y N3 son las siguientes funciones:

(2)

El área A en el elemento II en la ecuación (2) pude ser calculada usando la

coordenadas de cada esquina (x i,yi) (i=1,2,3) en el determinante de una matriz

3x3.

(3)

Cabe señalar que por cada sub-dominio, una función de aproximación local

similar a la usada en la expresión (1). Cada funció n de aproximación local se ve

limitada al sub-dominio triangular local. Por ejemp lo, la función w de la

ecuación (1) es válida solo en el sub-dominio I.

Page 28: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

28

Figura 10 interpolación lineal espacial para elemen tos triangulares

Para el sub-dominio II, la aproximación local toma una forma similar a la

expresión (1), solo se tiene que remplazar los valo res de las esquinas w1, w2,

w3 por los nuevos valores w2, w3, w4.

5.5.1 Espacio 2-D y Tiempo 1-D

Reducción de enfoque: método del producto ST

Este enfoque se obtiene multiplicando dos funciones de interpolación espacio y

tiempo, por lo cual de denomina a este método ST (S pace Time) método del

producto. Este enfoque para problemas espaciales (2 -D) y temporales (1-D)

puede ser descrito en dos pasos: interpolación espa cial en 2-D para funciones

de forma triangulares y aproximación en espacio y t iempo. Aunque existen una

forma de función similar basada en los métodos de p roducto ST tales como la

función de distribución de temperatura en el tiempo -dependiendo del calor en

problemas de conducción (Huebner, 1975), en este do cumento se discute un

método de producto ST que combina la forma de la fu nción en el espacio 2-D

con la forma de la función en el tiempo 1-D.

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ICIV 200810 09

29

Aproximación en el espacio y el tiempo

Dado el enfoque de reducción, se modela el tiempo i ndependientemente, la

aproximación en el espacio y tiempo puede ser imple mentada por la

combinación de la función de tiempo con la función de aproximación del

espacio (1).

Asumiendo el valor en el nodo i en el momento t1 es wi1, y en el tiempo t2 el

valor es wi2. El valor en el nodo i en cualquier ti empo entre t1 y t2 puede ser

aproximado usando una función de tiempo de la sigui ente forma:

(4)

Usando el ejemplo mostrado en la Figura 10 y utiliz ando las formulas (1) y (4),

la función de aproximación para cualquier punto en el elemento i en cualquier

momento entre t1 y t2 puede ser expresada como (Lix in & Revesz, 2004):

(5)

Dado que las funciones espaciales (N1, N2 y N3) y l as funciones de tiempo (4)

son lineales, la función de aproximación espacio-te mporal es cuadrática.

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ICIV 200810 09

30

6. Información meteorológica

El análisis espacio temporal de las precipitaciones se realizó con información

horaria de 33 estaciones meteorológicas (ver Tabla 2), emplazadas en los

departamentos de Quindío, Risaralda, Caldas, Antioq uía, Cundinamarca,

Tolima y Valle del Cauca (ver Figura 11).

