¿Qué Umbral de Acumulación de Flujo Debo Usar?

basperheim

Una versión anterior de este blog hace referencia a USGS WaterWatch como la fuente de datos de escorrentía para la herramienta de geoprocesamiento Create Runoff Raster. La herramienta y el blog han sido actualizados para usar un conjunto de datos global de escorrentía de mayor resolución de TerraClimate.<\/EM><\/FONT><\/P>Antecedentes<\/FONT><\/H2>La delimitación y análisis de redes de arroyos dentro de un entorno de Sistema de Información Geográfica (GIS) es una tarea fundamental en el análisis hidrológico y del terreno. Estas redes sirven como un marco espacial para modelar el flujo de agua, los límites de cuencas y los procesos hidrológicos superficiales. Aunque crear redes de arroyos puede ser computacionalmente intensivo y metodológicamente complejo, los beneficios que proporcionan al análisis espacial y modelado ambiental son sustanciales.<\/P>En flujos de trabajo típicos de GIS, las redes de arroyos se derivan de Modelos Digitales de Elevación(DEMs) a través de una secuencia de pasos hidrológicos: llenado de depresiones, modelado de dirección del flujo, acumulación del flujo y umbralización del arroyo. Entre estos, definir el umbral de inicio del arroyo, el área mínima contribuyente requerida para que un canal sea considerado un arroyo, es particularmente desafiante y altamente dependiente del contexto.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>Muchos usuarios preguntan por el umbral "perfecto" para su área de interés, pero no existe un valor universal que aplique a todos los paisajes. El umbral apropiado varía con los patrones regionales de precipitación, permeabilidad del suelo, cobertura vegetal, relieve topográfico y geología subyacente. Por ejemplo, en ambientes áridos o semiáridos, la escorrentía superficial es menos frecuente y tiende a concentrarse en menos canales más episódicos, lo que requiere un umbral más alto de acumulación del flujo para definir características significativas del arroyo. Por el contrario, en regiones húmedas o con bajo relieve, el flujo superficial poco profundo puede formar caminos continuos de drenaje con áreas contribuyentes relativamente bajas, requiriendo un umbral más bajo para una representación precisa.<\/P>Nuestro enfoque para la delimitación de arroyos se basa en la metodología desarrollada por el U.S. Geological Survey (USGS) para proporcionar un medio consistente y basado en criterios hidrológicos para la delimitación de redes de arroyos. Específicamente, se basa en "<\/EM>Método basado en flujo para generación de arroyos en GIS"<\/EM><\/A> por Michael E. Wieczorek (USGS, 2017), que introduce un flujo de trabajo basado en GIS para generar redes de arroyos basadas en valores estimados de flujo, en lugar de solo umbrales arbitrarios basados en acumulación del área. Este método aprovecha datos públicos disponibles sobre escorrentía junto con DEMs para producir redes que corresponden a un umbral definido de flujo; como se indicó anteriormente, no existe un umbral "perfecto", pero por defecto la herramienta usa un umbral de flujo de 1 pie cúbico por segundo. Al anclar la delimitación en criterios hidrológicos, esta técnica mejora la consistencia e interpretabilidad a través de paisajes y proporciona una alternativa científicamente robusta a enfoques más subjetivos basados en acumulación del área. <\/P> <\/P>

Nuevas herramientas ArcHydro<\/FONT><\/H2>Para incorporar más factores físicos y climáticos en la delimitación del arroyo, Arc Hydro<\/A> el complemento gratuito para ArcGIS Pro, ahora incluye dos herramientas de geoprocesamiento:<\/P>

1. Create Runoff Raster<\/STRONG><\/LI>Create Streams with Flow Threshold<\/STRONG><\/LI><\/OL> <\/SPAN><\/P><\/span><\/P> <\/P>Juntas, estas herramientas implementan el método basado en flujo del USGS. En lugar de definir arroyos por un número fijo de celdas aguas arriba, este enfoque usa datos reales sobre escorrentía y estimaciones del caudal para determinar dónde inician los arroyos.<\/P>El flujo comienza calculando datos anuales sobre escorrentía y convirtiéndolos en un ráster con la misma resolución que el DEM. Luego se crea una cuadrícula de flujo usando el DEM y el ráster de escorrentía mediante una función de acumulación del flujo, usando el ráster como peso. Esto resulta en una cuadrícula donde cada celda representa el volumen total de agua que fluye hacia ella en un año.<\/P>Estos valores anuales se convierten a tasas tradicionales como pies cúbicos por segundo (cfs) o metros cúbicos por segundo (cms) mediante álgebra cartográfica. Los analistas pueden entonces aplicar un umbral hidrológico absoluto (por ejemplo, 1cfs) para definir dónde comienzan los arroyos, en lugar de depender solo del conteo relativo de celdas. Los umbrales pueden basarse en flujos medios, medianos, estacionales o basados en eventos, permitiendo un enfoque flexible pero estandarizado a través de regiones diversas.<\/P> <\/P>

