XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH MAPAS DE PRECIPITACIÓN UTILIZANDO 131 ESTACIONES PLUVIOMÉTRICAS EN EL ESTADO DE NUEVO LEÓN, MÉXICO Guzmán Sagreiros Raúl, Cavazos González Ricardo Alberto y Valdez Valencia Joel Iván Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Autónoma de Nuevo León. Pedro de Alba S/N, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México. C.P. 66400 [email protected], [email protected], [email protected] Introducción En la actualidad el mundo entero está presentando cambios drásticos en su estado del tiempo, hemos notado que ahora los cambios de temperatura se acentúan más, es decir, cuando hace calor podemos notar que se siente con mayor intensidad que en el pasado, igual pasa en tiempo de frío, aunque este suceso está meramente relacionado con el criterio de sensación de la población (exageraciones de unos, minimizaciones de otros), es un hecho irrefutable. Existen estudios que demuestran que la temperatura ha ido en incremento los últimos cien años tal y como se menciona en la Tercera, Cuarta y Quinta Comunicación Nacional (CICC, 2006, 2009 y 2012); no obstante, la temperatura no es la única indicadora sobre este acontecimiento. Otro indicador significativo es la precipitación pluvial, el cual podemos observar que en años recientes se han presentado tormentas de mayor magnitud a las visualizadas en años anteriores, las cuales han provocado desastres naturales de gran envergadura. Aunque existen más indicadores para determinar el cambio climático que se expresan en el mundo (p. ej. precipitación, mareas, deshielo de los polos, etc.) (Guzmán, 2014). Nuevo León, debido a su variedad de climas influenciadas directamente por sus características fisiográficas, presenta problemáticas tales como, prolongadas sequías y cortas pero intensas lluvias, en los últimos años se ha visto afectado por fenómenos meteorológicos importantes, el más significativo y que recientemente han afectado a la zona y que a su vez se atribuye al cambio climático, es el Huracán Alex (Chris & Slingo, 2011), el cual presento lluvias prolongadas de baja intensidad, 38 horas de lluvias continuas provocaron devastación en Monterrey y su área metropolitana. La Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) documentó que se descargaron entre 600 y 700 milímetros de precipitación, superando el promedio anual para la región de 600 milímetros (Gobierno del Estado de Nuevo León, 2013). Es por ello que, las tormentas de diseño son esenciales, y es el principal factor a considerar en el análisis hidráulico para el escurrimiento superficial, éstas se obtienen de estudios hidrológicos, no obstante, las metodologías empleadas son en base al criterio del especialista y/o demanda del interesado. Estos estudios son básicos para un diseño de cualquier obra hidráulica (Albornoz et al, 2012). La intensidad de lluvia como la cantidad de agua de lluvia que cae, en un punto, por unidad de tiempo, y ésta es inversamente proporcional a la duración de la tormenta. Mientras que la duración de la tormenta es el tiempo que transcurre desde que inicia la precipitación hasta que está cesa (Pereyra-Díaz, Pérez-Sesma, Gómez-Romero, 2004). El principal problema consiste en saber cuál será la duración de la lluvia pronosticada, o cuál será la máxima intensidad de la tormenta (Salas, Espinosa, Núñez, 2003). Figura 1. Mapa de isoyetas con 24 h de duración y Tr 5 años. Tomada de Salas, Espinoza & Núñez, 2003 AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH Antecedentes Metodología En México se ha estudiado la elaboración de mapas de precipitación para diferentes duraciones y períodos de retornos, principalmente, en zonas donde no se cuenta con información pluviométrica y/o pluviográfica, para realizar el análisis de la precipitación pluvial correspondiente; con el fin de que los estudios hidrológicos tengan mayor precisión y, por consiguiente, se proyecten y construyan obras hidráulicas más seguras (SCT, 2014). El procedimiento aquí expuesto se realizó de manera iterativa, es decir, en cada etapa se plantea la posibilidad de rehacer las etapas previas, con la finalidad de escrutar la información y obtener los resultados esperados. En la Figura 2 se detalla el procedimiento general llevado a cabo en esta investigación. En 1990 la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) emitió las isoyetas de intensidad para duraciones de 5, 30, 60 y 120 minutos en base a 323 estaciones pluviográficas de la república mexicana (Mendoza, 2001), de las cuales 13 son del estado de Nuevo León (Mendoza, 2001; Salas, Espinoza & Núñez, 2003). Mendoza (2001) regionalizo los factores de lluvias máximas, utilizando las estaciones pluviográficas de la república mexicana y partiendo de sus registros históricos obtuvo, las lluvias correspondientes para un período de retorno de 5 