Tabla 2 Estaciones meteorológicas utilizadas

ID Nombre Este Norte Código Depto Municipio Tipo

1 Misiones 975687.44 996423.31 2120607 Cundinamarca El colegio CO

2 Agronomía 844480.00 1050035.75 2615505 Caldas Manizales CO

3 Albán 763056.88 1018903.25 5403503 Valle El cairo CP

4 Santiago Gutiérrez 768586.81 1013353.44 5403004 Valle Argelia PG

5 Julio Fernández 729439.88 913867.19 5311503 Valle Restrepo CO

6 El Rosario 818871.00 1147822.13 2620502 Antioquia Venecia CO

7 Miguel Valencia 803970.63 1103610.25 2619501 Antioquia Jardín CO

8 Luker 822310.50 1053774.25 2615514 Caldas Palestina CO

9 Rafael Escobar 826112.63 1096173.38 2617507 Caldas Supia CO

10 Santagueda 824157.38 1053769.63 2615509 Caldas Palestina CP

11 Cenicafe 833373.75 1042685.25 2615502 Caldas Chinchina CP

12 El Cedral 838870.88 1020548.88 2613507 Risaralda Pereira CO

13 El Jazmín 827810.88 1035323.81 2613506 Risaralda Santa Rosa CO

14 El Naranjal 820430.00 1040872.81 2613505 Caldas Chinchiná CP

15 Santa Ana 827828.13 1042698.06 2613016 Caldas Palestina PG

16 Arturo Gómez 836960.19 991055.19 2612510 Valle Alcalá CO

17 El Sena 824016.25 992925.31 2612509 Quindío Armenia ME

18 Paraguayacito 816581.50 976347.69 2612508 Quindío Buena Vista CO

19 La Bella 824012.25 991082.31 2612507 Quindío Calarcá CO

20 Bremen 829597.19 1007663.69 2612010 Quindío Circasia PG

21 Manuel M. Mallarino 748060.31 952549.63 2608511 Valle Trujillo CO

22 El Peñol 874306.44 1180868.38 2308517 Antioquia Peñol CP

23 Bizcocho 885387.81 1188220.25 2308506 Antioquia San Rafael CO

24 Inmarco 931495.06 1188147.13 2308008 Antioquia Caracolí PG

25 Llanadas 881475.06 1068400.13 2302501 Caldas Manzanares CO

Page 31: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

31

26 El Limón 842352.25 902553.13 2206505 Tolima Chaparral ME

27 La Trinidad 890662.94 1035204.50 2125513 Tolima Libano CO

28 Santa Inés 942349.06 926402.44 2120608 Cundinamarca Cachipay CO

29 La Montaña 908990.19 884036.88 2115502 Tolima Dolores ME

30 Mande 748977.19 1203409.38 1107008 Antioquia Urrao PG

31 Santa Bárbara 780306.44 1199590.50 1107009 Antioquia Urrao PG

32 El Sireno 761860.75 1197819.88 1107010 Antioquia Urrao PG

33 Montelibano 968332.75 1095954.13 2306513 Cundinamarca Yacopi CO

Figura 11 Área de estudio y estaciones meteorológic as

6.1. Análisis estadístico de la información

Las correlaciones lineales de las 33 estaciones est udiadas se presentan en

la Tabla 3. Se resaltan las correlaciones que super aron o igualaron el valor de

, destacando las correlaciones existentes entre las siguientes

estaciones: Agronomía (2615505) con El Sena (261250 9), Paraguayacito

Page 32: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

32

(2612508), Manuel M. Mallarino (2608511) y La Tri nidad (2125513) y otras

espacialmente cercanas; que circunscriben un radio de influencia de

aproximadamente 63 kilómetros. La mayor correlación fue obtenida

entre Albán (5403503) y Santiago Gutiérrez (5403004 ).

Las demás correlaciones alcanzadas no fueron satisf actorias, inclusive por

debajo de cero (0), evidenciando de esta manera la influencia de los factores

locales de este fenómeno (lluvia convectiva). Un cl aro ejemplo es la estación

Misiones (2120607) que está ubicada en la cordiller a oriental y sus

correlaciones con las demás series fueron casi cero e incluso negativas. Una

hipótesis es la influencia del relieve y la distrib ución espacial de las demás

estaciones en el análisis. En la Tabla 5 se present an la estadística básica de

las series analizadas en cuanto a: valores medios, máximos, mínimos,

desviación estándar, entre otras.

Page 33: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV

200

810

09

33

Tab

la 3

Cor

rela

ción

line

al d

e la

s 33

est

acio

nes

met

eoro

lógi

cas

2120

607

2615

505

5403

503

5403

004

5311

503

2620

502

2619

501

2615

514

2617

507

2615

509

2615

502

2613

507

2613

506

2613

505

2613

016

2612

510

2120

607

1.00

00

2615

505

0.07

281.

0000

5403

503

-0.0

043

0.09

321.

0000

5403

004

-0.0

060

0.10

940.

4737

1.00

00

5311

503

-0.0

156

-0.0

122

0.06

240.

1862

1.00

00

2620

502

-0.0

125

0.07

61-0

.001

00.

0309

0.00

551.

0000

2619

501

0.04

660.

0682

0.06

190.

0177

0.00

580.

1821

1.00

00

2615

514

-0.0

012

0.03

030.

0156

0.03

750.

0020

0.09

470.

0896

1.00

0026

1750

70.

0568

0.07

980.

0873

0.04

920.

0151

0.10

690.

1849

0.08

411.

0000

2615

509

0.00

710.

0308

0.03

790.

0037

0.04

01-0

.018

20.

0447

0.35

710.

0676

1.00

00

2615

502

0.06

190.

0714

0.02

300.

0673

0.00

720.

1459

0.15

190.

2551

0.13

640.

1987

1.00

0026

1350

7-0

.003

40.

0683

0.01

960.

0921

0.00

350.

0374

0.04

48-0

.011

80.

0240

-0.0

130

0.00

981.

0000

2613

506

0.06

760.

1926

0.08

940.

1789

0.02

010.

0845

0.09

150.

0457

0.15

080.

0303

0.20

610.

1406

1.00

00

2613

505

0.00

160.

