“Modificación de la respuesta hidrológica en avenidas...

MÁSTER

“EL AGUA EN EL MEDIO NATURAL: USOS Y GESTIÓN”

Trabajo Fin de Máster

“Modificación de la respuesta hidrológica en

avenidas torrenciales ante los cambios de usos

del suelo en una cuenca de montaña

(Portainé, Pirineo leridano)”

Autor: Álvaro de las Heras Gómez

Directores:

Andrés Díez Herrero José Anastasio Fernández Yuste

Luciano Fernando Ribeiro Martins

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ETSI DE MONTES, FORESTAL Y DEL MEDIO NATURAL Septiembre de 2016

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a toda mi familia, amigos y personas que han estado a mi lado, apoyándome

incondicionalmente durante todo el tiempo que me ha llevado realizar este trabajo.

A todos mis compañeros del máster de “El agua en el medio natural: Usos y gestión”, los

cuáles nos hemos ayudado durante todo el transcurso de este año, ayudándonos mutuamente

y avanzando en nuestro conocimiento.

También a los profesores del máster que sin su ayuda y paciencia esto no hubiera sido posible.

A los componentes del proyecto CHARMA, como Ane Victoriano y Gloria Furdada, por

facilitarme tanta ayuda como he necesitado y los datos que ellas ya habían trabajado, y me

suministraron de buen grado.

A todos los compañeros de los que he tenido el placer de acompañar en el Instituto Geológico

y Minero de España (IGME), con los que he aprendido de tan diversos temas en los que están

trabajando día tras día.

Y fundamentalmente a mis tres codirectores: José A. Fernández Yuste, profesor de la UPM del

área de hidrología, que me ha recibido tantas veces como he solicitado, me ha suministrado

consejos muy valiosos y del que no he hecho más que aprender en todo este año; Andrés Díez-

Herrero, científico titular de OPIs, que siempre ha contado conmigo a la hora de poder

acompañar en su trabajo diario, en sus reuniones a la cual más interesante, expreso mi mayor

respeto y gratitud por haberme guiado y corregido en todo este proyecto; y por último a

Luciano Martins, investigador predoctorado del área de riesgos geológicos del IGME, que no ha

dudado en dejar de lado sus tareas para ayudarme, con el que he aprendido en estos meses

tanto de su experiencia y su visión, y me ha guiado y ayudado, también quisiera expresar mi

mayor respeto y gratitud, porque admiro su dedicación y actitud hacia mí y hacia los demás y

sin ellos este trabajo no hubiera podido ser realizado.

I

RESUMEN

El presente trabajo se centra en el estudio de los cambios producidos en la respuesta

hidrológica de una cuenca de alta montaña, por las actividades antrópicas y cambios en los

usos del suelo desarrollados en la misma en el último siglo.

El barranco de Portainé, situado en los Pirineos Orientales (Lleida, España), ha sufrido en los

últimos años modificaciones significativas en su cabecera, debido fundamentalmente por la

construcción de una estación de esquí. A raíz de esto, se han venido produciendo fenómenos

de movimientos de ladera, procesos erosivos y deposición de grandes cantidades de

materiales, arrastrados principalmente en eventos de precipitaciones intensas. Todo esto ha

ido produciendo cuantiosos desperfectos en las carreteras de acceso a las pistas, y elevados

costes a la hora de reparaciones y obras de mitigación del daño.

Para estudiar cómo ha cambiado la respuesta hidrológica de la cabecera de la cuenca, se

necesitó información sobre la ocupación y usos del suelo en diferentes años, antes y después

de la construcción de la estación de esquí, con los que se crearon modelos de cuenca

representativos; y se generó un modelo hidrometeorológico mediante el software MAXIN 2.0,

debido a la imposibilidad de la utilización de datos reales de precipitaciones, por falta de

estaciones meteorológicas con series representativas en la zona.

Con estos datos y utilizando los modelos hidrometeorológicos precipitación-aportación,

mediante la utilización del software HEC-HMS, se simuló la transformación de las lluvias en

caudales punta, en los diferentes años estudiados, y se compararon los resultados con otros

estudios realizados en la zona y otro software como CAUMAX.

Se obtuvieron resultados significativos, principalmente en la zona donde se sitúa la estación de

esquí, aumentando sus caudales punta hasta un 26%, con periodos de retorno bajos, respecto

a la situación anterior a su construcción. Del mismo modo se observaron cambios de hasta un

15% en su confluencia con el barranco de Reguerals.

Se deduce que los cambios producidos en la cabecera del barranco de Portainé sí han tenido

una influencia significativa en el aumento de la frecuencia de “debris” como consecuencia del

aumento de magnitud de los caudales punta.

MODIFICACIÓN DE LA RESPUESTA HIDROLÓGICA EN AVENIDAS TORRENCIALES ANTE LOS CAMBIOS DE USOS DEL SUELO EN UNA CUENCA DE MONTAÑA (PORTAINÉ)

II

ABSTRACT

This project is based on the study of changes in the hydrological response of a high

mountain watershed, anthropic activities and changes in land use developed in this

area.

Canyon Portainé is located in the eastern Pyrenees (Lleida, Spain). In recent years this

canyon has suffered changes in his head. These changes are due to the construction of

a ski station.

As a consequence have been produced phenomena like earthworks, or erosional

processes or accumulation of materials that has been washed away by heavy rainfall.

All this, it has caused damage to the road to the ski slopes and high costs for repairs

and works to end the damage.

To study how it has change the hydrological response of a high mountain watershed it

was needed information about the occupation and land use in different years, and

information before and after construction of the ski station. With this information

were created representative models of watershed and also it was generated a

hydrometeorological model by software MAXIM 2.0.

It should highlight the impossibility to use rainfall data since there are no weather

stations with representatives series in this area.

To sum up, with these models and using the software HEC-HMS was simulated the

transformation of rainfall in peak watershed in the different years studied. Other use

was the comparison of the results with other studies in the area and with other

software like CAUMAX.

Significant results were achieved mostly in the area where is located the ski station.

These results are an increase in their peak flows up to 25 percent with periods of low

return in compared to the previous situation to it´s construction. Also changes up to 15

percent were observed at it´s confluence with the canyon Reguerals.

It follows that the changes in the head of the canyon Portainé have had a significant

influence on increasing the frequency of “debris” as a result of increased magnitude of

peak flows.


III

ÍNDICE DE CONTENIDOS

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ............................................................................................... 1

1.1. INTRODUCCIÓN A LA TEMÁTICA ................................................................................... 1

1.2. PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA ...................................................................... 1

1.3. OBJETIVOS ..................................................................................................................... 4

1.3.1. General .................................................................................................................. 4

1.3.2. Específicos ............................................................................................................. 4

2. METODOLOGÍA ...................................................................................................................... 4

2.1. MODELO DE CUENCA .................................................................................................... 4

2.1.1. FUENTES DE DATOS TOPOGRÁFICOS Y TEMÁTICOS ............................................. 4

2.1.1. ANÁLISIS, COMBINACIÓN Y EDICIÓN DE LAS FUENTES CARTOGRÁFICAS Y

TEMÁTICAS ............................................................................................................................ 6

2.1.2. DELIMITACIÓN DE SUBCUENCAS .......................................................................... 6

2.1.3. TIEMPOS CARACTERÍSTICOS .................................................................................. 7

2.2. MODELO DE ESCORRENTÍA ........................................................................................... 8

2.3. MODELO METEOROLÓGICO .......................................................................................... 9

2.3.1. ESTIMACIÓN DE LOS CUANTILES DE LLUVIA ......................................................... 9

2.3.2. DISTRIBUCIÓN TEMPORAL DE LAS LLUVIAS ........................................................ 11

2.3.3. ESPECIFICACIONES DE CONTROL......................................................................... 12

2.4. MODELO HIDROLÓGICO .............................................................................................. 12

2.4.1. HIDROGRAMA UNITARIO .................................................................................... 12

2.4.2. CIRCULACIÓN DE LA ONDA DE AVENIDA: MUSKINGUM .................................... 12

2.5. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS HIDROLÓGICOS ................................... 13

3. RESULTADOS ....................................................................................................................... 14

3.1. RESULTADOS DEL MODELO DE CUENCA ..................................................................... 14

3.1.1. DELIMITACIÓN DE SUBCUENCAS ........................................................................ 14

3.1.2. ESQUEMA DE LOS MODELOS DE CUENCA PARA HEC-HMS ................................ 16

3.2. RESULTADOS MODELO DE ESCORRENTÍA ................................................................... 17

3.3. RESULTADOS DEL MODELO METEOROLÓGICO ........................................................... 24

3.3.1. RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓN DE LOS CUANTILES DE LLUVIA ....................... 24

3.3.2. RESULTADOS HIETOGRAMAS .............................................................................. 25

3.3.3. ESPECIFICACIONES DE CONTROL......................................................................... 25

3.4. RESULTADOS DEL MODELO HIDROLÓGICO ................................................................ 27

3.4.1. HIDROGRAMAS RESULTANTES ............................................................................ 27


IV

3.4.2. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS HIDROLÓGICOS

28

3.4.3. RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS DE PROPAGACIÓN DE MUSKINGUM ......... 30

3.4.4. VARIACIONES EN LOS CAUDALES ENTRE DIFERENTES SITUACIONES

TEMPORALES ....................................................................................................................... 31

4. DISCUSIÓN ........................................................................................................................... 33

