GEOMORFOLOGÍA Y CONDICIONES HIDRÁULICAS DEL SISTEMA FLUVIAL DEL RIO SINÚ. INTEGRACIÓN MULTIESCALAR 1945 – 1999 – 2016. DAVID LEONARDO VALBUENA GAVIRIA Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias Humanas, Departamento de Geografía Bogotá, Colombia 2017
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GEOMORFOLOGÍA Y CONDICIONES HIDRÁULICAS DEL SISTEMA ... · La investigación sobre el sistema fluvial del Rio Sinú, se basa en la comprensión de las condiciones multiescalares
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GEOMORFOLOGÍA Y CONDICIONES HIDRÁULICAS DEL SISTEMA FLUVIAL DEL
RIO SINÚ. INTEGRACIÓN MULTIESCALAR
1945 – 1999 – 2016.
DAVID LEONARDO VALBUENA GAVIRIA
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias Humanas, Departamento de Geografía
Bogotá, Colombia
2017
GEOMORFOLOGÍA Y CONDICIONES HIDRÁULICAS DEL SISTEMA FLUVIAL DEL
RIO SINÚ. INTEGRACIÓN MULTIESCALAR
1945 – 1999 – 2016.
DAVID LEONARDO VALBUENA GAVIRIA
Tesis de investigación presentada como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Geografía
Director:
Ph.D. German Vargas
Línea de Investigación:
Modelamiento y simulación espacial, planificación de recursos hídricos, riesgos naturales
y tecnologías de la información en ciencias naturales.
Grupo de Investigación:
Geotecnologías.
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ciencias Humanas, Departamento de Geografía
Bogotá, Colombia
2017
A mis padres, mi hermano y todos aquellos
que han brindado un apoyo incondicional a mis
ausencias.
No tengo ningún talento especial. Solo soy
apasionadamente curioso.
Albert Einstein
Agradecimientos
A la Universidad Nacional de Colombia, el Departamento de Geografía por su enseñanza
y apoyo en la apertura de líneas de investigación que contribuyen al desarrollo del país y
el conocimiento.
A la Empresa URRÁ S.A. E.S.P. en especial a su gerente técnico ambiental, Rafael José
Piedrahita por su continuo aporte y disposición para el desarrollo de esta investigación,
contribuyendo con toda la información necesaria sobre el Rio Sinú registrada en los últimos
17 años.
Por el apoyo incondicional y los consejos innumerables no solo técnicos y científicos en el
desarrollo de esta investigación, por la palabra adecuada, por el estímulo constante, doy
un agradecimiento muy especial y profundo al profesor German Vargas Cuervo director y
ahora un nuevo amigo.
A mis padres, a mi hermano, mi abuela y amigos que han apoyado mis pasos, en ocasiones
lentos, en otras más agiles, para la culminación de grandes metas como el que se presenta
en esta investigación.
No es posible dejar de lado a la persona que con paciencia ha vivido y escuchado cada
instante de esta investigación. El más fuerte agradecimiento a Erika Gutiérrez la otra mitad
que permitió el avance y culminación de este trabajo.
A todos aquellos que no menciono y que han acompañado esta investigación, con una
palabra, un apretón de manos o por escuchar mis repetitivas charlas, ofrezco el mayor de
mis agradecimientos.
Resumen y Abstract IX
Resumen
La investigación sobre el sistema fluvial del Rio Sinú, se basa en la comprensión de las
condiciones multiescalares que pueden definir el sistema. De esta manera se ha realizado
el ajuste y precisión, de la geología y la geomorfología como escala regional para el
sistema fluvial. La dinámica del cauce activo, el movimiento de orillas, la sinuosidad y la
mofometria del cauce se establecen como la escala dinámica media. El modelamiento
hidráulico y sus condiciones derivadas de velocidad de flujo, profundidad y transporte de
sedimentos representan la escala de detalle.