0524

0.03

160.

0362

0.03

660.

1064

0.29

850.

2081

0.10

280.

1969

0.27

06-0

.007

80.

2233

1.00

0026

1301

6-0

.013

4-0

.007

3-0

.019

5-0

.021

20.

0099

0.04

080.

0410

-0.0

041

0.05

68-0

.002

10.

0590

0.01

500.

0451

0.13

011.

0000

2612

510

0.13

370.

0650

0.10

460.

1498

-0.0

129

0.08

910.

0435

0.10

310.

0362

-0.0

088

0.08

970.

0456

0.10

410.

0735

-0.0

253

1.00

0026

1250

90.

0172

0.29

600.

0568

0.04

950.

0023

0.00

89-0

.006

00.

0369

0.10

36-0

.014

80.

0438

0.08

730.

0821

0.04

76-0

.007

70.

1133

2612

508

0.00

380.

2452

0.05

740.

0145

-0.0

018

0.02

310.

0630

0.03

700.

0807

0.10

000.

0390

0.02

260.

0392

0.02

21-0

.014

70.

1369

2612

507

0.01

990.

0725

0.00

69-0

.004

10.

0076

0.15

910.

0666

0.02

530.

0983

0.02

670.

0363

0.09

590.

0451

0.06

870.

1496

0.03

4426

1201

0-0

.013

00.

1020

0.01

430.

0118

0.04

510.

0391

-0.0

067

0.02

110.

0234

-0.0

053

0.00

100.

1151

0.02

450.

0021

0.00

120.

0509

2608

511

0.10

010.

2774

0.01

180.

0241

-0.0

002

0.02

89-0

.003

30.

0044

0.00

86-0

.010

90.

0006

0.04

250.

0492

0.01

80-0

.016

30.

0124

2308

517

-0.0

180

-0.0

265

-0.0

107

-0.0

294

-0.0

063

0.01

46-0

.000

50.

0407

-0.0

151

0.09

32-0

.010

9-0

.030

8-0

.024

20.

0649

0.05

20-0

.021

923

0850

6-0

.004

10.

0047

-0.0

215

-0.0

085

-0.0

056

0.02

400.

0230

-0.0

011

0.01

720.

1085

-0.0

042

-0.0

235

-0.0

018

-0.0

055

0.02

98-0

.025

3

2308

008

-0.0

166

-0.0

154

-0.0

140

-0.0

162

-0.0

097

-0.0

081

-0.0

198

-0.0

133

-0.0

103

-0.0

282

-0.0

234

-0.0

179

-0.0

246

-0.0

307

-0.0

122

-0.0

109

2302

501

0.06

140.

0891

0.00

24-0

.013

0-0

.007

40.

0659

0.01

35-0

.003

9-0

.002

9-0

.008

40.

0084

-0.0

175

-0.0

013

-0.0

036

-0.0

022

-0.0

139

2206

505

-0.0

167

0.00

00-0

.008

7-0

.000

6-0

.000

50.

0396

0.00

16-0

.003

50.

0609

0.00

210.

0206

-0.0

146

0.00

49-0

.003

40.

0214

-0.0

184

2125

513

0.02

490.

2194

0.16

310.

0869

-0.0

163

0.00

420.

0555

-0.0

041

0.03

11-0

.004

50.

0207

-0.0

085

0.07

970.

0135

-0.0

139

0.04

4921

2060

80.

1297

-0.0

132

0.04

760.

0134

-0.0

050

-0.0

123

-0.0

183

-0.0

177

-0.0

067

-0.0

161

-0.0

143

0.00

11-0

.007

3-0

.013

4-0

.015

5-0

.009

4

2115

502

0.01

450.

0369

-0.0

121

-0.0

218

0.14

940.

0061

0.02

35-0

.004

60.

0417

-0.0

076

0.02

940.

0099

0.09

300.

0120

-0.0

154

0.01

76

1107

008

0.02

060.

0183

-0.0

030

0.02

55-0

.006

8-0

.016

8-0

.021

50.

0112

0.03

800.

0479

-0.0

106

0.03

540.

0458

-0.0

199

-0.0

198

-0.0

032

1107

009

-0.0

025

-0.0

186

-0.0

168

-0.0

079

0.00

22-0

.020

7-0

.021

7-0

.020

6-0

.019

4-0

.020

6-0

.019

00.

0279

0.01

33-0

.032

00.

0012

0.01

57

1107

010

0.01

250.

0152

0.00

480.

0047

0.00

390.

0294

-0.0

043

0.01

42-0

.015

90.

0056

-0.0

104

0.02

990.