4.1. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................ 33

4.1.1. Comparación de los Qp en distintos años y T ...................................................... 33

4.1.2. Comparación con otros resultados ..................................................................... 34

4.2. LIMITACIONES DE LAS FUENTES DE DATOS ................................................................ 36

4.3. LIMITACIONES DE LOS MÉTODOS ............................................................................... 37

4.4. INTERPRETACIÓN Y RECOMENDACIONES TÉCNICAS .................................................. 38

5. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 39

6. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 40

Anexo 1: Reportaje fotográfico de la situación en la cabecera de Portainé

Anexo 2: Resultados modelos de cuenca

Anexo 3: Resultados modelo meteorológico

Anexo 4: Resultados hidrológicos


V

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Localización de la zona de estudio de Portainé (Lleida, España) .................................... 2

Figura 2 Esquema de la metodología seguida en los tratamientos de los datos y aplicación de

las diferentes técnicas. .................................................................................................................. 5

Figura 3 Puntos utilizados para el cálculo de las precipitaciones máximas diarias en la cuenca

de cabecera de Portainé. ............................................................................................................ 10

Figura 4 Almacenamiento en cuña y prisma en un tramo del cauce según el método de

Muskingum. Fuente: Aparicio, 1999. .......................................................................................... 12

Figura 5 Modelos de cuenca de la cabecera de Portainé, para las situaciones actual y

1996/1956 ................................................................................................................................... 14

Figura 6 Modelos de cuenca para HEC-HMS de la cabecera de Portaine para las situaciones

actual y 1996/1956...................................................................................................................... 16

Figura 7 Evolución de las formaciones superficiales del suelo en la cabecera de Portainé en

diferentes fechas. ........................................................................................................................ 17

Figura 8 Evolución de los grupos hidrológicos del suelo de la cabecera de Portainé en las

situaciones actuales, 1996 y 1956. .............................................................................................. 19

Figura 9 Pendientes clasificadas de la cabecera de Portainé. ..................................................... 20

Figura 10 Evolución de la ocupación y usos del suelo desde 1956 hasta la actualidad. Gráfico de

porcentaje y tipo de suelo ocupado en cada uno de los años. ................................................... 21

Figura 11 Evolución del Número de Curva en la cabecera de Portainé, en la situación actual,

1996 y 1956. Capas en formato raster de 5x5 m. ....................................................................... 23

Figura 12 Hietogramas generados a partir de la nueva metodología de Salas y Fernández,

(2006). ......................................................................................................................................... 26

Figura 13 Hidrogramas generados en los puntos de control Junction-3 y Junction-6 o

"Desembocadura”, producidos a partir de los hietogramas centrados para diferentes

precipitaciones de periodo de retorno de 10 años (arriba), de 100 años (fila central), y 500

años (abajo). ................................................................................................................................ 27

Figura 14 Resultados análisis de sensibilidad para las variables CN, tc, y K. ............................... 29

Figura 15 Localización de los puntos de control utilizados en los modelos. ............................... 31

Figura 16 Resultados comparados entre las distintas situaciones estudiadas en los puntos de

control seleccionados. ................................................................................................................. 32

Figura 17 Variaciones de los caudales punta de los diferentes T para las situaciones actual,

1996, y 1956. ............................................................................................................................... 34

Figura 18 A) Situación del barranco de Santa Ana, en el municipio de Sort. Salida gráfica del

programa CAUMAX. B) Mapa de isolíneas de precipitaciones medias anuales de la publicación

“Máximas lluvias diarias en la España Peninsular” (Ministerio de Fomento, 1999). Zoom de la

zona de estudio. .......................................................................................................................... 35


VI

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Variables utilizadas para en análisis de sensibilidad, y el rango de variación utilizado. 14

Tabla 2 Parámetros morfométricos y tiempos característicos del modelo de cuenca actual. ... 15

Tabla 3 Parámetros morfométricos y tiempos característicos del modelo de cuenca 1996/56. 15

Tabla 4 Clasificación de las formaciones superficiales del suelo en los diferentes grupos

texturales. ................................................................................................................................... 18

Tabla 5 Equivalencia usos del suelo y códigos SIOSE y Furdada et al. (2016), con umbrales de

escorrentía y números de curva. ................................................................................................. 22

Tabla 6 Umbrales de escorrentía (P0) y Números de curva (CN) de cada subcuenca en las

distintas situaciones estudiadas, y sus porcentajes de cambio entre 1956 y la actualidad. ...... 24

Tabla 7 Resultados de PMDA obtenidos con MAXIN 2.0 para el punto más cercano a la cuenca

de Portainé, situado en el término municipal de Sort. ............................................................... 25

Tabla 8 Valores de 0,29*tlag de cada subcuenca para el modelo HMS 1996/56, para introducir

el intervalo de tiempo de cálculo de los resultados. .................................................................. 25

Tabla 9 Valores de 0,29*tlag de cada subcuenca para el modelo HMS actual, para introducir el

intervalo de tiempo de cálculo de los resultados. ...................................................................... 25

Tabla 10 Resultados de la utilización de los diferentes hietogramas en los puntos de control J6

y J3, para el modelo de cuenca actual. Donde: Qp = Caudal punta; tp = tiempo transcurrido

hasta la punta del hidrograma; Δ de Qp = diferencia de caudales punta en porcentaje. ........... 28

Tabla 11 Resultados del análisis de sensibilidad de las variables CN, tc, y K de Muskingum. .... 28

Tabla 12 Resultados de los valores de x y K del mètodo de propagación de la onda de avenida

Muskingum. Dónde: Cn son los distintos tramos de propagación (reaches) en cada subcuenca.

..................................................................................................................................................... 30

Tabla 13 Resumen de los porcentajes de cambio de Qp producidos entre la situación de 1956 y

la actual, para distintos periodos de retorno. ............................................................................. 33

Tabla 14 A) Resultados de los caudales máximos para diferentes periodos de retorno

calculados en la cuenca de Portainé por Rodríguez (2016). B) Resultados de los caudales

máximos para diferentes periodos de retorno calculados en el barranco de St. Ana por

CAUMAX. C) Resultados de los caudales máximos calculados en la cabecera de Portainé

mediante HEC-HMS. .................................................................................................................... 35

Tabla 15 Resultados comparados de los caudales específicos de los diferentes estudios. ........ 36


VII

SIGLAS Y ACRÓNIMOS

CAUMAX: Mapa de Caudales Máximos

CEDEX: Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas

CEH: Centro de Estudios Hidrográficos

CN: Número de Curva

HEC-HMS: Hydrologic Modeling System – Hydrologic Engineering Center

HU: Hidrograma Unitario

ICGC: Instituto Cartográfico y Geológico de Cataluña

IC: Instrucción de Carreteras

IGC: Instituto Geológico de Cataluña

IGN: Instituto Geográfico Nacional

IGME: Instituto Geológico y Minero de España

LiDAR: Laser Imaging Detection and Ranging

MDT: Modelo Digital del Terreno

NRCS: Natural Resources Conservation Service

PNOA: Plan Nacional de Ortofotografía Aérea

PMDA: Precipitación Máxima Diaria Anual

PM24: Precipitación Máxima en 24 horas

SCS: Soil Conservation Service

SIG: Sistemas de Información Geográfica


1

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

1.1. INTRODUCCIÓN A LA TEMÁTICA

Las avenidas torrenciales se pueden definir como: “corrientes de agua impetuosas que

sobreviene en poco tiempo”. Constituyen las catástrofes naturales con mayor impacto socio-

económico, tanto a nivel mundial como a nivel nacional, afectando a las actividades agrarias,

industriales y comerciales, infraestructuras y servicios, produciéndose una gran cantidad de

pérdidas económicas, que según estimaciones realizadas por el Instituto Geológico y Minero

de España (IGME), serían de aproximadamente 2 millones de euros cada día (Llorente Isidro,

M. et al., 2008; Ferrer et al., 2004). Desgraciadamente estos eventos también han tenido

asociados la pérdida de numerosas vidas humanas.

En España, la orografía accidentada del territorio, y el marcado carácter mediterráneo del

clima produce un elevado impacto de las avenidas torrenciales, las cuáles por lo general,

vienen acompañadas de un abundante arrastre de materiales sólidos, aumentando

considerablemente la peligrosidad asociada a este tipo de avenidas (Bodoque el al., 2006).

Con el fin de prevenir estos eventos, anticipándose a los efectos adversos que estos conllevan,

y reduciendo las consecuencias negativas asociadas tanto en la salud humana, patrimonio y

actividad económica, se emplean diferentes métodos complementándose entre sí; y

utilizándose dependiendo de los datos de los que se disponga en cada momento, como son los

métodos hidrológicos, hidráulicos, históricos y geológicos (Díez-Herrero, 2002).

Los métodos hidrológicos permiten la simulación del proceso de transformación de las

precipitaciones en escorrentía, pudiendo analizar el carácter torrencial de los ríos. Mediante

herramientas informáticas como los sistemas de información geográfica (SIG), y su

combinación con programas de modelación hidrológicos como HEC-HMS (Hydrologic Modeling

System – Hydrologic Engineering Center) y su extensión HEC-GeoHMS, han permitido un

avance en la sistematización y simulación de estos eventos (Llorente et al. 2009).

1.2. PLANTEAMIENTO DE LA PROBLEMÁTICA

El barranco de Portainé es un torrente de alta montaña situado en los Pirineos Orientales, al

norte de la provincia de Lleida (Figura 1). Su cuenca hidrográfica drena hacia el norte, tiene su

cota máxima en la Torreta del Orri a 2439 m.s.n.m., y desemboca en el río Romadriú (Santa

Magdalena), con su cota mínima de 950 m.s.n.m. Tiene un fuerte carácter torrencial, aún más

destacado en verano cuando se suceden fuertes lluvias en cortos espacios de tiempo (Portilla

et al., 2010; Luis Fonseca et al., 2011; Raïmat et al., 2013).

