Acoplamiento de un Modelo Meteorológico e … de simulación continua con un componente...

Uso de un modelo lluvia-escorrentía continuo para la caracterización de crecidas rápidas en la Quebrada

de Ramón

Jorge Gironás L.

Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental, Pontificia Universidad Católica de Chile

Centro de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales (CIGIDEN)

Centro de Desarrollo Urbano Sustentable (CEDEUS)

Centro Interdisciplinario de Cambio Global UC

Jornada Técnica ALHSUD Chile: Modelos hidrológicos en zonas de montaña: Aplicaciones para pronosticar caudales y evaluar riesgos asociados a desastres naturales, 25 de Octubre del 2016

INTRODUCCIÓN

Antecedentes

• Desastres hidrometeorológicos de gran impacto nacional y mundial.

• Chile central y sus cuencas de precordillera:

• Relevantes para grandes centros poblados del país.

• Fuertes pendientes.

• Tiempo de respuesta cortos.

• Pobre gestión territorial de cauces y quebradas.

• Sensibles a la ubicación de la isoterma cero.

• Escasamente monitoreadas.

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INTRODUCCIÓN

Caracterización y alerta temprana

• La alerta no puede basarse en monitoreo de caudales aguas arriba.

• Alertas suelen considerar umbrales de variables hidro-meteorológicas y su monitoreo a escala temporal fina.

• Se requiere una componente basada en el pronóstico meteorológico.

• Alternativa: caracterización de condiciones meteorológicas detonantes de eventos extremos.

Objetivo de la Investigación

Caracterizar de forma sencilla crecidas en cuencas de precordillera para facilitar la futura alerta temprana y gestión de emergencia.

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ÁREA DE ESTUDIO

2/28

Av.VicentePérezRosales

QuebradadeRamón

Av.PadreHurtado

Parque PadreHurtado

Av.ValenzuelaPuelma

Espigones pararetencióndesedimentos

ÁREA DE ESTUDIO

2/28

Av.PríncipedeGales

Quebrada deRamón

ÁREA DE ESTUDIO Localización: Chile central, sector precordillerano.

Área: 36 km2.

Tipo suelo: franco y franco limosos.

Clima: templado mediterráneo.

Régimen hídrico: nivo-pluvial.

Isoterma cero: 1500-2500 m.

Riesgo hidrológico: 50% en 7 años.

Historial de inundaciones: abundantes y varias recientes.

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Cuenca de la Quebrada de Ramón

ÁREA DE ESTUDIO

Elevation5 Km

E

Elevación [m.s.n.m]

ESQUEMA ESTUDIO

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Uso de simulación continua con un componente estocástico

MODELO HIDROLÓGICO

Modelo continuo en Hec-HMS (1971 – 2010)

Componentes del Modelo:

1. Transformación lluvia – escorrentía

Abstracciones

• Intercepción por vegetación

• Almacenamiento superficie libre

• Infiltración

Escorrentía directa

Flujo base

Tránsito del hidrograma

2. Evapotranspiración

3. Derretimiento y acumulación de nieve

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Discretización de la Cuenca en Hec-Hms

MODELO HIDROLÓGICO: TRANSFORMACIÓN LLUVIA - ESCORRENTÍA

INTERCEPCIÓN EN VEGETACIÓN ALMACENAMIENTO EN SUPERFICIE

Fuente: Bennet (1998)

Fuente: Adaptación de Bennett (1998) a Quebrada Ramón

Fuente: Gobierno Regional Metropolitano (2012)

Cobertura Suelo Max almacenamiento

(mm)

Áreas residenciales 0,2

Bosques 2,5

Matorrales 2,0

Espacios abiertos 0

Vegetación andina 4,0

Subcuenca

Máximo

almacenamiento

Vegetación

(mm)

Máximo

almacenamiento

Superficie

(mm)

w740 2,37 7,49

w450 2,36 6,39

w660 2,32 7,54

w480 2,13 7,94

w590 2,21 7,82

w410 2,08 9,47

w420 0,96 6,97

w470 2,03 7,44

w680 1,92 8,99

w440 1,63 6,37

w430 1,70 7,04

w560 0,39 6,51

Descripción

terreno

Pendiente

(%)

Max almacenamiento

(mm)

Áreas impermeables pavimentadas NA 3.18-6.35

Plano/Tierra surcada 0-5 50-80

Pendiente suaves y moderadas 5 a 30 6.35-12.70

Pendientes lisas y empinadas >30 1,02

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INFILTRACIÓN: SOIL MOISTURE ACCOUNTING SMA

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ESCORRENTÍA: HIDROGRAMA UNITARIO DE CLARK

Donde:

Q = Caudal de salida

I = Caudal de entrada

S = Volumen almacenado

R = Coeficiente de almacenamiento

t = Isocrona considerada

At = Área acumulada hasta la isocrona t

A = Área de la cuenca

tc = Tiempo de concentración

J = Pendiente de la Cuenca (m/m)

tR

tc

cQcII

Q

t

SQI

RQS

iii

i

2

2

12

11

tcttc

tAA

tcttc

tAA

t

t

5,01414,11

5,0414,1

5,1

5,1

Tiempo de concentración (Clark)

Coeficiente de almacenamiento (Viessman y Lewis)

R = 0,75tc

Subcuenca tc R

(h) (h)

W410 0.97 0.73

W420 0.71 0.53

W430 0.61 0.46

W440 0.55 0.41

W450 1.06 0.79

W470 0.26 0.20

W480 1.18 0.89

W560 0.47 0.35

W590 0.53 0.40

W660 0.93 0.70

W680 1.53 1.15

W740 1.60 1.20 7/28

593,0

5,0335,0

J

Atc


FLUJO BASE: RESERVORIO LINEAL

:

Qt = Descarga en tiempo t - to (m3/s)

Qo = Descarga en t inicial to (m3/s)

K = Constante de recesión (h)

Q0´ = 0.030 m3/s, K´ = 20 h

Qo´ = Descarga en t inicial a salida de cuenca (m3/s)

K´ = Constante de recesión a salida de cuenca (h)

A = Área de cuenca (km2)

Ai,up = Área de cuenca i más la aportante aguas arriba

k = constante de recesión por unidad de área

q = caudal inicial de recesión específico

k

t

t eQQ

0

TRANSITO DE HIDROGRAMA: LAG

Donde:

tlag = Tiempo de retardo

tc = Tiempo de concentración

tctlag 60.0

kAK upii ,

qAQ iio ,

Cauce tc tlag

(h) (h)

R1 0,95 0,57

R2 1,23 0,74

R3 0,82 0,49

R4 1,55 0,93

R5 1,71 1,03 AKk /'

AQq ´/0

Subcuenca Ai Q0,i Ki

(km2) (m3/h) (h)

W410 3,35 0,0028 1,87

W420 2,08 0,0017 1,16

W430 1,49 0,0012 0,83

W440 1,23 0,0010 0,68

W450 2,80 0,0023 1,56

W470 0,29 0,0002 0,16

W480 4,63 0,0039 2,58

W560 1,10 0,0009 0,61

W590 1,13 0,0009 0,63

W660 3,23 0,0027 1,80

W680 7,04 0,0059 3,92

W740 7,53 0,0063 10,76

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MODELO HIDROLÓGICO

Priesley Taylor

Donde:

ET = Evapotranspiración potencial (W/m2)

Rn = Radiación neta (W/m2)

= Constante empírica

= Pendiente curva de presión de vapor a saturación (KPa/°C)

g= Constante psicrométrica (KPa/°C)

Ta = Temperatura del aire (°C)

EVAPOTRANSPIRACIÓN DERRETIMIENTO Y ACUMULACIÓN DE NIEVE

nRETg

aTTf 012,0430,0)(

g

Índice de Temperatura

Donde:

M = Cantidad de nieve fundida (mm/día)

C = factor de grados – día (mm/°C día)

Ta = Temperatura del aire (°C)

Tb = Temperatura base (°C)

)( ba TTCM

Parámetro Valor Px temperature (°C) 4

Base temperature (°C) 1,2

Wet melt rate (mm/°C/día) 0

Rain rate limit (mm/día) 40 ATI – Melt rate coefficient 0,43 ATI – Melt rate function Tabla ATI

Melt rate pattern - Cold limit (mm/día) 50

ATI – Cold rate coefficient 0,53 ATI – Cold rate function None

Water capacity (%) 4

Groundmelt method Constant

Value Groundmelt (mm/día) 0 ATI (°C) 0 1,2 2 10 11 12 14 15 18 19 30 50

Melt rate (mm/°C-día)

0 0,4 0,6 0,6 0,8 1 1 1,5 1,5 2 2 5 Fuente: Marzal (2012)

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ESQUEMA ESTUDIO

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INFORMACIÓN METEOROLÓGICA Y DESAGREGACIÓN ESPACIAL Y TEMPORAL

• Significativas diferencias espaciales y temporales de variables meteorológicas.