0019

-0.0

170

0.00

94-0

.010

2

2306

513

0.06

880.

0109

-0.0

005

0.00

09-0

.010

80.

0424

0.04

42-0

.029

80.

0219

-0.0

275

-0.0

123

0.05

83-0

.002

3-0

.013

9-0

.013

60.

0612

Page 34: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV

200

810

09

34

Tab

la 4

(co

ntin

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ón)

Cor

rela

ción

line

al d

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s 33

est

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nes

met

eoro

lógi

cas

2612

509

2612

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2612

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511

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608

2115

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008

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607

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505

5403

503

5403

004

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502

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501

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514

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507

2615

509

2615

502

2613

507

2613

506

2613

505

2613

016

2612

510

2612

509

1.00

00

2612

508

0.31

731.

0000

2612

507

0.21

000.

1274

1.00

00

2612

010

0.17

230.

1632

0.07

291.

0000

2608

511

0.08

850.

0279

0.15

250.

0206

1.00

00

2308

517

-0.0

057

-0.0

145

0.00

11-0

.022

2-0

.001

31.

0000

2308

506

0.00

00-0

.019

1-0

.008

8-0

.017

60.

0399

0.26

461.

0000

2308

008

-0.0

116

-0.0

047

-0.0

059

-0.0

223

-0.0

061

0.02

00-0

.020

81.

0000

2302

501

0.07

010.

0582

0.00

980.

0238

0.02

130.

0521

-0.0

028

-0.0

203

1.00

00

2206

505

-0.0

114

-0.0

111

-0.0

113

-0.0

145

-0.0

018

0.01

890.

0026

0.01

510.

0164

1.00

00

2125

513

0.20

320.

1599

0.03

870.

0556

0.17

590.

0248

-0.0

018

-0.0

198

0.31

320.

0112

1.00

00

2120

608

0.01

68-0

.004

30.

0080

0.00

22-0

.001

6-0

.007

0-0

.019

6-0

.001

00.

0365

-0.0

165

0.03

171.

0000

2115

502

-0.0

041

0.00

52-0

.012

1-0

.016

10.

0637

-0.0

195

0.00

240.

0128

-0.0

013

0.02

290.

0056

0.04

941.

0000

1107

008

0.04

400.

0400

0.00

190.

0185

-0.0

058

-0.0

106

0.01

25-0

.007

1-0

.022

7-0

.003

9-0

.006

7-0

.004

0-0

.006

71.

0000

1107

009

0.03

16-0

.020

40.

0020

0.00

350.

0064

-0.0

014

0.01

31-0

.028

7-0

.001

4-0

.013

0-0

.015

50.

0210

0.01

480.

0439

1.00

00

1107

010

0.02

22-0

.005

00.

0421

0.00

730.

0001

0.07

50-0

.015

4-0

.024

0-0

.006

20.

0004

-0.0

010

-0.0

193

0.03

140.

0770

0.13

351.

0000

2306

513

0.03

690.

0156

0.00

59-0

.009

70.

0033

0.00

320.

0501

0.02

500.

0368

0.03

670.

0479

0.05

79-0

.010

40.

0525

0.04

56-0

.009

41.

0000

Page 35: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

35

Tabla 5 Valores estadísticos de las series analizad as

Estadisticas Misiones Agronomia Alban Santiago Gutierrez Julio Fernandez El Rosario Miguel Valencia LukerMedia 0.178 0.173 0.147 0.176 0.156 0.324 0.344 0.312Error típico 0.037 0.028 0.022 0.029 0.032 0.048 0.041 0.045Mediana 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Moda 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Desviación estándar 1.357 1.040 0.814 1.048 1.184 1.753 1.492 1.666Varianza de la muestra 1.842 1.082 0.663 1.099 1.401 3.075 2.227 2.776Curtosis 273.998 158.872 154.010 213.205 279.027 89.104 120.707 103.412Coef. de asimetría 15.208 11.407 10.826 12.415 14.569 8.579 9.147 8.826Rango 28.100 17.600 15.900 23.400 28.200 26.100 27.000 29.400Mínimo 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Máximo 28.100 17.600 15.900 23.400 28.200 26.100 27.000 29.400Suma 238.800 232.900 197.200 236.200 209.300 435.900 462.900 418.800Cuenta 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000Nivel de conf(95.0%) 0.073 0.056 0.044 0.056 0.063 0.094 0.080 0.089