Geológicamente la cuenca está formada por materiales metamórficos, cuarcitas y pizarras, con

estructuras muy plegadas y fragmentadas, resultado de la evolución post-Alpina de esta zona

(Ortuño et al., 2013). La zona de estudio se corresponde con la cabecera de la cuenca de

Portainé, donde se localizan los torrentes de Portainé y de Reguerals (afluente del de

Portainé), hasta su confluencia aguas abajo. Presenta dos zonas bien diferenciadas: la parte

baja con altas pendientes y vegetación boscosa densamente poblada; y la parte alta con

pendientes menores y vegetación de pastos y arbustos. En esta última se localiza una estación

de esquí con homónimo nombre, Port Ainé, inaugurada en 1986.


2

Figura 1 Localización de la zona de estudio de Portainé (Lleida, España)

La problemática surge en los últimos años, por las desestabilizaciones del lecho y los márgenes

de los barrancos de Portainé y Reguerals a raíz de la construcción de la estación de esquí. Se

han producido numerosos eventos de movilización de grandes volúmenes de materiales o

“debris-flow”. Como en el año 2006, que unas fuertes lluvias produjeron la movilización de

materiales hasta la obstrucción de las carreteras que discurren transversales a los barrancos y

que dan acceso a las instalaciones de esquí (Raïmat et al., 2013). Además, en 2008, se produjo

otro evento en el que se removilizaron los materiales acumulados en el anterior, produciendo

importantes daños en la central hidroeléctrica situada en la desembocadura de la cuenca.

Estos eventos se producen frecuentemente en estos barrancos, y diversos organismos y

autoridades han dedicado numerosos recursos para intentar estabilizar, proteger y reparar las

carreteras de acceso y las propias instalaciones, con medidas como son las construcciones de

escolleras, canales de drenaje en las pistas para evacuar el agua, e instalación de protecciones

tipo malla de retención de materiales y grandes bolos en taludes y lechos que quedan

atrapados evitando su movilización.

Fotografía 1 Desembocadura de los barrancos Portainé y Ramiosa en el río Romadriú o Santa Magdalena.

Fuente: Elaboración propia. No se indica la fuente excepto en aquellas fotgrafías que no fuesen del autor.

Fotografía 1 Barranco de Portainé atravesando la carretera de acceso a la estación de esquí. Se pueden ver las obras de reforzamiento de las laderas.


3

Pero estas medidas no resuelven el problema, y cada vez se necesita de la instalación de

mayor número de redes, las cuáles se colmatan en un único evento, o incluso son desancladas

por erosión en sus puntos de fijación, o la obstrucción de las escolleras bajo las carreteras, y la

profunda incisión producida en los drenajes de las pistas, que concentran el agua para

evacuarla. Todos estos desperfectos ocurren con lluvias no necesariamente excepcionales.

Ante esta problemática, desde hace más de una década, técnicos de la Generalitat de Cataluña

(GeoCat, IGC-ICC…) analizan los riesgos en Portainé. A lo que se suman científicos y técnicos de

diferentes universidades (UPM, UB, UPC…) y centros de investigación (IGME), que en los

últimos tres años se nuclean en el proyecto CHARMA (ref: CGL2013-40828-R).

Fotografía 4 Cárcavas producidas en las pistas de esquí de la estación de Port Ainè.

Fotografía 3 Barranco de Portainé con las mallas transversales de retención de materiales.


4

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. General

Estudiar el efecto de los cambios de uso del suelo en la respuesta hidrológica del barranco de

Portainé.

1.3.2. Específicos

Estimar la variación de los números de curva (CN) de diferentes años;

Crear modelos de cuenca representativos para las diferentes situaciones;

Estudio de las características morfométricas de la cuenca;

Desarrollar modelos meteorológicos con diferentes hietogramas;

Estimar los caudales punta de avenida para distintos años;

Simular la respuesta hidrológica de la cuenca con diferentes hietogramas y periodos de

retorno;

Comparar resultados de la respuesta de caudales punta de los años 1956, 1996 y

actual;

Comparar los resultados con otros estudios en la zona y software (CAUMAX).

2. METODOLOGÍA

De los diferentes tipos de métodos para el estudio de la peligrosidad de las inundaciones y de

la respuesta hidrológica ante eventos de avenida (Díez-Herrero et al., 2008) se han escogido

métodos hidrológicos de transformación precipitación-aportación. Mediante el esquema de la

figura 2 se sintetiza la metodología utilizada.

2.1. MODELO DE CUENCA

2.1.1. FUENTES DE DATOS TOPOGRÁFICOS Y TEMÁTICOS

Se recopiló información de diferentes bases de datos cartográficas institucionales, y

suministrada por personas del equipo del proyecto CHARMA.

Modelo digital del terreno (MDT) procedente de LiDAR 2x2 m, con fecha del 2011 del

Instituto Cartográfico y Geológico de Cataluña (ICGC).

MDT 5x5 m, con fecha del 2011 del Instituto Geográfico Nacional (IGN).

Mapa topográfico 1:5000 del ICGC.

Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) del IGN con fecha de 2015.

Imágenes históricas del ICGC, para los años 1996 y 1956.

Sistema de Información sobre Ocupación de Suelo de España (SIOSE) actual del IGN

con fecha de 2011.

Capas en formato shape (shp) de ArcGIS (ESRI Geosystems) con los usos del suelo de

los años 1996 y 1956 (Furdada et al., 2016).

Capas en formato shp de las diferentes formaciones superficiales en la cabecera de

Portainé (Victoriano et al., 2016).


5

Figura 2 Esquema de la metodología seguida en los tratamientos de los datos y aplicación de las diferentes técnicas.


6

2.1.1. ANÁLISIS, COMBINACIÓN Y EDICIÓN DE LAS FUENTES CARTOGRÁFICAS Y

TEMÁTICAS

Fueron generados mediante el software ArcGIS 10.1 (ESRI Geosystems) dos MDT para los

diferentes modelos de cuenca estudiados: actual y 1996/56 (ambos con sistema de

coordenadas ETRS89 UTM31).

Se observó que al LiDAR 2x2 m del año 2011 de la zona de estudio, le faltaba parte de la

información total de la cuenca, con lo que se le combinó a esta información un MDT 5x5 m

mediante herramientas de los SIG; para cubrir la falta de información en esas zonas. El

resultado fue un MDT 2x2 m con la información del LiDAR sobre la zona de la cabecera de la

cuenca con mayor interés de estudio.

Para los escenarios pasados de 1996/56, se partió del mapa topográfico 1:5000 del Instituto

Cartográfico y Geológico de Cataluña (ICGC), y se creó un MDT 5x5 m utilizando ArcGis 10.1.

Se confirmó que esta cartografía correspondía a situaciones anteriores a la actual por la

ausencia de la gran balsa de agua en la cabecera de las pistas de esquí construida en 2010 (IGC,

2013), que sirve como reservorio de agua para la innivación artificial, y la presencia de

pequeñas balsas anteriores a la existente.

Las capas de usos del suelo pasados fueron facilitadas por Gloria Furdada (Furdada et al.,

2016), quien realizó un trabajo de fotointerpretación de diferentes escenarios como 1996 y

1956, a partir de ortofotografías y de pares estereoscópicos de fotografías aéreas verticales.

Por último se obtuvieron datos de las texturas del suelo mediante los mapas geológicos del

ICGC, que fueron completados mediante la información local de las formaciones

geomorfológicas facilitadas por Ane Victoriano (Victoriano et al., 2016), para tener una

información más específica de la zona de estudio.

2.1.2. DELIMITACIÓN DE SUBCUENCAS

Con los MDT generados, se procedió a una delineación automática de las cuencas y la red de

drenaje y posteriormente comprobada manualmente, así como la obtención de diferentes

parámetros morfométricos (máxima longitud de flujo, área de la cuenca, pendiente de los

cauces). El área delimitada para la delineación de subcuencas fueron los barrancos de Portainé

y Regerals desde su cabecera, donde se encuentra situado el complejo de esquí, hasta su

confluencia aguas abajo (Figura 1).

Se utilizó la extensión de Arc GIS 10.1 HEC-GeoHMS que, mediante un procedimiento llamado

preprocesado del terreno, permitió obtener un modelo de cuenca a partir de la información

contenida en los MDT en formato raster, y sus características asociadas, para poder

exportarlas a HEC-HMS 4.0 (Bodoque, 2012).

Mediante el preprocesado del terreno (terrain preprocessing), se optó por un umbral de

división de 0,02 km2 teniendo en cuenta el objetivo de este trabajo y el pequeño tamaño de las

cuencas de Portainé y Regerals. Posteriormente se fueron uniendo las subcuencas mediante la


7

opción Basin Merge, siguiendo criterios de homogeneidad del terreno, como son los usos del

suelo, tipo de vegetación y pendientes.

Una vez delimitadas las subcuencas se extrajeron sus características morfométricas: área de

cada cuenca, pendiente, máximo recorrido del flujo de agua y la pendiente del recorrido

máximo del flujo.

2.1.3. TIEMPOS CARACTERÍSTICOS

Los tiempos característicos calculados a partir de las características morfométricas de las

subcuencas fueron: el tiempo de concentración o tc de cada subcuenca y el tiempo de retardo

o tlag asociado a éste último.

El tiempo de concentración tc, “es el tiempo mínimo necesario desde el comienzo del aguacero

para que toda la superficie de la cuenca esté aportando escorrentía en el punto de desagüe. Y

se obtiene calculando el tiempo de recorrido más largo desde cualquier punto de la cuenca

hasta el punto de desagüe.” (Ministerio de Fomento, 2016).

En España se utiliza para su cálculo, la expresión que aparece en la normativa 5.2 - IC drenaje

superficial de la Instrucción de Carreteras (Ministerio de Fomento, 2016)

tc = 0,3 ∗ Lc0,76 ∗ Jc

−0,19

Dónde:

tc (horas) = Tiempo de concentración

Lc (km) = Longitud del cauce

Jc (m/m) = Pendiente media del cauce

Para la longitud del cauce y la pendiente de éste se utilizó el máximo recorrido del flujo que se

produce en cada subcuenca, ya que la instrucción indica que se debe de tomar el cauce del

agua que mayor tc produzca.