años con duraciones de 1 y 24 horas (Salas, Espinoza & Núñez, 2003). En base esto, el Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED) ha elaborado mapas de isoyetas a escala nacional (Figura 1) (Salas, Espinoza & Núñez, 2003). En el 2005, la SCT emitió la actualización de las isoyetas de precipitación máxima anual, en base a 1053 estaciones pluviométricas, de las cuales se utilizaron 27 estaciones de Nuevo León (Domínguez et al, 2012). En el 2012 Domínguez et al (2012), con el fin de actualizar los mapas de isoyetas de la SCT utilizó un total de 2293 estaciones de la república mexicana, aumentando considerablemente la cantidad de estaciones para las entidades federativas, Nuevo León no fue la excepción, para la cual utilizó 55 estaciones. En la Tabla 1 muestra la comparación de estaciones utilizadas para la elaboración de mapas de precipitación del estado de Nuevo León. Tabla 1. Estaciones utilizadas en diferentes estudios. No. de estaciones utilizadas en: Promedio Entidad años de SCT SCT Domínguez Federativa Actual (1990) (2005) et al (2012) registro Nuevo 13 27 55 131 44.90 León Justificación y Objetivo Actualmente, en Nuevo León no se cuenta con suficientes estaciones pluviográficas y pluviométricas capaces de interpretar espacialmente el estado, tanto por falta de información como de estaciones mismas, esto con el fin de estimar las intensidades de lluvias, es por ello, que es necesario utilizar métodos generales para evaluar dichas intensidades, y obtener los gastos de diseño; ya que estos son indispensables para el dimensionamiento hidráulico y/o toma de decisiones para proyectar y construir cualquier obra hidráulica requerida (Rentería, 2012). Aunando a lo anterior, es importante disponer de una herramienta eficaz para la elaboración de estudios hidrológicos más precisos y, por consiguiente, obras más seguras. Figura 2. Procedimiento para la obtención de mapas de precipitación. Modificada de Guzmán, 2014. Selección de datos La OMM define las normales climatológicas estándar como “medidas de datos climatológicos calculadas a para períodos consecutivos de 30 años, a saber: desde el 1° de enero de 1901 hasta 31 de diciembre de 1930, desde el 1° de enero de 1931 hasta el 31 de diciembre de 1960, etc.” (OMM, 2011). El período de normales estándar mundiales más reciente es de 1961-1990, y el próximo período está comprendido el 1° de enero de 1991 al 31 de diciembre de 2020. Actualización La actualización de los datos climatológicos se realizó mediante la comparación de las bases de datos del CLICOM y CLICOM-INECC (formato RClimdex), más la información obtenida por la CONAGUA, actualizada al 2011–2012. XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 Control de calidad y homogeneidad de datos Para la evaluación del control de calidad y homogeneidad de las bases de datos se utilizó el software “R”. Este incluye un lenguaje de programación y un ambiente de desarrollo para el uso de la estadística y creación de gráficas. R funciona en múltiples sistemas operativos como MS Windows, Linux y Macintosh. Cálculo de datos faltantes La sustitución de datos faltantes puede poner seriamente en tela de juicio su utilidad para ciertos fines y, dado que podrían no conocerse las aplicaciones futuras en el momento de obtener o procesar los datos, la operación debería efectuarse con gran precaución y discreción (OMM, 2008). “La elección del procedimiento para el manejo de datos incompletos resulta una tarea compleja, pues un mismo método en determinadas situaciones produce estimaciones precisas y en otras, no. Esto sugiere a los investigadores que, cuando manejen datos incompletos, valoren previamente el uso de más de una alternativa para tratarlos y realicen un análisis de sensibilidad que les permita una mejor elección del procedimiento a implementar” (Cañizares, Barroso & Alfonso, 2004). Existen diversas metodologías para la estimación de datos faltantes. Sin embargo, para esta investigación el método seleccionado es el Método del U.S. National Weather Service. Este procedimiento ha sido verificado tanto teórica como empíricamente y considera que el dato faltante en una cierta estación A, puede ser estimado en base a los datos observados en las estaciones circundantes. Este método consiste en ponderar los valores observados en una cantidad W, igual al recíproco del cuadrado de la distancia (D) entre cada estación vecina y la estación en estudio (Campos, 1998). La precipitación buscada Px será igual a: ∑( ) ∑ (1) donde, Px es la precipitación buscada para la fecha faltante, en milímetros, Pi es la precipitación observada para la fecha de la faltante, en las estaciones auxiliares vecinas (pueden ser como mínimo 2), en milímetros y Wi = 1/Di2, siendo Di la distancia entre cada estación vecina y la estación incompleta, kilómetros. Pruebas de bondad de ajuste La mejor