El cauce del Río Grande de Loíza se origina en las laderas de la Cordillera Central, en terrenos del Municipio de San Lorenzo a elevaciones de hasta 2,051 pies. El río discurre hacia el norte y la zona urbana de San Lorenzo, alimentado por varias quebradas y riachuelos. En la vecindad de San Lorenzo, en la parte más elevada de la cuenca, se le une el Río Cayaguás, uno de sus principales tributarios. Desde San Lorenzo, el cauce discurre hacia el noroeste hasta la zona urbana de Caguas, donde recibe el influjo de los ríos Turabo y Cagüitas. Inmediatamente aguas abajo de la confluencia con el Río Cagüitas, el río fluye al Embalse Loíza. En la represa que forma el embalse, una serie de compuertas descargan parte del agua por el cauce del río hacia Trujillo Alto y eventualmente Carolina, Canóvanas y el Océano Atlántico. Bombas eléctricas en la represa desvían hasta 100 mgd de agua del embalse hacia la Planta de Filtración Sergio Cuevas en Trujillo Alto, para suplir agua potable a la Zona Metropolitana de San Juan. Dos quebradas importantes, Grande y Morocudo, fluyen al cauce del río al sur de Trujillo Alto antes de este cruzar la Carretera PR-3 en Carolina hacia el valle aluvial del Río Grande de Loíza en Canóvanas. En esta zona recibe el influjo de los ríos Canovanillas y Canóvanas, descargando finalmente al Océano Atlántico al oeste del Municipio de Loíza. En este punto, el río ha discurrido 41.5 millas desde su nacimiento, siendo el quinto en longitud en la Isla.
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