Para el cálculo del tiempo de retardo tlag se utilizó la siguiente fórmula (SCS, 1972):

tlag = 0,6 ∗ tc


8

2.2. MODELO DE ESCORRENTÍA

Para poder calcular la precipitación neta (Pn), o aquella precipitación que genera escorrentía,

se utilizó en el método del “Número de Curva” (CN) del Servicio de Conservación de Suelos de

los EE.UU (S.C.S) (NRCS, 2004a y 2007), el cuál esta implementado en el modelo HMS (HEC,

2015).

Este método se basa en un número adimensional que varían entre 0 y 100; donde en una zona

con un CN = 0 no hay escorrentía y todo lo que llueve se infiltra, y otra con CN = 100 es

impermeable y toda la precipitación genera escorrentía, tomando en cuenta las condiciones de

humedad antecedente del suelo (seco, intermedio y húmedo).

Para la obtención del CN, primero se debe de calcular el umbral de escorrentía mediante el

cruce de tres variables: los grupos hidrológicos del suelo, los diferentes usos que hay, y las

pendientes de la zona.

Los grupos hidrológicos del suelo presentes en la zona se clasificaron teniendo en cuenta la

cartografía de suelos del ICGC y completándose con la información de formaciones

superficiales proporcionada por Victoriano et al., 2016. Se clasificaron las texturas según su

capacidad de drenaje en 4 tipos (A, B, C y D), según los grupos hidrológicos, y su capacidad de

determinación del valor inicial del umbral de escorrentía (Ministerio de Fomento, 2016).

Para la determinación de los tipos de usos y ocupaciones del suelo, se utilizó la información

contenida en el SIOSE, en el caso de la cobertura vegetal de la situación actual; y la

información contenida en Furdada et al. (2016) sobre las situaciones de los años 1996 y 1956,

obtenida mediante fotointerpretación de imágenes aéreas.

Hay que tener en cuenta la dificultad de la fotointerpretación para poder determinar

eficazmente los tipos de cubiertas en años como en 1956; pero a la hora de asignar, según

éstos, los umbrales de escorrentía (P0) no se verificaron diferencias en los valores de las tablas

entre clases, por ejemplo, ‘prado’ y ‘prado con algún árbol’, y por ejemplo, ‘coníferas’ o

‘frondosas’.

Con los usos del suelo definidos, se consultaron las tablas que aparecen en la Instrucción 5.2-IC

(Ministerio de Fomento, 2016), para asignar a estos usos, el valor inicial del umbral de

escorrentía (P0), teniéndose en cuenta las pendientes medias de cada subcuenca y optándose

por la elección de una condición de humedad previa del suelo tipo 2 o intermedia.

Por último se corrigió este valor mediante los coeficientes correctores del umbral de

escorrentía (β), dependientes de la región objeto de estudio.

Con estos valores de P0, se calcularon los valores de número de curva (CN), que se necesitan

tener para poder introducir en el programa HEC-HMS, para las situaciones de los años: actual,

1996 y 1956.


9

Equivalencia CN – P0 (Ferrer, 2003):

CN =5080

(P0 + 50,8)

Se validaron los resultados obtenidos teniéndose en cuenta el trabajo de Ferrer (2003).

2.3. MODELO METEOROLÓGICO

Para obtener los caudales de referencia en la salida de una cuenca, un dato básico son las

precipitaciones máximas previsibles en un día con diferentes frecuencias; y para ello se

pueden optar por varias vías:

1. Utilizar la publicación del Ministerio de Fomento “Máximas lluvias diarias en la España

Peninsular” (Ministerio de Fomento, 1999).

2. Emplear directamente los datos de una o varias estaciones pluviométricas más

cercanas a la zona de estudio, que sean representativas, y aplicando una función de

distribución de extremos adecuada.

3. Usar la nueva formulación de Salas, L. (2005), y Salas, L. y Fernández, J. A. (2006).

Debido a la ausencia de estaciones meteorológicas con series suficientemente largas de

registro, para realizar un análisis estadístico consistente de las precipitaciones características

de la zona de estudio, se utilizaron dos programas informáticos para obtener de manera breve

y fiable las máximas lluvias diarias asociadas a un periodo de retorno determinado. Estos

programas fueron MAXPLU y MAXIN, basándose en la publicación del Ministerio de Fomento

“Máximas lluvias diarias en la España Peninsular”, y en la nueva formulación creada por Salas

(2005), respectivamente.

2.3.1. ESTIMACIÓN DE LOS CUANTILES DE LLUVIA

Se eligieron los periodos de retorno (T) de 10, 50, 100 y 500 años como objeto de estudio para

la estimación de los cuantiles de lluvia, basándose en los mismos umbrales de peligrosidad del

artículo 8 del Real Decreto 903/2010, donde se fija, que los mapas de riesgo ante inundaciones

deben considerar:

Probabilidad Alta: no se establece periodo de retorno, pero la Dirección General del

Agua aplicó el T10 años opcional, en la “Propuesta de Mínimos para la Metodología de

Realización de Mapas de Riesgo de Inundación” (Dirección General del Agua,

documento de trabajo no publicado).

Probabilidad Media: T100 años obligatorio.

Probabilidad Baja: T500 años obligatorio.


10

También se optó por incluir el T50 para realizar un análisis de sensibilidad de distintos valores,

siendo éste intermedio entre el T10 y T100; dado que este periodo es muy frecuente en los

estudios técnicos relacionados con los riesgos y la protección civil.

Seguidamente y tomando como referencia la publicación “Máximas Lluvias Diarias en la

España Peninsular” (Ministerio de Fomento, 1999) se empleó primero el programa

MAXPLUWIN para obtener los cuantiles de lluvia.

Se eligieron 7 puntos en la zona de cabecera de Portainé (Figura 3), 6 alrededor y 1 central y se

comprobó mediante el programa informático MAXPLUWIN si había diferencias significativas

entre ellos en los cuantiles de lluvia diaria.

Introduciendo las coordenadas de cada uno de estos puntos en la aplicación MAXPLUWIN para

cada uno de dichos periodos de retorno se obtiene la máxima precipitación diaria anual ( ,

símbolo utilizado en “Máximas Lluvias Diarias en la España Peninsular”), y el cuantil regional

(Yt), con los que se puede calcular fácilmente según dicha publicación, el cuantil local Xt

asociado a un periodo de retorno determinado.

Figura 3 Puntos utilizados para el cálculo de las precipitaciones máximas diarias en la cuenca de cabecera de Portainé.

También se utilizó el programa MAXIN, que permite obtener tanto la intensidad máxima anual

para un periodo de retorno, como la precipitación máxima diaria anual (PMDA) y la

precipitación máxima en 24 horas (PM24) para un periodo de retorno determinado (Salas, L. y

Carrero, L., 2006).


11

En ambos procedimientos se utiliza la función de distribución de frecuencias SQRT-ET máx,

para la estimación de los cuantiles.

2.3.2. DISTRIBUCIÓN TEMPORAL DE LAS LLUVIAS

Disponiendo ya de la precipitación máxima diaria con un periodo de retorno T, se debe de

calcular la intensidad de precipitación para un intervalo de tiempo equivalente al tc.

Para ello se decidió utilizar la nueva formulación replanteada por Salas (2005), y Salas y

Fernández (2006), debido a que utilizaron una red de estaciones pluviométricas más extensa

que en estudios previos de intensidades.

La formulación es la siguiente:

𝐼𝑡 = 𝐼24 ∗ (𝐼1

𝐼24)

24𝑎−𝑡𝑎

24𝑎−1∗ ℎ(𝑇)

Donde:

𝐼24 = intensidad media diaria = Pdiaria/24

𝐼1 = Intensidad media horaria

t = periodo de tiempo (horas) para el que se quiere evaluar la intensidad

𝐼𝑡 = Intensidad media en el periodo t

𝑇 = periodo de retorno al que se refiere la intensidad diaria I24

a = variable extraída del mapa nº2 (facilitada por MAXIN)

ℎ(𝑇)= función que se calcula con diferentes fórmulas dependiendo de la situación de nuestra

Zona; que en nuestro caso es:

t < 1 hora, punto situado en Zona 1 (mapa nº 3, facilitado por MAXIN)

ℎ(𝑇) = − 0,0004 ∗ (𝐿𝑛(𝑇))2 + 0,0092 ∗ 𝐿𝑛(𝑇) + 1,0044

Con esta formulación se generaron hietogramas, para representar la variación de la intensidad

de precipitación a lo largo de 24 horas, tomando como intervalo de tiempo 30 minutos. Se

generaron 3 hietogramas, para cada uno de los periodos de retorno principales considerados

(10, 100 y 500): centrado, sesgado al inicio del evento, y sesgado al final del evento.

La construcción de los centrados se basó en el método de Bloques Alternos (Chow et al., 1994)

mientras que en los sesgados tanto a la izquierda como a la derecha se basó en lo dispuesto

por Ferrer (1993).

Más adelante se debe comprobar cuál de los tres hietogramas representa mejor el tipo de

lluvias en la zona, para introducirlo en el modelo hidrológico, aunque no se dispone de datos

suficientes para elegirlo, por el escaso registro de eventos precedentes.


12

2.3.3. ESPECIFICACIONES DE CONTROL

Para la selección del intervalo de cálculo utilizado por el programa y el tiempo de duración del

funcionamiento del modelo, se tuvieron en cuenta las recomendaciones del manual de HEC-

HMS 4.0, donde muestra que para que el modelo sea estable, el tiempo de cálculo máximo

debe de ser al menos 0,29 * tlag de la cuenca más pequeña. Y para la determinación del

tiempo de funcionamiento del modelo, un tiempo suficiente para que los hidrogramas

generados hayan pasado completamente por los puntos de control objetivo de estudio.