Estadisticas Rafael Escobar Santagueda Cenicafe El Cedral El Jazmin El Naranjal Santa Ana Arturo GomezMedia 0.185 0.271 0.350 0.357 0.374 0.510 0.477 0.302Error típico 0.028 0.043 0.061 0.056 0.051 0.070 0.081 0.046Mediana 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Moda 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Desviación estándar 1.019 1.569 2.251 2.068 1.858 2.580 2.974 1.697Varianza de la muestra 1.039 2.463 5.066 4.278 3.452 6.654 8.847 2.881Curtosis 115.763 116.044 295.649 213.633 84.351 95.852 291.906 78.146Coef. de asimetría 9.519 9.555 14.584 13.190 8.178 8.712 14.647 8.268Rango 17.200 28.000 55.500 41.400 29.400 38.400 72.300 21.500Mínimo 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Máximo 17.200 28.000 55.500 41.400 29.400 38.400 72.300 21.500Suma 248.700 364.500 470.100 480.400 502.400 685.500 641.700 405.600Cuenta 1343.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000Nivel de conf(95.0%) 0.055 0.084 0.120 0.111 0.099 0.138 0.159 0.091

Estadisticas El Sena Paraguayacito La Bella Bremen Manuel Mallarino El Peñol Bizcocho InmarcoMedia 0.272 0.258 0.212 0.343 0.132 0.408 0.574 0.339Error típico 0.054 0.052 0.038 0.056 0.031 0.049 0.073 0.053Mediana 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.020 0.000 0.000Moda 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Desviación estándar 1.983 1.906 1.380 2.049 1.140 1.807 2.676 1.938Varianza de la muestra 3.931 3.634 1.904 4.197 1.300 3.264 7.161 3.757Curtosis 216.451 232.155 135.226 113.850 350.428 241.120 80.184 112.295Coef. de asimetría 13.293 13.983 10.642 9.815 17.163 12.366 8.112 9.639Rango 41.500 37.000 23.500 29.400 26.400 42.850 37.170 31.160Mínimo 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000Máximo 41.500 37.000 23.500 29.400 26.400 42.850 37.170 31.160Suma 365.600 346.600 285.100 460.600 177.900 548.840 771.150 456.240Cuenta 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000Nivel de conf(95.0%) 0.106 0.102 0.074 0.110 0.061 0.097 0.143 0.104

Llanadas El Limon La Trinidad Sanata Ines La Montaña Mande Sta Barbara El Sireno Montelibano0.445 0.361 0.230 0.160 0.233 0.553 0.239 0.306 0.4470.074 0.065 0.042 0.029 0.044 0.071 0.033 0.043 0.0630.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.010 0.010 0.000 0.0000.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0002.700 2.387 1.554 1.064 1.626 2.607 1.193 1.581 2.3127.289 5.700 2.416 1.132 2.644 6.798 1.423 2.500 5.345

206.206 114.427 130.599 271.034 228.792 121.362 260.343 205.001 110.42312.775 10.037 10.437 14.065 13.094 9.440 13.361 12.251 9.35656.400 36.000 27.900 25.400 36.600 48.210 28.500 34.110 37.2000.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

56.400 36.000 27.900 25.400 36.600 48.210 28.500 34.110 37.200598.200 485.100 309.400 215.600 312.900 743.060 321.560 411.520 600.500

1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.000 1344.0000.144 0.128 0.083 0.057 0.087 0.140 0.064 0.085 0.124

Page 36: LUIS ALEJANDRO CRUZ RUIZ - Uniandes

ICIV 200810 09

36

De la tabla anterior se observa una alta variabilid ad en los datos registrados en

las estaciones meteorológicas en estudio, evidencia ndo una vez más la

variabilidad en la pluviosidad en la zona centro de la región Andina, formada

por las tres cordilleras (oriental, central y occid ental), mesetas, valles, altiplanos

y páramos. La diversa orografía que se presenta en el área de estudio y las

diversas subregiones y climas (cálido, templado, fr ío), ponen en manifiesto la

variabilidad espacial y temporal de las precipitaci ones en la región.

Para el periodo en estudio abril y mayo del año 199 0, considerado como época

lluviosa en todo el país, se obtuvo que los valores máximos en las diversas

estaciones oscilan entre los 15.9 mm/h estación Alb án y los 72.3 mm/h

estación Santa Ana. La desviación estándar de los v alores registrados está

siempre por encima del valor medio, lo que muestra una alta dispersión entre

los valores medios versus los máximos y mínimos de cada serie.

El valor modal fue cero (0) común denominador para todas las series. En la

Figura 12 se presentan las horas registradas con y sin lluvia para las 33

estaciones en estudio. De los 1344 registros en cad a una de las estaciones, las

que más lluvia registraron fueron: EL Peñol (949 ho ras), Bizcocho (553 horas),

Inmarco (579 horas), Mande (782) y Santa Bárbara (6 86 horas).