• ¿Cómo la incorporamos ?

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Curva PDF de evento e históricas




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Curva de Frecuencia Mapocho en los Almendros




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Un paréntesis…Copiapó marzo, 2015

Río Copiapó, Pastillo

Qmax : 36,3 m3/s, 17:30 , 25 de Marzo Qmax,24 : 21 m3/s 4 días de precipitación P total: 64.4 mm




Un paréntesis…Copiapó marzo, 2015

Río Copiapó, Pastillo

T Máximo

diario Máximo

instantáneo Q (m3/s) Q (m3/s)

1,5 2,9 3,4 2,33 4,4 5,3

5 7,1 8,8 10 9,8 12,2 20 12,7 15,9 50 17,1 21,6

100 20,8 26,5 200 24,9 31,9 500 31,0 39,9

Curva Precipitación-Duración-Frecuencia




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Registros de precipitación y temperatura de Quinta Normal (1971 a 2010) llevados a la cuenca de Quebrada Ramón: desagregando valores diarios a horarios, y extrapolando datos horarios (gradientes).

PRECIPITACIÓN

Extrapolación Espacial

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Subcuenca Z Centroide Precip (mm) Relación (-)

W410 1719 489,89 1,44

W420 1924 515,76 1,52

W430 1377 446,73 1,32

W440 1331 440,92 1,30

W450 991 398,01 1,17

W470 1438 454,43 1,34

W480 1988 523,84 1,54

W560 1492 461,24 1,36

W590 1719 489,89 1,44

W660 2296 562,71 1,66

W680 1729 491,15 1,45

W740 2349 569,39 1,68

Quinta Normal 527 339,46 1,00


DESAGREGACIÓN TEMPORAL DE LA PRECIPITACIÓN (Socolofsky et al., 2001)

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Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

Umbral 1,5 2,0 2,0 4,0 4,0 6,0 10,0 4,0 4,0 6,0 2,0 2,0

Ene

Feb

Mar

Abr

May Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Var

ian

za

Ene

Feb

Mar

Abr

May Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Co

efic

ien

te C

orr

elac

ión

1

Ene

Feb

Mar

Abr

May Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Pro

bab

. L

luv

ia 0

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DESAGREGACIÓN TEMPORAL DE LA PRECIPITACIÓN (Socolofsky et al., 2001)

Calibración (1917 – 1940) y validación (1941 – 1960):


TEMPERATURA

Extrapolación espacial: Gradiente de -6,5 °C/km.

Desagregación Temporal

Descomposición de Fourier: temperaturas máximas (2 h despues de sol en cenit) y mínimas diarias (justo después de salida del sol)

Dónde:

w p/12

T = Hora del día

Tx = Temperatura máxima del día

Tn = temperatura mínima del día

9,02sin11,09,0sin46,044,0)( ttt ww

Validación Desagregación Temporal

2414 , )(1)(

145 , )(1)(

50 , )(1)(

)(

1min,max,

min,max,

min,1max,

ttTtT

ttTtT

ttTtT

tT

ii

ii

ii

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RADIACIÓN SOLAR

Fuente: Explorador del recurso solar de Chile

Ministerio de Energía (http://ernc.dgf.uchile.cl/Explorador/Solar2)

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Mes

Radiación solar media

(2003 a 2012)

w/m2

Enero 377,84

Febrero 339,26

Marzo 281,34

Abril 198,15

Mayo 125,24

Junio 85,86

Julio 147,66

Agosto 103,11

Septiembre 170,76

Octubre 246,05

Noviembre 336,25

Diciembre 381,27

ESQUEMA ESTUDIO

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CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO

CALIBRACIÓN Replicar curvas de frecuencia de caudales anuales máximos (DGA). Parámetro relevante en calibración: Infiltración (máxima capacidad de infiltración y almacenamiento en suelo).