2.4. MODELO HIDROLÓGICO

2.4.1. HIDROGRAMA UNITARIO

Para la transformación de la lluvia neta en escorrentía se eligió el método del Hidrograma

Unitario del SCS, y como flujo base, inexistente, ya que no hay ríos permanentes en la zona

sino barrancos torrenciales muy dependientes de las lluvias y deshielos de las montañas.

El Hidrograma Unitario (HU), es la respuesta de la cuenca en forma de escorrentía directa

generada por una precipitación neta unitaria (1 mm), y supone que la lluvia tiene una

distribución espacial y temporal homogénea en toda la superficie de la cuenca.

2.4.2. CIRCULACIÓN DE LA ONDA DE AVENIDA: MUSKINGUM

Una vez obtenidos los hidrogramas que se generan en las cuencas, se puede proceder a

determinar su circulación a través de los cauces.

El método elegido para este fin es el método de Muskingum, el cual modela el

almacenamiento volumétrico del flujo en un cauce mediante la suma del almacenamiento en

prisma y el almacenamiento en cuña (Chow, et al., 1994).

Figura 4 Almacenamiento en cuña y prisma en un tramo del cauce según el método de Muskingum. Fuente: Aparicio, 1999.

Este método se basa en dos componentes principales dependientes de las características

físicas de las zonas por donde circulan los hidrogramas: el parámetro x y el parámetro K.

El parámetro x depende del almacenamiento en cuña, es decir, de la pendiente de los tramos

de circulación, y tiene valores de 0 a 0,5; donde 0 equivaldría a la máxima atenuación posible,

y 0,5 a la mínima atenuación, como por ejemplo la circulación en tubería.


13

x = 0, para almacenamientos tipo embalse donde los hidrogramas tienen una gran atenuación.

Fundamentalmente en tramos con bajas pendientes.

x = 0,5, para almacenamientos mínimos, donde los hidrogramas se propagan casi sin

atenuación. Fundamentalmente en tramos con grandes pendientes.

El parámetro K corresponde al tiempo de tránsito de la onda de flujo a través del tramo del

cauce. Este valor se ha calculado teniéndose en cuenta la fórmula del National Weather

Service (Fread, D. y Lewis, J. 1998), por la ausencia de datos de hidrogramas reales de entrada

y salida de los tramos de circulación, para poder calibrar este valor.

𝐾 = 0,7 ∗ 𝑡𝑐

A partir de esta fórmula se debe repartir los valores de k, de los distintos tramos de circulación,

en función de su longitud y en función de su pendiente (Tabla 9).

Al tener 2 cauces principales (Portainé y Regerals), se calculan sus 𝑡𝑐 y se dividen entre

los subtramos de circulación.

Se reparte este tiempo homogéneo respecto a la longitud de cada subtramo, teniendo

la longitud en tanto por uno y mediante la fórmula 𝐾 = 𝑡𝑐 ∗

𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 (𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑜).

A continuación, se reparte el resultado teniendo en cuenta las pendientes de cada

subtramo. Teniendo en cuenta que en el cauce de Portaine hay pendientes de entre el

10 y 30% y en el cauce de Regerals entre el 20 y 40%, se reajustan los tiempos según

estas proporciones, con más k cuánto menos pendiente y más longitud y menos k con

mayores pendientes y menor longitud.

2.5. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS HIDROLÓGICOS

Se realizó un estudio de sensibilidad con el objetivo de identificar la influencia de los

parámetros del modelo en la estimación de hidrogramas de escorrentía superficial.

Los parámetros estudiados fueron los que mayor incertidumbre o error podían generar en

función de la elección de su método de cálculo, de los posibles errores que se podían cometer

en su obtención, y de los que más dependía el modelo para calcular los hidrogramas de salida,

como son: el número de curva, el tiempo de concentración y el valor K de Muskingum.

Se utilizó el hietograma T50 para realizar este análisis, puesto que así se sitúa en un margen

intermedio de probabilidad.

Se calcularon los caudales punta en la desembocadura de la cabecera de Portainé (final del

modelo), y se comprobó el rango de variación de resultados al valorar un aumento y una

disminución del 10% del valor de cada parámetro, comprobándose qué parámetro genera

mayor variación en el modelo.


14

Tabla 1 Variables utilizadas para en análisis de sensibilidad, y el rango de variación utilizado.

3. RESULTADOS

De acuerdo a la metodología aplicada en este trabajo (ver capítulo 2), los resultados se

presentan a continuación:

3.1. RESULTADOS DEL MODELO DE CUENCA

3.1.1. DELIMITACIÓN DE SUBCUENCAS

En la figura 5, se presentan las subcuencas delimitadas para las diferentes situaciones: actual y

1996/56, a escala 1:18.000.

Figura 5 Modelos de cuenca de la cabecera de Portainé, para las situaciones actual y 1996/1956

En las tablas 2 y 3 se muestran los parámetros morfométricos de cada subcuenca, de ambas

situaciones (actual, 1996/56).

Variable

Valor CN-10% CN CN+10% tc-10% tc tc+10% K -10% K K+10%

CN tc K


15

Situación actual:

Tabla 2 Parámetros morfométricos y tiempos característicos del modelo de cuenca actual.

Situación 1996/56:

Tabla 3 Parámetros morfométricos y tiempos característicos del modelo de cuenca 1996/56.

Los resultados de cada modelo permiten verificar la gran influencia que ejerce la construcción

de la balsa central, la cual, condiciona la forma y distribución de las subcuencas. Por ejemplo,

en el modelo de cuenca de 1996/56, la subcuenca 221 desaparece, y las de alrededor ocupan

su espacio, debido a los cambios del drenaje superficial inducido por las pistas de esquí.

También se observa diferencia en el recorrido del cauce más largo, que es más corto en el

modelo de 1996/56 que en el actual, debido igualmente, a la ausencia de la balsa.

112 0,55 0,28 1,57 1984 1281 704 0,45 0,49 29,50 17,70

117 0,55 0,17 1,02 1679 1281 399 0,39 0,36 21,81 13,09

123 0,53 0,39 1,85 2051 1454 597 0,32 0,59 35,60 21,36

128 0,47 0,18 1,39 1981 1453 528 0,38 0,46 27,88 16,73

139 0,55 0,48 2,14 2204 1386 818 0,38 0,64 38,54 23,12

143 0,41 0,42 1,70 2201 1721 479 0,28 0,57 34,30 20,58

158 0,35 0,18 1,22 2090 1721 368 0,30 0,44 26,20 15,72

161 0,33 0,27 1,14 2197 1949 248 0,22 0,44 26,66 16,00

169 0,29 0,50 1,23 2312 2057 254 0,21 0,48 28,53 17,12

215 0,33 0,19 1,31 2359 2051 308 0,23 0,49 29,17 17,50

216 0,36 0,20 1,20 2398 2127 270 0,23 0,46 27,41 16,45

221 0,23 0,04 0,51 2244 2142 103 0,20 0,25 14,71 8,83

238 0,35 0,27 1,33 2438 2166 272 0,20 0,51 30,33 18,20

243 0,35 0,17 0,86 2426 2195 232 0,27 0,34 20,55 12,33

255 0,35 0,37 1,32 2325 2011 314 0,24 0,49 29,11 17,47

256 0,34 0,12 0,84 2219 2050 169 0,20 0,36 21,32 12,79

Total 4,24 5,15 2438 1281 1157 0,23 1,38 83,02 49,81

SUBCUENCA CAUCE MÁS LARGO (Longest Flow Path)

Longitud

(km)

Cota Máx

(msnm)

Cota Mín

(msnm)

Pendiente

(m/m)Tc (min)

Tlag

(0,6*Tc) Nombre

Pendiente

(m/m)Área (km

2) Tc (horas)

Δ

Altura (m)

AC

TUA

L

112 0,56 0,37 1,58 2003 1286 718 0,45 0,49 29,66 17,79

117 0,54 0,18 0,98 1679 1285 394 0,40 0,35 20,98 12,59

123 0,49 0,44 1,85 2063 1466 597 0,32 0,59 35,64 21,39

128 0,46 0,15 1,23 1980 1466 514 0,42 0,41 24,84 14,90

139 0,53 0,36 1,73 2192 1478 714 0,41 0,54 32,23 19,34

143 0,43 0,35 1,47 2205 1709 497 0,34 0,49 29,66 17,80

158 0,37 0,26 1,74 2199 1710 489 0,28 0,58 34,83 20,90

161 0,32 0,25 1,00 2178 1965 213 0,21 0,40 24,20 14,52

169 0,29 0,51 1,29 2311 2055 256 0,20 0,50 29,72 17,83

215 0,32 0,30 1,39 2357 2040 317 0,23 0,51 30,63 18,38

216 0,34 0,13 0,89 2418 2207 212 0,24 0,36 21,63 12,98

238 0,32 0,31 1,17 2435 2157 278 0,24 0,45 26,71 16,03

243 0,35 0,13 0,74 2413 2210 203 0,27 0,30 18,29 10,97

255 0,36 0,29 1,19 2320 2012 308 0,26 0,44 26,49 15,89

256 0,30 0,24 1,07 2307 2075 232 0,22 0,42 25,27 15,16

Total 4,25 4,85 2438 1281 1157 0,24 1,31 78,40 47,04

Tc (horas) Tc (min)Tlag

(0,6*Tc)

SUBCUENCA CAUCE MÁS LARGO (Longest Flow Path)

NombrePendiente

(m/m)Área (km

2)

Longitud

(km)

Cota Máx

(msnm)

Cota Mín

(msnm)

Δ

Altura (m)

Pendiente

(m/m)

19

96

/56


16

En términos generales, los cambios no son muy significativos entre los modelos actual y

1996/56, exceptuando lo mencionado sobre la balsa; pero sí que se tienen que tener en

cuenta ya que en esta zona es donde se han producido los cambios antrópicos más

significativos.