Create Runoff Raster<\/FONT><\/H3>Esta herramienta descarga valores de escorrentía para un área definida y un año seleccionado, y los convierte en un ráster con la misma extensión, tamaño celular y proyección que el DEM ingresado. Los datos provienen de TerraClimate<\/A>, un conjunto mensual climático y balance hídrico climático para superficies terrestres globales desde 1950 hasta hoy. Estos datos proporcionan insumos importantes para estudios ecológicos e hidrológicos a escala global que requieren alta resolución espacial y datos variables en el tiempo. Todos los datos tienen resolución temporal mensual y una resolución espacial ~4 km (1\24 grado) actualizada anualmente. <\/SPAN><\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>

Create Streams with Flow Threshold<\/FONT><\/H3>Esta herramienta produce un ráster binario del arroyo calculando dirección del flujo y acumulación desde el DEM, ponderando esos resultados con el ráster de escorrentía para generar valores pixel que representan flujo (volumen por tiempo). El parámetro Flow Threshold define la escorrentía mínima requerida para que una celda califique como arroyo. El valor predeterminado es 1cfs, como recomienda USGS, pero puede ajustarse para obtener redes más densas o dispersas.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>Caso práctico<\/FONT><\/H2>A continuación se muestra un ejemplo simplificado para generar una red basada en escorrentía. El único requisito previo es un DEM. (Si necesita uno, use la herramienta DescargarDEM<\/STRONG> Arc Hydro)<\/p> <\/p><\/span>
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Paso 1
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#008080
>
Crear ráster de escorrentía<\/
<h3>
Ejecútese
Create Runoff Raster<\/
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<\/
<SpaN>
con su DEM como
Entrada<\/
<EM>

dem raster y seleccione el año deseado.<\/
p>
 <\/
p>





 





 

Paso 2 Crear Streams with Flow Threshold

Ejecútese Create Streams with Umbral de Flujo, usando:<\/P>Entrada<\/EM>DEM<\/EM>Raster: el mismo DEM que en el Paso1<\/LI>Entrada<\/EM>Runoff<\/EM>Raster: el raster de runoff del Paso1<\/LI>Umbral deFlujo: dejar en 1cfs o modificar según sea necesario<\/LI><\/UL> <\/P><\/span><\/P> <\/P>El raster de salida del flujo (Str.tif en este caso) puede parecer sutil a escalas pequeñas; al acercar se revela la red de flujo derivada.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>Paso 3<\/FONT> 6<\/SPAN>Convertir a Vector (Opcional)<\/FONT><\/H3>Opcionalmente ejecute Stream to Feature para convertir la red raster a entidades vectoriales.<\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P><\/span><\/P> <\/P>En solo tres pasos de geoprocesamiento, los datos locales de runoff se incorporaron a los datos del terreno para derivar una red de flujo.<\/P> <\/P>¿Por qué dos herramientas separadas?<\/FONT><\/H3>Para maximizar la flexibilidad, el flujo de trabajo para derivar la red de flujo se dividió intencionalmente en dos herramientas de geoprocesamiento. Esto permite a los analistas usar sus propios datos de runoff, especialmente aquellos que trabajan con conjuntos de datos de mayor resolución. Aunque estos usuarios pueden omitir la herramienta Create Runoff Raster, aún pueden aprovechar completamente Create Streams with Flow Threshold para generar redes de flujo. Al desacoplar las herramientas, el flujo de trabajo soporta un rango más amplio de datos hidrológicos más allá de TerraClimate.<\/P> <\/P>Conclusión<\/FONT><\/H2>Definir un umbral de acumulación de flujo para la delimitación de redes de flujo ha sido durante mucho tiempo un desafío para los profesionales GIS hidrológicos. Los umbrales tradicionales arbitrarios basados en conteo de celdas a menudo fallan en paisajes con clima, terreno e hidrología variables. Al aprovechar Create Runoff Raster y Create Streams with Flow Threshold, los analistas ahora cuentan con un método objetivo y basado en datos para la iniciación del flujo, anclado en mediciones reales de runoff y flujo.<\/P>Este enfoque basado en el flujo mejora la consistencia, transparencia y reproducibilidad de las redes derivadas, ya sea que trabaje en cuencas alpinas empinadas o llanuras aluviales de bajo relieve. A medida que evoluciona el modelado hidrológico, integrar datos del mundo real en flujos GIS será esencial. Estas herramientas ArcHydro ayudan a cerrar esa brecha, permitiendo redes de flujo que representan con mayor precisión los procesos del paisaje. Animamos a profesionales GIS, investigadores y gestores de recursos a explorar esta metodología y compartir comentarios para refinar y ampliar su utilidad.<\/P> <\/P>Notas adicionales<\/FONT><\/H2>Requisitos del software: Ambas herramientas usan funciones de las extensiones ArcGIS Spatial Analyst y ArcGIS Image Analyst; asegúrese de tener licencias válidas.<\/P>