Por el contrario las que menos lluvia registraron d urante el periodo de medición

fueron: Julio Fernández (112 horas), Manuel M. Mall arino (104 horas) y La

Trinidad con (120 horas).

1194 1185 1178 1179 1232 1171 1106 1184

150 159 166 165 112 173 238 160

Misiones Agronomia Alban Santiago Gutierrez

Julio Fernandez

El Rosario Miguel Valencia

Luker

Sin lluvia Con lluvia

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37

1206 1200 1173 1104 1131 1124 1133 1191

138 144 171 240 213 220 211 153

Rafael Escobar Santagueda Cenicafe El Cedral El Jazmin El Naranjal Santa Ana Arturo Gomez

Sin lluvia Con lluvia

1192 1175 1205 1176 1240

395791 765

1120

152 169 139 168 104

949553 579

224

El Sena Paraguayacito La Bella Bremen Manuel Maria Mallarino

El Peñol Bizcocho Inmarco Llanadas

Sin lluvia Con lluvia

1197 1224 1211 1201

562 658972

1128

147 120 133 143

782 686372

216

El Limon La Trinidad Sanata Ines La Montaña Mande Sta Barbara El Sireno Montelibano

Sin lluvia Con lluvia

Figura 12 Número de días registrados con lluvia en las diversas estaciones meteorológicas

En continuidad con el análisis estadístico realizad o, se elaboraron las funciones

de autocorrelación para las estaciones que mejor co rrelacionaron entre sí, con

el ánimo de observar e identificar cual es la memor ia temporal del proceso de

este fenómeno, en las diversas áreas o subregiones que están descritas por

cada serie registrada, así como para la estación qu e registró el mayor y menor

número de horas con lluvia. todo esto con el fin de interpretar los resultados del

método de interpolación espacio temporal que se es tá estudiando.

Para lograr esta labor fue necesario hacer uso de l as bandas de significancia,

que representan un criterio estadístico para conoc er la memoria de un proceso

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ICIV 200810 09

38

físico, expresando los que son influenciados por un evento determinado;

está dada como:

Siendo el número de datos que representan el conjunto est adístico válido de

la serie, y el coeficiente de correlación.

En la Figura 13, se presentan las funciones de auto correlación de las

estaciones Agronomía (2615505) y El Sena (2612509) .

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20

ρ

Tao

τ=1

Coeficiente de Correlación+e

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20

ρ

Tao

τ=1

Coeficiente de Correlación+e

Figura 13 Función de autocorrelación estación Agron omía (A) - El Sena (B)

De la anterior figura se destaca la corta memoria q ue presentan los eventos de

precipitación con temporalidad corta, las funciones de autocorrelación decaen

rápidamente con tan solo un de memoria.

En la Figura 14 se presentan las funciones de autoc orrelación de las

estaciones Albán (5403503) y Santiago Gutiérrez (54 03004).

A B

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39

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20

ρ

Tao

τ=1

Coeficiente de Correlación+e

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20

ρ

Tao

τ=1

Coeficiente de Correlación+e

Figura 14 Función de autocorrelación estación Albán (A) – Santiago Gutiérrez (B)

A pesar de que estas dos estaciones presentaron la más alta correlación lineal,

sus funciones de autocorrelación también decaen ráp idamente en el tiempo,

interceptando la banda de significancia en .

En la Figura 15, se ilustran las funciones de auto correlación de las estaciones

con mayor y menor número de horas con lluvia EL Pe ñol (2308517) y Manuel

M. Mallarino (2608511).

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20

ρ

Tao

τ=2

Coeficiente de Correlación+e

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20

ρ

Tao

τ=2

Coeficiente de Correlación+e

Figura 15 Función de autocorrelación estación El pe ñol (A) – Manuel M. Mallarino (B)

A B

A B

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40

Resulta interesante que estas estaciones que regist raron menor y mayor

número de horas con lluvia presenten en sus funcion es de autocorrelación una

mayor memoria .

Figura 16 Mapas de días con lluvia e Índice hídrico para Colombia, Fuente: IDEAM

En la Figura 16, se presenta el número de días con lluvia para todo el país y el

índice hídrico. Se observa que el área de estudio c orrespondiente a la zona

centro de la región Andina presenta un índice hídri co de seco a ligeramente

húmedo y un número promedio de días con lluvia de 1 00 días.

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41

7. Análisis de resultados

En este capítulo se presentan los resultados obteni dos mediante el método de

interpolación implementado, las rutinas fueron programadas en Matlab (ver

anexo) y las gráficas se generaron en formato .jpg .