manera de efectuar una primera evaluación de la idoneidad de una distribución de probabilidad ajustada, consiste en construir una gráfica de probabilidad de las observaciones (OMM, 2009). En hidrología se dispone de varias pruebas estadísticas rigurosas y útiles para determinar si es o no razonable concluir que un conjunto de observaciones dado ha sido obtenido de una familia de distribuciones en particular. El propósito de estas pruebas es deducir si existen diferencias estadísticamente significativas entre la distribución observada y la AMH distribución esperada. En otras palabras, tiene por objeto determinar si los datos se ajustan a una determinada distribución. Las pruebas utilizadas para esta investigación fueron X2 (Chi-cuadrada), Kolmogorov-Smirnov, y la Prueba de correlación gráfica de probabilidad. Distribuciones de probabilidad Estas son utilizadas para diversos estudios hidrológicos, particularmente en estudios de caudales altos y bajos extremos, crecidas, volúmenes de embalse, cantidades de precipitación de lluvia y modelos de series temporales. Para ello, se llevó a cabo el análisis de frecuencias de las estaciones climatológicas a estudiar para determinar la función de distribución (Normal, Log-Normal, Exponencial, Gamma, Pearson III o Gamma 3, Logaritmo Pearson III, Valores Extremos) más representativa de la serie de datos. Cociente lluvia-duración (R) Debido a la escasez de registros de lluvia de corta duración, ha surgido la necesidad de utilizar las relaciones promedio entre lluvias encontradas en otros países. En cambio los observaciones de lluvias máximas diarias tienen gran densidad y longitudes de registro aceptables, por lo cual, la lluvia con una duración de una hora y un período de retorno de dos años (o cualquier otro), se podrá evaluar con una relación a la de 24 horas con igual período de retorno, denominada cociente R (Campos, 1990). Campos y Gómez de Luna obtuvieron 33 valores de cociente R para la república mexicana en su artículo publicado en 1990, entre los cuales se ubicaba el municipio de Monterrey (Nuevo León), con un valor de 0.3882. No obstante, en el XVI Congreso Nacional de Hidráulica, Araiza y Campos evaluaron nuevamente los valores de los cocientes R, pero esta vez para 341 sitios de la república mexicana entre ellos nuevamente Monterrey (Nuevo León), con un valor de 0.3890. En este último artículo propone calcular dichos valores en base a las precipitaciones en una hora para un período de retorno de 10, 25 y 50 años, calculando el promedio de estas, y así determinando el valor del cociente R para una estación determinada. Por otra parte, recientemente en el 2008 y 2010 fueron publicados dos artículos más de Campos, en los cuales propone utilizar la información de isoyetas de intensidad de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) para estimar los cocientes lluvia-duración. Por tanto, para esta investigación se utilizó el método propuesto por Campos (2010). Curvas I-D-TR En este apartado obtuvimos las curvas IntensidadDuración-Período de retorno (I-D-Tr) a partir de registros pluviométricos de acuerdo al procedimiento propuesto por Campos (1990). XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L AMH DE H I D R Á U LI C A AMH PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 Mapas de precipitación “El avance de la tecnología y los sistemas de información geográfica han dado paso en la hidráulica a la rama de la Hidroinformática, la cual permite realizar modelos de simulación hidráulica de mayor calidad y detalle. Para alimentar a estos modelos es importante que datos de las lluvias e intensidades se encuentren en un SIG, por lo tanto resulta de gran importancia presentar información hidrológica de las tormentas de diseño en un Sistema de Información Geográfica” (Albornoz et al, 2012). Para la elaboración de los mapas de precipitación se utilizó el software ArcGis 10.1®. Se eligieron duraciones de 5, 10, 20, 30, 45, 60, 90 y 1440 minutos; y períodos de retorno de 5, 10, 20, 50 y 100 años, así como la precipitación media anual por estación y del estado. registro de años sólo implica la diferencia del año puesta en operación a la fecha. Este rango de serie de datos no quiere decir que cuenta con toda la información entre estos años. Resultados Nuevo León cuenta con 172 estaciones pluviométricas distribuidas heterogéneamente por la región para la medición de la precipitación, temperaturas, evaporación, entre otras variables climatológicas. Sin embargo, no todas estas estaciones cuentan con la información requerida para la obtención de los mapas de precipitación. La Organización Meteorológica Mundial (OMM) establece que, para análisis de datos climatológicos se deben analizar períodos de 30 años (denominadas Normales Climatológicas); de acuerdo a esto, se optó por usar las estaciones con mayor cantidad