3.1.2. ESQUEMA DE LOS MODELOS DE CUENCA PARA HEC-HMS

Con estos resultados anteriores, se crearon esquemas de modelos de cuencas para ambas

situaciones, en el programa HEC-HMS 4.0, como se observa en la figura 6; en donde se puede

observar cada subcuenca (subbasin), confluencia (junction) y tramos de cauce (reaches)

generados.

Figura 6 Modelos de cuenca para HEC-HMS de la cabecera de Portaine para las situaciones actual y 1996/1956.


17

3.2. RESULTADOS MODELO DE ESCORRENTÍA

Mediante SIG se generó un grid para cada variable necesaria, para generar el CN.

En la figura 7 se observa las formaciones superficiales principales de la cabecera de Portainé.

Figura 7 Evolución de las formaciones superficiales del suelo en la cabecera de Portainé en diferentes fechas. Fuente: mapa geológico 1:50000 delICGC y cartografía de formaciones superficiales facilitada por Ane Victoriano

(Victoriano et al., 2016).

Estas formaciones superficiales se clasificaron según la tabla 4, teniendo en cuenta su

capacidad de percolación y drenaje.


18

Tabla 4 Clasificación de las formaciones superficiales del suelo en los diferentes grupos texturales.

Obteniéndose los diferentes grupos hidrológicos de la cabecera de Portainé, como se observa

en la figura 8.

Suelos sobre la alternancia de cuarcitas y pizarras C

Suelos sobre depósitos coluviales BAcumulaciones superficiales de movimientos de tierra B

Afloramientos rocosos sobre coluviones B

Afloramientos rocosos sobre cuarcitas y pizarras D

Balsas de agua D

Escolleras DRellenos antrópicos B

Depósitos aluviales A

Canchales A

Terraplenes B

Cárcavas sobre cuarcitas DCárcavas sobre depósitos coluviales B

Pistas de esquí D

Clasificaciones Texturas del Suelo Clase Textural


19

Figura 8 Evolución de los grupos hidrológicos del suelo de la cabecera de Portainé en las situaciones actuales, 1996 y 1956.

Como puede apreciarse en la figura 8, las modificaciones de las formaciones superficiales no

son significativas, salvo en la cabecera de la cuenca, donde los movimientos del terreno

antrópicos asociados a la instalación de la estación de esquí y sus accesos, sí que modifican

amplias superficies.

Después, se clasificaron las pendientes en 2 grupos: pendientes hasta el 3%, y pendientes

mayores o iguales al 3%, como se ve en la figura 9.


20

Figura 9 Pendientes clasificadas de la cabecera de Portainé.

Se observa que al estar situada la zona en los Pirineos, la gran mayoría de las pendientes son

mayores al 3 %, característica importante a la hora de cruzar las variables para obtener el

número de curva.

Por último se obtuvieron los mapas de ocupación y usos del suelo, representados en la figura

10, en la que se observa principalmente una disminución en la cubierta de arbusto rododendro

desde 1956 hasta la actualidad y un aumento del porcentaje de terreno sin vegetación, todo

esto a raíz del desarrollo de actividades antrópicas en la zona, como es la estación de esquí de

Portainé.


21

Figura 10 Evolución de la ocupación y usos del suelo desde 1956 hasta la actualidad. Gráfico de porcentaje y tipo de suelo ocupado en cada uno de los años. Fuente: SIOSE e información de fotointerpretación proporcionada por

Gloria Furdada (Furdada et al., 2016).

Siguiendo la metodología explicada, en la tabla 5 se puede ver la reclasificación realizada entre

los usos del suelo de los diferentes años con los definidos en la Instrucción de drenaje 5.2 IC,

para poder asignar los valores del umbral de escorrentía (P0), pertenecientes a cada uso, y

poder calcular mediante la fórmula de equivalencia (Ferrer, 2003), el número de curva de cada

uso.


22

Tabla 5 Equivalencia usos del suelo y códigos SIOSE y Furdada et al. (2016), con umbrales de escorrentía y números de curva.

SIO

SE +

Fur

dada

et a

l. (2

016)

AB

CD

AB

CD

Arb

usto

rodo

dend

ro32

311

≥375

3422

1640

6070

76

Bals

a de

agu

a51

210

≥30

00

010

010

010

010

0

Bosq

ue c

on s

otob

osqu

e de

arb

usto

s

Bosq

ue c

on s

otob

osqu

e de

pra

do

Coní

fera

s

Fron

dosa

s ca

duci

folia

s31

100

≥390

4731

2336

5262

69

Prad

o23

100

≥370

3318

1342

6174

80

Prad

o co

n al

gún

árbo

l

Prad

o co

n al

gún

árbo

l y a

rbus

to

Past

izal

3211

1≥3

7033

1813

4261

7480

Sin

vege

taci

ón33

320

≥315

86

477

8689

93

SIO

SE +

Fur

dada

et a

l. (2

016)

AB

CD

AB

CD

Arb

usto

rodo

dend

ro32

311

≥375

3422

1640

6070

76

Bals

a de

agu

a51

210

≥30

00

010

010

010

010

0

Bosq

ue c

on s

otob

osqu

e de

arb

usto

s

Bosq

ue c

on s

otob

osqu

e de

pra

do

Coní

fera

s

Fron

dosa

s ca

duci

folia

s31

100

≥390

4731

2336

5262

69

Prad

o23

100

≥370

3318

1342

6174

80

Prad

o co

n al

gún

árbo

l

Prad

o co

n al

gún

árbo

l y a

rbus

to

Past

izal

3211

1≥3

7033

1813

4261

7480

Sin

vege

taci

ón33

320

≥315

86

477

8689

93

SIO

SE +

Fur

dada

et a

l. (2

016)

AB

CD

AB

CD

Arb

usto

rodo

dend

ro32

311

≥375

3422

1640

6070

76

Bosq

ue31

200

≥390

4731

2336

5262

69

Prad

o23

100

≥370

3318

1342

6174

80

Past

izal

3211

1≥3

7033

1813

4261

7480

Sin

vege

taci

ón33

320

≥315

86

477

8689

93

Actu

al -

Uso

s de

l Sue

loCó

digo

s In

stru

cció

n 5.

2 IC

Dre

naje

Car

rete

ras

P 0 -

UM

BRA

L D

E ES

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ENTÍ

ACN

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ÚM

ERO

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CURV

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Códi

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Gru

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elo

Gru

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elo

Gra

ndes

form

acio

nes

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ator

ral d

enso

o m

edio

dens

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Lago

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lagu

na

3120

0Bo

sque

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coní

fera

s≥3

2310

0Pr

ados

arb

olad

os≥3

7033

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izal

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enai

co y

oro

cant

ábri

co

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avas

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n pr

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sión

69

Fron

dosa

s

Prad

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pra

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s

1813

4731

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P 0 -

UM

BRA

L D

E ES

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ERO

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A

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oceá

nico

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co y

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6174

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Fron

dosa

s

1996

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sos

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5.2

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Códi

goU

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1956

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Prad

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Past

izal

es s

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fore

stal

es, t

empl

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oceá

nico

, pir

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oro

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co

P 0 -

UM

BRA

L D

E ES

CORR

ENTÍ

ACN

- N

ÚM

ERO

DE

CURV

A

Gru

po d

e su

elo


23

Con todas estas variables, y mediante las herramientas proporcionadas por la extensión Geo-

HMS de ArcGis 10.1, se han cruzado todas las variables obteniéndose una cobertura raster de

5x5 m del número de curva en la cabecera de la cuenca, y para cada situación estudiada

(Figura 11).

Figura 11 Evolución del Número de Curva en la cabecera de Portainé, en la situación actual, 1996 y 1956. Capas en formato raster de 5x5 m.

Como resultado se observa el aumento del CN en el sector de cabecera, donde se ha

producido la construcción y ampliación de las pistas de esquí, las cuáles favorecen la


24

escorrentía en toda esta zona. Estos resultados del CN por subcuencas vienen mostrados en la

tabla 6.

Tabla 6 Umbrales de escorrentía (P0) y Números de curva (CN) de cada subcuenca en las distintas situaciones estudiadas, y sus porcentajes de cambio entre 1956 y la actualidad.

Se observan las mayores diferencias en las cuencas 238, 243 y 256, con aumentos del 11, 9, y

12% respectivamente, correspondientes a las zonas donde se ha ampliado significativamente

la superficie de pistas de esquí.

3.3. RESULTADOS DEL MODELO METEOROLÓGICO

3.3.1. RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓN DE LOS CUANTILES DE LLUVIA

Los resultados del uso del programa MAXPLUWIN, para los 7 puntos elegidos para comprobar

las precipitaciones máximas diarias anuales (PMDA) para cada uno de los periodos de retorno

elegidos se muestran en la tabla A3.1 del Anexo 3.

Se observa que las diferencias no son significativas (menores del 10%), con lo que se optó por

elegir el punto situado en el centroide de la cuenca para la creación de cada uno de los

hietogramas para los periodos de retorno seleccionados.

Además se utilizó en programa MAXIN 2.0, para realizar la misma operación de elección del

punto de precipitación para estimar la PMDA.

Se eligió el punto, perteneciente al término municipal de Sort, más cercano a la cuenca de

Portainé, para hallar su PMDA para cada periodo de retorno, con el programa MAXIN 2.0

(Tabla 7). Como se verifica, los resultados no varían significativamente, con lo que se decidió a

utilizar los resultados proporcionados con MAXIN 2.0 (Salas y Carrero, 2008) que son más

precisos que los proporcionados por MAXPLUWIN.