La exploración inicial de patrones se basó en una búsqueda no supervisada con los
algoritmos K-Means y EM, indicando las primeras condiciones de respuesta del sistema
fluvial. Se definieron diez categorías de respuesta a través del área de estudio basados
en el ajuste de un árbol de decisión (algoritmo J48) como clasificación controlada. Las
primeras cuatro categorías representan la movilidad y al dinámica fluvial de la sección alta
del rio Sinú, desde el embalse hasta el sur del centro poblado de Santa Isabel, las tres
categorías del medio indican las propiedades y comportamientos de la sección de
transición de dinámica y por ultimo tres categorías que componen la menor movilidad y el
tramo más grande y estable del rio Sinú llegando a la formación de su delta.
La distribución de los depósitos y materiales en el área de estudio, presentaron formas
concluyentes en la clasificación de las respuestas del sistema fluvial, al igual que el
régimen de sedimentos a través del cauce activo y el flujo medio calculado en las
respuestas hidráulicas. La mayor densidad de centros poblados sobre la sección media y
baja del rio Sinú se correlacionan con la mayor estabilidad y rigidez de su cauce activo.
Se construyó una base datos espaciales, que contiene el sistema fluvial en forma
completa, para las condiciones evaluadas, permitiendo la consulta, manejo y
administración de la información. Su estructura se basa en una Geodatabase relacional
X Metodología de Integración de Variables Físicas con Modelo Hidráulico (HEC-RAS)
y de Inteligencia Artificial para la Modelación de la Dinámica Fluvial y sus Efectos.
Rio Sinú
en ArcGIS 10.4.1, de igual forma se desarrollaron algoritmos programados bajo Python y
el modulo ArcPY para el cálculo de la dinámica dinámica fluvial y la espacialización de los
resultados a través de las categorías de respuesta encontradas. La investigación se
soporta sobre cartografía que representa los resultados de las escalas temáticas
estudiadas en cada una de sus condiciones y los resultados obtenidos.
Palabras clave: Sistema fluvial, Dinámica Fluvial, Geomorfometria, Geomorfología,
Inteligencia artificial, Minería de Datos.
.
Contenido XI
Abstract
This research on the Sinu River system work has focused on the understanding of the
multiscale conditions that define this system. The initial exploration of patterns was based
on an unsupervised search with the K-Means and MS algorithms, indicating the first
response conditions of the fluvial system. A spatial database was constructed that contains
the fluvial system in complete form, for the evaluated conditions, it is available to consult,
management and administration of the information. The main results suggest that the
distribution of deposits and materials in the study area presented conclusive forms in the
classification of the responses of the fluvial system, as well as the sediment regime through
the active channel and the average flow calculated in the Hydraulic responses. It was found
that the density of the settlements, which is higher in the middle and low sections of the
Sinu River, correlates with the greater stability and rigidity of its active riverbed.
Key words: River system, River dynamics, Geomorphometry, Geomorphology, Artificial
Intelligence, Data Mining.
Contenido XII
Contenido
Pág.
Resumen ........................................................................................................................... IX
Lista de figuras .............................................................................................................. XV
Lista de tablas .............................................................................................................. XVII
Lista de Símbolos y abreviaturas ........................................ ¡Error! Marcador no definido.