Bibliografía de referencia: Bruce 2010, Fleming y Neary 2004, Bennett 1998 y CMAGC 2004

sí entonces, se obtienen 200 años de simulación continua

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Parámetro Unidad Rango Valor calibrado

Soil % 0 - 100 0

Groundwater 1 % 0 - 100 0

Groundwater 2 % 0 - 100 0

Maximum infiltration mm/h 1,38 – 6,8 2,5

Impervious % 0 - 100 0

Soil storage mm 100 - 800 200

Tension storage mm 40 - 160 80

Soil percolation mm/h 0,5 0,4

Groundwater 1 storage mm 10 - 30 15

Groundwater 1

percolation mm/h 0,25 0,15

Groundwater 1

coefficient hr 40 -200 100

Groundwater 2 storage mm 15 - 40 20

Groundwater 2

percolation mm/h 0,025 0,015

Groundwater 2

coefficient hr 500 -3000 1000


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No se rechaza la hipótesis de que el promedio de los grupos es igual con un 95% de probabilidad

Efecto del método de desagregación horaria de la precipitación en la simulación de crecidas máximas

Test ANOVA (Análisis de varianza)

Fcrítico = 2,42

F = 0,39

Test de Tukey

HSD = Diferencia honestamente significativa


VALIDACIÓN

Se comparó los caudales máximos simulados (Qmax,sim) y los observados (Qmax,obs) para ocho crecidas registradas ente 1991 y 2010 en la estación fluviométrica Quebrada Ramón en Recinto EMOS

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Evento Fecha Qmax obs Rango Qmax sim Qmediomax sim

1 27-may-91 5,7 3,07 – 6,12 4,00 2 28-jul-91 7,7 0,86 – 7,58 3,30 3 20-jul-91 7,8 1,68 – 9,85 5,60 4 28-sep-94 2,87 0,06 – 0,72 0,50 5 13-sep-95 1,41 0,37 – 2,32 1,16 6 20-jun-97 7,93 3,39 – 6,86 5,47 7 22-ene-03 0,99 0,49 – 1,24 0,83 8 21-may-08 3,92 1,50 – 2,85 2,00

ESQUEMA ESTUDIO

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ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS CRECIDAS MÁXIMAS

Factores relevantes que explican una crecida

- Precipitación caída (precipitación 1 día).

- Condiciones de humedad antecedente (precipitación 3 días y 7 días anteriores).

- Temperatura (temperatura mínima del día).

Mapa de caracterización de crecidas

Eventos superiores a 0.6 m3/s.

Se consideran sólo crecidas pluviales y no las asociadas a derretimiento nival.

Se generaron 1964 crecidas (200 años de simulación).

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Variables Coeficiente de

correlación

Q vs Tmin dia 0,33

Q vs Pdía 0,80

Q vs P3días 0,44

Q vs P7días 0,44

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Ocurrencia de caudales extremos (Mayores a 20 m3/s)

De 1941 crecidas, 61 (3,14%) superan los 20 m3/s.

1) Considerando 6 días previos secos, es muy poco probable que la crecida supere los 20 m3/s si en el día la tmin < 5°C

2) Una crecida supera los 20 m3/s si: caen más de 72 mm en un día con 5°C < tmin < 10°C, ó de 60 mm con tmin > 10°C.

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Una crecida supera los 20 m3/s si:

3) Con 3 días previos de lluvia, tmin > 5 °C y más de 120 mm acumulados.

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4) Llueven más de 210 mm en 7 días.



• A mayores tiempos de lluvia, menos extremas las precipitaciones acumuladas.

• Caudales extremos explicados principalmente por grandes P, y en menor grado, por altas T.

• 80% de eventos extremos ocurren con precipitación en los 3 días anteriores.

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CONCLUSIONES

• En cuencas de precordillera es necesaria una caracterización efectiva de crecidas, basada en pronósticos meteorológicos fáciles de obtener.

• La metodología implementada combina desagregación horaria y extrapolación espacial de registros de temperatura y precipitación diaria con un modelo hidrológico continuo sensibles a T y P.

• Los mapas de escenarios generados muestran que las crecidas extremas son explicadas por las altas precipitaciones y en menor grado por las altas temperaturas mínimas.

• La condición típica que produce una crecida en la cuenca de Quebrada Ramón es una precipitación del día bastante extrema antecedida por otros dos días con lluvia.

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ALCANCES Y TRABAJO FUTUROS

• Esta caracterización sienta las bases para el desarrollo de sistemas simples de alerta temprana en cuencas nivo pluviales no aforadas.

• Extender y validar el enfoque a otras cuencas con registros de caudales más completos y extensos.

• Incorporar datos medidos en terreno actualmente.

• Desarrollar una cascada de modelos donde se incorpore el pronóstico y la modelación hidráulica.

• Usar series de precipitación y temperatura horarias propias de escenarios futuros de cambio climático.

AGRADECIMIENTOS

Verónica Ríos, Alumna de Magíster.

FONDECYT N° 1161439

Centro CIGIDEN, CONICYT/FONDAP/15110017.

CEDEUS, CONICYT/FONDAP/15110017.

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