112 37 58 38 57 37 58 0

117 46 52 47 52 47 52 0

123 34 60 32 61 34 60 0

128 36 59 35 59 37 58 1

139 34 60 32 61 32 61 -1

143 28 65 29 64 25 67 -3

158 21 71 24 68 24 68 4

161 19 73 20 72 24 68 7

169 24 68 24 68 22 70 -3

215 17 75 18 74 21 71 5

216 11 82 10 84 14 79 4

221 11 82 - - - - -

238 11 82 14 79 19 73 11

243 13 80 14 78 19 73 9

255 21 71 22 70 21 71 0

256 17 75 18 74 26 66 12

% Cambio

(Actual-1956)

1996 1956

Subcuenca P0 CN P0 CN P0 CN

Actualidad


25

Tabla 7 Resultados de PMDA obtenidos con MAXIN 2.0 para el punto más cercano a la cuenca de Portainé, situado en el término municipal de Sort.

3.3.2. RESULTADOS HIETOGRAMAS

En la figura 12 se muestran los hietogramas creados a partir de la nueva metodología de Salas

y Fernández (2006), a partir de la precipitación máxima diaria para los diferentes periodos de

retorno y siguiendo tres patrones (centrado, sesgado al inicio y sesgado al final del episodio).

3.3.3. ESPECIFICACIONES DE CONTROL

En las tablas 8 y 9 se observa que para poder cumplir la condición de 0,29 * 𝑡𝑙𝑎𝑔, el tiempo

mínimo de intervalo de resultados debe de ser de:

Modelo HMS actual: de 2 minutos, condicionado por la subcuenca 221 que pertenece

a la balsa de agua, y que nos da un resultado de 2,56 minutos.

Modelo HMS 1996/56: de 3 minutos condicionado por la subcuenca 243, con un valor

de 3,18 minutos.

h cortas h largas F

PMDA 59 1 2 0,13

K 6

a 0,175

CV 0,37

2 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años 200 años 500 años

PMDA (T) 54,1 72,69 86,2 104,9 119,3 134,58 151,69 174,23

PM24 (T) 61,13 82,14 97,41 118,54 134,81 152,08 171,41 196,88

Valores de PMDA(T) y PM24(T) en mm

ZONAS h(T)

DATOS

PERIODO DE RETORNO

112 17,70 5,13

117 13,09 3,79

123 21,36 6,19

128 16,73 4,85

139 23,12 6,71

143 20,58 5,97

158 15,72 4,56

161 16,00 4,64

169 17,12 4,96

215 17,50 5,08

216 16,45 4,77

221 8,83 2,56

238 18,20 5,28

243 12,33 3,58

255 17,47 5,07

256 12,79 3,71

Subcuenca

AC

TU

AL

tlag (0,6*tc)

(min)

0,29*tlag

(min)

112 17,79 5,16

117 12,59 3,65

123 21,39 6,20

128 14,90 4,32

139 19,34 5,61

143 17,80 5,16

158 20,90 6,06

161 14,52 4,21

169 17,83 5,17

215 18,38 5,33

216 12,98 3,76

238 16,03 4,65

243 10,97 3,18

255 15,89 4,61

256 15,16 4,40

0,29*tlag

(min)Subcuenca

19

96

/56

tlag (0,6*tc)

(min)

Tabla 9 Valores de 0,29*tlag de cada subcuenca para el modelo HMS actual, para introducir el intervalo de tiempo de cálculo de los resultados.

Tabla 8 Valores de 0,29*tlag de cada subcuenca para el modelo HMS 1996/56, para introducir el intervalo de tiempo de cálculo de los resultados.

26

Figura 12 Hietogramas generados a partir de la nueva metodología de Salas y Fernández, (2006).

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

036912

15

18

21

24

27

30

33

3090

150210270330390450510570630690750810870930990

1050111011701230129013501410

Precipitación (mm)

Tie

mp

o (

min

uto

s)

Cen

trad

oSe

sgad

o a

la iz

qu

ierd

aSe

sgad

o a

la d

erec

ha

T10

T50

T100

T500

T10

T50

T5

00

T10

0


27

3.4. RESULTADOS DEL MODELO HIDROLÓGICO

3.4.1. HIDROGRAMAS RESULTANTES

Se ejecutó el programa HEC-HMS con los hietogramas centrado, sesgado a la izquierda y

sesgado a la derecha, para los distintos periodos de retorno, en el modelo de cuenca actual. Se

eligieron como puntos de control los Junction 3, donde se han producido la mayoría de

cambios del suelo, y el Junction 6 o “Desembocadura”. En la figura 13 se observan los

resultados en los puntos de control para los hietogramas centrados; el resto de salidas gráficas

del software HEC-HMS se pueden encontrar en el Anexo 4.

Figura 13 Hidrogramas generados en los puntos de control Junction-3 y Junction-6 o "Desembocadura”, producidos a partir de los hietogramas centrados para diferentes precipitaciones de periodo de retorno de 10

años (arriba), de 100 años (fila central), y 500 años (abajo).


28

En la tabla 10, se muestra el resumen de los resultados en los puntos de control para la

elección de los hietogramas.

Tabla 10 Resultados de la utilización de los diferentes hietogramas en los puntos de control J6 y J3, para el modelo de cuenca actual. Donde: Qp = Caudal punta; tp = tiempo transcurrido hasta la punta del hidrograma; Δ

de Qp = diferencia de caudales punta en porcentaje.

Considerándose los resultados, se decidió utilizar los hietogramas centrados para nuestro

modelo hidrológico, puesto que: A) Los hietogramas sesgados a la derecha, producen

hidrogramas con caudales demasiado grandes debido a que el suelo está saturado, con baja

capacidad de infiltración; B) Los segados a la izquierda, producen hidrogramas con volúmenes

reducidos debido a la alta capacidad de drenaje del suelo, antes de saturarse.

3.4.2. RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE PARÁMETROS

HIDROLÓGICOS

La tabla 11 recoge los porcentajes resultantes de los diferentes cálculos variando los

parámetros analizados para ver su sensibilidad en los resultados.

Tabla 11 Resultados del análisis de sensibilidad de las variables CN, tc, y K de Muskingum.

T Modelo hietograma Qp (m3/s) tp (hh:mm) Δ de Qp (%) T Modelo hietograma Qp (m

3/s) tp (hh:mm) Δ de Qp (%)

Sesgado izquierda 2,2 2:22 48% Sesgado izquierda 2,8 2:48 35%

Centrado 4,6 12:18 100% Centrado 8,1 12:40 100%

Sesgado derecha 6,3 22:46 136% Sesgado derecha 12,8 23:04 158%


Centrado 10 12:16 100% Centrado 20,5 12:36 100%

Sesgado derecha 12 22:44 120% Sesgado derecha 27,4 23:02 134%


Centrado 14,7 12:16 100% Centrado 32,4 12:34 100%

Sesgado derecha 16,9 22:44 115% Sesgado derecha 40,4 23:00 125%

500

100

Hidrogramas "Cambios Usos del suelo significativos" (Junction 3) Hidrogramas "Desembocadura" (Junction 6)

10

100

500

10

VariableModelo

hietograma

Qp (m3/s)

desembocadura% CAMBIO

CN-10% 11.3

Centrado 16

CN+10% 21.8

tc-10% 16.7

Centrado 16.4

tc+10% 16.2

K-10% 16.6

Centrado 16.4

K+10% 16.3

Junction-6, "Desembocadura"

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD, T50 centrado

CN

tc

K 2%

3%

48%


29

Se observa que el CN es mucho más sensible que el resto de variables consideradas. Tiene un

cambio del 48% entre el valor aumentado y reducido un 10%; mientras que la siguiente

variable más sensible, es el tc con una variación del 3%, muy alejada del cambio producido en

el CN.

Se puede ver más claramente en la figura 14 estas diferencias.

Esto significa que pequeñas variaciones en el CN, producen mayores cambios en los caudales

punta que las variaciones en el resto de variables.

A la vista de este resultado, se revisó con mucho detalle el procedimiento de asignación de

número de curva a cada uno de los usos de suelo. No se apreciaron errores respecto a los

criterios formulados, aunque sí persisten incertidumbres inherentes al propio método y a las

fuentes de información.

Figura 14 Resultados análisis de sensibilidad para las variables CN, tc, y K.


30

3.4.3. RESULTADOS DE LOS PARÁMETROS DE PROPAGACIÓN DE MUSKINGUM

Los resultados de los valores de K, y x de Muskingum se muestran en la tabla 12. Se puede

observar que mientras que hay una ligera variación entre los valores de K, entre los modelos

actuales y 1996/56, aunque no significativa, en los valores de x se ha optado por establecer un

valor fijo de 0,35, debido a las altas pendientes que hay en la zona de estudio, y puesto que la

atenuación de la onda de avenida en estas zonas de alta montaña es mínima.

Tabla 12 Resultados de los valores de x y K del mètodo de propagación de la onda de avenida Muskingum. Dónde: Cn son los distintos tramos de propagación (reaches) en cada subcuenca.

Una vez corrido el modelo se observaron algunos “Avisos” (Warnings) en tramos de circulación

que se deben de considerar:

Modelo HMS Actual: AVISO 41169, en el que se detecta una inestabilidad en el Reach-

6

Modelo HMS 1996: AVISO 41169 y 41160. Se detectan inestabilidades en los tramos de

circulación 3, 6, 7, 8, 9. Y se encuentran valores negativos acumulados en Muskingum

equivalentes a -0,0001 en C3, y -0 en C9

Modelo HMS 1956: AVISO 41169 y 41160. Se detectan inestabilidades en los tramos de

circulación 6, 7, 8, 9. Y se encuentran valores negativos acumulados en Muskingum

equivalentes a -0 en C8, y -0 en C9.