Como el volumen de información es considerable (134 4 gráficas) se tomó la

decisión de analizar los eventos máximos que se reg istraron en los dos meses

de medición para las diferentes estaciones meteorol ógicas; de esta

consideración se obtuvo lo siguiente:

Tabla 6 Eventos máximos registrados en las 33 estac iones meteorológicas

De la Tabla 6 se infiere que la ocurrencia de los e ventos máximos registrados

en las diversas estaciones meteorológicas para los meses de abril y mayo

ocurrieron de manera similar.

De forma agregada en la Figura 17 se presenta una i nterpolación lineal

realizada por el método de Spline tipo tensión, de las precipitaciones máximas

registradas para el periodo abril mayo del año 1990 , con el fin de visualizar los

focos de tormentas ocurridos en las diversas zonas geográficas en estudio.

Nº Estación Mes Día Hora Pmax(mm/h) 17 El Sena Abril 15 09:00 p.m. 41.51 Misiones Mayo 5 03:00 a.m. 28.1 18 Paraguayacito Abril 4 05:00 p.m. 372 Agronomia Mayo 2 07:00 p.m. 17.6 19 La Bella Abril 27 02:00 a.m. 23.53 Alban Abril 11 11:00 a.m. 15.9 20 Bremen Mayo 3 02:00 p.m. 29.44 Santiago Gutierrez Mayo 13 02:00 p.m. 23.4 21 Manuel Maria Mallarino Abril 27 04:00 a.m. 26.45 Julio Fernandez Mayo 24 01:00 p.m. 28.2 22 El Peñol Mayo 29 12:00 a.m. 42.856 El Rosario Abril 20 07:00 p.m. 26.1 23 Bizcocho Mayo 5 02:00 p.m. 37.177 Miguel Valencia Mayo 28 07:00 p.m. 27 24 Inmarco Mayo 12 01:00 a.m. 31.168 Luker Mayo 21 12:00 a.m. 29.4 25 Llanadas Abril 15 05:00 p.m. 56.49 Rafael Escobar Mayo 28 03:00 a.m. 17.2 26 El Limon Abril 23 01:00 a.m. 3610 Santagueda Mayo 24 03:00 a.m. 28 27 La Trinidad Abril 25 12:00 a.m. 27.911 Cenicafe Abril 11 09:00 a.m. 55.5 28 Sanata Ines Mayo 1 08:00 p.m. 25.412 El Cedral Abril 20 12:00 a.m. 41.4 29 La Montaña Abril 15 02:00 a.m. 36.613 El Jazmin Mayo 1 01:00 p.m. 29.4 30 Mande Abril 24 01:00 a.m. 48.2114 El Naranjal Abril 20 06:00 p.m. 38.4 31 Sta Barbara Abril 16 06:00 p.m. 28.515 Santa Ana Abril 27 01:00 a.m. 72.3 32 El Sireno Abril 4 03:00 a.m. 34.1116 Arturo Gomez Abril 30 11:00 p.m. 21.5 33 Montelibano Abril 22 03:00 p.m. 37.2

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Figura 17 Interpolación de los eventos máximos de p recipitación

En la gráfica se observan 3 focos o puntos de torme ntas registrados por las

estaciones 15 (Santa Ana, Caldas), 17 (El Sena, Qui ndío) y 25 (Llanadas,

oriente de Caldas); en las estaciones 17 y 25 se re gistró un evento de tormenta

para el mismo día 15 de abril de 5 a 9 de la noche. Este evento se interpoló con

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la metodología propuesta. En la Figura 18, se prese nta el comportamiento

espacio temporal de dicho evento.

Figura 18 Interpolación espacio temporal evento de tormenta 15 de abril del año 1990 (17-21horas)

Norte

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44

En la figura anterior se puede observar el desplaza miento de la tormenta desde

la región Nororiental estación Llanadas (25) y hast a la región suroccidental

estación El Sena (17). Evento atribuible a una llu via estratigráfica.

El otro evento de tormenta fue registrado en la est ación Santa Ana (15) para el

día 27 de Abril en horas de la madrugada, la partic ularidad de este evento es

que fue puntual, ya que no se registraron valores e levados o similares en

ninguna otra estación cercana, según lo presentado en esta investigación se

cataloga como una lluvia convectiva.

En la

Figura 19, se presenta la dinámica del evento en cuanto a su temporalidad ya

que como se mencionó no tuvo desplazamiento espacia l en ninguna dirección.