de registro del estado. Aunando a lo anterior, se eligieron 131 estaciones pluviométricas del estado que contienen la mayor longitud de datos disponibles, las cuales representan el 76.2 % de la estaciones del estado, mientras que el 23.8 % fueron descartadas debido que no cumplían con los períodos de las normales climatológicas. La excepción a la regla, el 4.1 % de estas estaciones se consideraron debido a que contaban con un período mayor a 25 años de registro. La Tabla 2 presenta un resumen de los datos climatológicos analizados para esta investigación, la cual presenta las estaciones significativas de su área metropolitana. Cabe mencionar que el período de Figura 3. Precipitación Media Anual en Nuevo León. Elaboración propia. Tabla 2. Resumen de estaciones utilizadas. ID Nombre Municipio R Altura Latitud Longitud 19002 19004 19008 19018 19026 19031 19038 19049 19054 19056 19058 19061 19096 19123 19140 19165 19173 19174 Agua blanca Apodaca Cadereyta El pajonal Icamole La cruz Las comitas Monterrey (Observatorio) Rinconada San juan Santa Catarina Topo chico La huasteca Grutas de García Tepehuaje Chupaderos del indio Palmitos (DGE) San Bartolo Santa Catarina Apodaca Cadereyta Jiménez Santa Catarina García Santa Catarina Santa Catarina Monterrey García Cadereyta Jiménez Santa Catarina Monterrey Santa Catarina García Cadereyta Jiménez García Cadereyta Jiménez Cadereyta Jiménez 0.5258 0.4404 0.3883 0.242 0.4348 0.5239 0.3312 0.3896 0.4284 0.395 0.4044 0.3926 0.4313 0.4017 0.3952 0.4035 0.2935 0.3363 2290 430 330 1520 640 1700 920 495 1000 260 700 550 720 860 250 900 330 370 25°32'39'' 25°47'37'' 25°35'47'' 25°29'49'' 25°56'41'' 25°27'46'' 25°30'20'' 25°40'44'' 25°40'36'' 25°32'26'' 25°39'29'' 25°43'55'' 25°38'29'' 25°51'1'' 25°30'23'' 25°48'48'' 25°25''' 25°32''' 100°31'23'' 100°11'50'' 99°58'51'' 100°23'56'' 100°41'27'' 100°26'48'' 100°21'48'' 100°16'38'' 100°43'25'' 99°50'44'' 100°26'24'' 100°14'10'' 100°17'38'' 100°31'27'' 99°46'49'' 100°47'21'' 99°59''' 100°0''' Período Registro (años) 56 52 65 58 59 74 54 88 69 65 66 59 37 33 32 31 29 31 Distribución de ajuste Actual D. Faltantes LN LN P3 P3 P3 VE1 LN LN VE1 LP3 LN LP3 LN LP3 LP3 LN LP3 LP3 LN LP3 VE1 LN LN LN LN LP3 EXP LP3 LP3 LP3 LP3 P3 GMA GMA P3 P3 AMH XXIII C ON G R E S O N A C I O N A L DE H I D R Á U LI C A PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 Figura 4. Isoyetas de Intensidad para Tr = 10 años y D = 45 min. AMH Figura 5. Isoyetas de Intensidad para Tr = 10 años y D = 10 min. Elaboración propia. La precipitación media en el estado es de gran interés para el investigador, ya que, esta nos refleja la conducta de la lluvia, así como de su comportamiento año tras año. La variación de la precipitación media en el estado asciende desde los 250 mm, hasta los 1 050 mm de altura de precipitación. La Figura 3 muestra la precipitación media anual. La Figura 4 y 5 se muestran algunos de los mapas de isoyetas elaborados en este trabajo, mediante la utilización de Sistemas de Información Geográfica (SIG). Conclusiones El propósito principal de los mapas de intensidad de lluvia reside en dar una herramienta de diseño eficaz a técnicos que participan en proyectos de obras de drenaje de carreteras, vías férreas, obras de drenaje urbano, etc. Sin embargo, esto se complica para áreas donde no se cuenta con información suficiente para el correcto análisis de los datos. La falta de esta información se debe a diferentes circunstancias, entre ellas, la más significativa, es la falta de registros pluviográficos en la zona de estudio que se requiera hacer algún diseño hidráulico, los cuales nos permiten obtener las curvas de intensidadduración-período de retorno. Debido a esta insuficiencia de estaciones pluviográficas en la región es necesario utilizar otros métodos que nos permitan estimar las lluvias de intensidad (Rentería, 2012). Debido a ello, se utilizó la metodología propuesta por Campos (1990), para obtener las curvas de intensidad-duración-período de retorno a partir de registros pluviométricos. En la actualidad contar con información actualizada en las estaciones pluviométricas es sólo el primer paso de un largo trecho para realizar diseños confiables; es importante contar con la correcta distribución espacial de esta información para poder interpretar correctamente los datos que estamos analizando y así disminuir los posibles errores generados. Es por ello que esta investigación procuró la utilización de la mayor cantidad de estaciones pluviométricas localizadas en la región, utilizando el 76.2 % de las estaciones del estado, comparado con el 31.9 % utilizado recientemente por Domínguez et al (2012). Referencias ALBORNOZ GÓNGORA, P. M., ALCOCER YAMANAKA, V. H., RODRÍGUEZ VARELA, M., LÓPEZ OROZCO, J. A. Mapas digitalizados de Precipitación. 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