1. Generalidades ............................................................................................................. 22 1.1 Planteamiento del problema .................................................................................... 22 1.2 Justificación ............................................................................................................. 23 1.3 Objetivo General ..................................................................................................... 24 1.4 Objetivos Específicos .............................................................................................. 25 1.5 Estado de Arte ......................................................................................................... 25 1.6 Marco Teórico ......................................................................................................... 31
Transporte de Sedimentos .............................................................................. 38 Movimiento del sedimento .............................................................................. 39
1.6.4 Inteligencia Artificial (IA) y Minería de Datos (MD) ........................................... 40 1.7 Metodología ............................................................................................................. 41
1.7.1 Metodología General ........................................................................................ 41 Características y mediciones .......................................................................... 41 Análisis ............................................................................................................ 41
1.7.2 Metodología Específica .................................................................................... 42 Plan de Monitoreo central Hidroeléctrica Urrá I .............................................. 42 Estaciones de monitoreo de carácter nacional - IDEAM ................................ 47 Curvas de Caudal – Sedimento ...................................................................... 50 Análisis de Consistencia, homogeneidad y llenado de datos faltantes........... 51 Revisión de datos ........................................................................................... 52 Construcción Geometría Fluvial ...................................................................... 54 Hidráulica Fluvial ............................................................................................. 55 Geología ......................................................................................................... 57 Morfometria ..................................................................................................... 57 Dinámica de Orillas (Cauce Activo) ................................................................ 57 Cartografía Fluvial ........................................................................................... 57
Contenido XIII
Geomorfología Fluvial ..................................................................................... 58 Exploración de patrones y categorización ...................................................... 58
1.7.3 Información base – recursos tecnológicos ........................................................ 60 Información, cartografía y estudios técnicos de referencia ............................. 60 Sensores remotos ........................................................................................... 61 Recursos tecnológicos .................................................................................... 62
1.7.4 Trabajo de campo ............................................................................................. 62
2. Área de Estudio ........................................................................................................... 64 2.1 Cuenca Media y Baja del Rio Sinú .......................................................................... 66 2.2 Condiciones Climáticas Generales .......................................................................... 70
2.2.1 Régimen de Precipitación ................................................................................. 70 2.2.2 Régimen de Temperaturas ............................................................................... 72 2.2.3 Coberturas Vegetales Predominantes .............................................................. 73
2.3 Regulación hidrológica por la central hidroeléctrica ................................................ 77 2.4 Condiciones de monitoreo sobre el cauce activo .................................................... 82
4. Geomorfología Fluvial y Resistencia a la Erosión Hídrica Fluvial ......................... 97 4.1 Unidades Geomorfológicas ................................................................................... 101
4.1.1 Formas de Origen Antrópico ........................................................................... 101 4.1.2 Formas de Origen Fluvial ................................................................................ 102 4.1.3 Formas de Origen Fluvial Lacustre ................................................................. 105 4.1.4 Formas de Origen Marino y Marino Lacustre ................................................. 110 4.1.5 Formas de Origen Denudacional Fluvial y Denudacional ............................... 112 4.1.6 Formas de Origen Diapírico y Estructural ....................................................... 114
4.2 Resistencia de los materiales a la Erosión Hídrica Fluvial .................................... 117
5. Dinámica Fluvial ........................................................................................................ 124 5.1 Sinuosidad del rio Sinú .......................................................................................... 124
5.1.1 Cambio de Sinuosidad en el periodo 1945 – 1999 ......................................... 130 5.1.2 Cambio de Sinuosidad en el periodo 1999 - 2016 .......................................... 133
5.2 Dinámica de Orillas ............................................................................................... 136 5.2.1 Cambio de Orillas en el periodo 1945 - 1999 ................................................. 143 5.2.2 Cambio de Orillas en el Periodo 1999 - 2016 ................................................. 145
5.3 Morfometria del Cauce – Variabilidad del ancho de banca ................................... 147
6.1.1 Velocidad de flujo ............................................................................................ 151 6.1.2 Profundidad de flujo ........................................................................................ 153 6.1.3 Esfuerzo Cortante ........................................................................................... 155
6.2 Condiciones Sedimentológicas ............................................................................. 158 6.2.1 Espesor de sedimento activo .......................................................................... 158 6.2.2 Concentración de sedimento .......................................................................... 159 6.2.3 Diámetro de sedimento d50 y d90 .................................................................. 162
7. Integración de Variables del Sistema Fluvial - Rio Sinú ....................................... 166 7.1 Exploración inicial de patrones en el sistema fluvial ............................................. 167
XIV Geomorfología y Condiciones Hidráulicas del Sistema Fluvial del Rio Sinú.
Integración Multiescalar 1945 – 1999 - 2016
7.2 Categoría de respuesta del sistema fluvial del Rio Sinú ....................................... 168 7.3 Integración espacial de las categorías de respuesta del sistema fluvial ............... 177 7.4 Comportamiento del sistema fluvial del rio Sinú, periodo 1945 - 1999 - 2016 ...... 180