Norte

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45

Figura 19 Interpolación espacio temporal evento pun tual de tormenta 27 de abril del año 1990 (1 am)

Se presentan los registros de las horas anteriores al evento y las horas

siguientes al mismo para observar el foco puntual d e la tormenta a la 1 am.

Se observa en las gráficas situadas en el centro la representatividad del evento

y cómo el mismo se reduce hasta volver a ser regist rado en las estaciones del

suroriente.

En términos generales se observa la gran influencia que tienen las cordilleras

occidental y central en el comportamiento de los ev entos de tormenta en la

región que están en sus inmediaciones.

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46

8. Conclusiones y Recomendaciones

El objetivo general de la investigación se cumplió a satisfacción, se implementó

un modelo de distribución espacio-temporal de preci pitación total horaria

mediante el uso herramientas geoestadísticas de cor relación espacio-temporal.

Según la revisión bibliográfica son pocas las metod ologías implementadas en

nuestro país por las entidades gubernamentales en c uanto a la estimación

espacio temporal de los eventos de precipitación, q ue ayuden en la toma de

decisiones.

Los métodos tradicionales (Polígonos de Thiessen, I soyetas, entre otros), no

proporcionan ninguna información en cuanto al compo rtamiento temporal de

eventos de precipitación.

Se contó con 33 estaciones meteorológicas con regis tros horarios, para los

meses de abril y mayo del año 2000, emplazadas en d iversas regiones del país

específicamente en la región Andina y Pacífica.

Del análisis estadístico de la información en cuant o a las correlaciones, no

fueron satisfactorias, inclusive por debajo de cero (0) evidenciando de esta

manera la influencia de los factores locales de est e fenómeno (lluvia

convectiva).

En el análisis de la correlación espacial se buscó determinar la dependencia

entre la medición tomada o registradas en un punto particular estación

meteorológica con las estaciones cercanas.

Se recomienda orientar este tipo de investigaciones para el estudio de las

diversas variables físicas que componente el ciclo hidrológico.

Adelantar convenios interinstitucionales con el áni mo de intercambiar

información científica y técnica en pro del mejoram iento de los diversos

procesos que tengan que ver con el recurso hídrico.

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47

Bibliografía

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Lixin, L., & Revesz, P. (2004). Interpolation metho ds for spatio-temporal

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HarperCollins College Publishers.

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McGraw-Hill.

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48

ANEXOS

Codigo del programa utilizado

D1=load('Datos_abril_Mayo_Coor.txt');

XC=D1(:,1);

YC=D1(:,2);

TC=D1(:,3);

WC=D1(:,4);

NX=0;

NY=0;

[X,Y]=meshgrid(min(XC):3000:max(XC),min(YC):2500:max(YC));

H=load('Hora.txt');

for ihour=2:1:1342;

tiempo_actual=ihour;

est_t1=find(TC==tiempo_actual-1);

est_t2=find(TC==tiempo_actual+1);

est_actuales=find(TC==tiempo_actual);

DX=D1(est_actuales,1);

DY=D1(est_actuales,2);

DT=D1(est_actuales,3);

DV=D1(est_actuales,4);

DX1=D1(est_t1,1);

DY1=D1(est_t1,2);

DV1=D1(est_t1,4);

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49

DX2=D1(est_t2,1);

DY2=D1(est_t2,2);

DV2=D1(est_t2,4);

ZActual=griddata(DX,DY,DV,X,Y,'linear');

for j=1:1:99;

for i=1:1:107;

if(isnan(ZActual(j,i)));

ZActual(j,i)=0;

end;

end;

end;

Z1=griddata(DX1,DY1,DV1,X,Y,'linear');

for j=1:1:99;

for i=1:1:107;

if(isnan(Z1(j,i)));

Z1(j,i)=0;

end;

end;

end;

Z2=griddata(DX2,DY2,DV2,X,Y,'linear');

for j=1:1:99;

for i=1:1:107;

if(isnan(Z2(j,i)));

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50

Z2(j,i)=0;

end;

end;

end;

res(1:99,1:107,ihour)=(Z1(1:99,1:107)+Z2+ZActual)/3;

%title(num2str(H(ihour,:)));

%print('-djpeg','-r300',[ num2str(H(ihour,:)) '.jpg']);

end;%ihour

for g=1:1:107;

NX(g)=g*3000+min(XC);

end

for h=1:1:99;

NY(h)=h*2500+min(YC);

end

J=load('Coordenadas.txt');

for i=2:1:1342;

surf(NX,NY,res(:,:,i));

shading flat;box on;grid off;axis image;caxis(' manual');colorbar;

title(num2str(H(i,:)));

print('-djpeg','-r300',[ num2str(H(i,:)) '.jpg' ]);

end;