Todos estos avisos que considera el programa, se intentaron atenuar aumentando el número

de subreaches, en aquellos tramos de circulación con inestabilidades, hasta un máximo de 4.

Aun así se siguieron produciendo.

Esto se deben fundamentalmente a los valores de x asignados, los cuales son bastante altos;

pero se decidió asignarlos debido a las altas pendientes presentes en la zona, y que la

atenuación de los hidrogramas es mínima.

Los rangos de errores son tan poco significativos en todos los subreaches que se tomaron

como buenos los valores y resultados de la propagación en los tramos de circulación.


31

3.4.4. VARIACIONES EN LOS CAUDALES ENTRE DIFERENTES SITUACIONES

TEMPORALES

Para realizar la modelización hidrológica, se consideraron los siguientes puntos de control

(Figura 15):

Junction 3: cabecera de Portainé donde se han producido cambios significativos en los

usos del suelo.

Junction 5: en Portainé, justo antes de la unión con Regerals.

Junction 8: en Regerals, punto equivalente al Junction 5.

Junction 7: en Regerals.

Junction 6: Unión de Portainé con Regerals.

Figura 15 Localización de los puntos de control utilizados en los modelos.

Los resultados hidrológicos se muestran en la figura 16, donde se reflejan los Qp, el tiempo

hasta la punta del hidrograma (tp), el volumen del hidrograma, y el porcentaje de cambio entre

la situación de 1956 y la actual; para los distintos periodos de retorno y las distintas

situaciones.

32

TSi

tuac

ión

Mo

de

lo

hie

togr

ama

Qp

(m3 /s

)tp

(h

h:m

m)

Vo

l

Hid

rogr

ama

(mm

)

% C

amb

io

de

Qp

Act

ual

1,9

12:2

622

,28

1996

1,8

12:2

721

,49

1956

2,1

12:2

723

,88

Act

ual

5,2

12:2

055

,66

1996

5,1

12:2

154

,39

1956

5,6

12:2

158

,31

Act

ual

8,5

12:1

888

,51

1996

8,4

12:2

186

,91

1956

8,9

12:1

891

,84

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ntr

ado

Ce

ntr

ado

Ce

ntr

ado

Jun

ctio

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10 100

500

-11 7 4

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hie

togr

ama

Qp

(m3 /s

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h:m

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l

Hid

rogr

ama

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)

% C

amb

io

de

Qp

Act

ual

2,2

12:3

419

,64

1996

2,1

12:3

319

,83

1956

2,4

12:3

021

,64

Act

ual

6,7

12:2

651

,12

1996

6,3

12:2

451

,53

1956

6,7

12:2

454

,51

Act

ual

11,2

12:2

482

,67

1996

10,5

12:2

183

,25

1956

1112

:21

86,9

8

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ado

0 2

10 100

500

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-9

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Re

gera

ls"

TSi

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ión

Mo

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hie

togr

ama

Qp

(m3 /s

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(h

h:m

m)

Vo

l

Hid

rogr

ama

(mm

)

% C

amb

io

de

Qp

Act

ual

4,6

12:1

837

,27

1996

4,44

12:1

534

,55

1956

3,4

12:1

828

,16

Act

ual

1012

:16

78,0

8

1996

9,9

12:1

574

,27

1956

8,5

12:1

564

,86

Act

ual

14,7

12:1

611

5,47

1996

14,8

12:1

511

1,03

1956

13,2

12:1

599

,8

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ado

Ce

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ado

101526

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Qp (

m3/s

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m)

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l

Hid

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ama

(mm

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% C

amb

io

de

Qp

Act

ual

5,6

12:3

630

,18

1996

5,4

12:3

328

,52

1956

4,3

12:3

623

,62

Act

ual

12,9

12:3

467

,02

1996

12,8

12:3

064

,74

1956

11,1

12:3

057

,37

Act

ual

19,5

12:3

210

1,87

1996

19,5

12:3

099

,26

1956

17,7

12:3

090

,36

914

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500

23

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% C

amb

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de

Qp

Act

ual

8,1

12:4

024

,06

1996

7,8

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923

,03

1956

6,9

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,17

Act

ual

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12:3

857

,45

1996

20,3

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,98

1956

19,1

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353

,3

Act

ual

32,4

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,1

1996

32,3

12:3

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,36

1956

3112

:33

85,2

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ado

Jun

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DES

EMB

OC

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UR

A"

10 100

500

Figura 16 Resultados comparados entre las distintas situaciones estudiadas en los puntos de control seleccionados.


33

4. DISCUSIÓN

4.1. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

Como se ha podido observar en los resultados de las simulaciones, los cambios que se

producen entre la situación de 1956, y la situación actual, son mucho más pronunciados en el

barranco de Portainé que en Regerals. Fundamentalmente debido a que los cambios

producidos, en las instalaciones de la estación de esquí, han sido mayores en Portainé, como

se ve en la evolución de la ocupación del suelo de la figura 10.

Hay diferencias significativas en los Qp en la desembocadura, las cuáles van disminuyendo con

periodos de retorno mayores (tabla 13).

Tabla 13 Resumen de los porcentajes de cambio de Qp producidos entre la situación de 1956 y la actual, para distintos periodos de retorno.

En general se detectan mayores diferencias en el T10, debido sobre todo a la influencia que

tiene la cobertura del suelo (y por lo tanto el CN) en periodos de retorno bajos, con

magnitudes de lluvia también bajos.

Mientras que para los T100 y T500 las diferencias se atenúan, debido a que la respuesta

hidrológica a las grandes magnitudes de precipitaciones no están tan influenciadas por las

coberturas, ya que superan ampliamente el umbral de escorrentía, sea cual fuere (tabla 5).

El punto de control J3, es el que más ha visto aumentado su Qp con un 26%, respecto a la T10,

coincidiendo con el mayor aumento en la superficie de pistas de esquí en los últimos años.

Mientras que en Regerals en el punto J8 se observa una reducción de hasta un 11%, pudiendo

ser debida a un aumento de la cobertura de bosque. Pero en términos generales se observa un

aumento del Qp en el punto J6 ó “Desembocadura” de un 15%, siempre teniendo en cuenta el

periodo de retorno de 10 años, que ha mostrado mayor influencia por las variaciones en los

usos y ocupación del suelo.

4.1.1. Comparación de los Qp en distintos años y T

En la figura 17, se muestran las diferencias entre los distintos Qp, a la salida de la cabecera de

Portainé (Junction 6), de los periodos de retorno estudiados. Como se puede observar, para

una frecuencia o período de retorno dado, el caudal correspondiente para la situación actual

es siempre mayor que el de 1956. Dicho de otro modo, dado un caudal, su período de retorno

es menor (frecuencia es mayor) para la situación actual.

T10 T100 T500

J3 26% 15% 10%

J5 25% 14% 9%

J7 -9% 7% 4%

J8 -11% 0% 2%

15% 7% 4%

Regerals

Portainé

J6 "Desembocadura"


34

En conclusión esta figura muestra el aumento de la frecuencia y de las magnitudes de los Qp

para los mismos periodos de retorno de las situaciones pasadas.

Figura 17 Variaciones de los caudales punta de los diferentes T para las situaciones actual, 1996, y 1956.

4.1.2. Comparación con otros resultados

Se compararon los resultados obtenidos en el presente trabajo con otros estudios realizados

en la zona (Rodríguez, 2016), y con el programa CAUMAX (versión marzo 2013; CEDEX, 2013).

Se encuentra en realización otro trabajo fin de máster en la zona de Portainé a cargo de Eva

Rodríguez Rodríguez, donde se han obtenido caudales punta pero para la zona del barranco de

Portainé hasta su confluencia con el río Romadriú (Santa Magdalena), cuyos resultados vienen

mostrados en la tabla 14 bloque A.

Se observaron diferencias entre los caudales calculados por Rodríguez (2016), y los mismos en

este trabajo, las cuales son debidas principalmente a la diferencia en los modelos utilizados

(cuenca, meteorológicos), y también a los diferentes métodos usados.

El programa CAUMAX, desarrollado por el Centro de Estudios Hidrográficos (CEH) del CEDEX,

nos permite obtener los caudales máximos para distintos periodos de retorno, para superficies

mayores de 50 km2 por interpolación de análisis estadísticos de aforos, y para superficies

menores, pero hasta 10 km2 mediante el método racional.

Debido a que la superficie de la cabecera de Portainé estudiada tiene 4,24 km2 (Tabla 2), se

optó por calcular los caudales máximos de una cuenca equivalente al barranco de Portainé

donde los resultados puedan ser comparables, por lo menos en orden de magnitud. Se eligió el

barranco de Santa Ana, con una superficie de cuenca de 11,5 km2, situado cerca de la zona de

estudio y perteneciente al municipio de Sort (Figura 18).

Fijándose en el mapa de isolíneas de precipitaciones medias máximas anuales (Figura 18),

facilitado en la publicación del Ministerio de Fomento “Máximas lluvias diarias en la España

Peninsular” (Ministerio de Fomento, 1999), se verifica la similitud de estos dos barrancos; con


35

lo que se calcularon mediante CAUMAX, los caudales máximos para este barranco para los

T10, T50, T100 y T500 (Tabla 14, B).

Figura 18 A) Situación del barranco de Santa Ana, en el municipio de Sort. Salida gráfica del programa CAUMAX. B) Mapa de isolíneas de precipitaciones medias anuales de la publicación “Máximas lluvias diarias en la España Peninsular” (Ministerio de Fomento, 1999). Zoom de la zona de estudio.

Tabla 14 A) Resultados de los caudales máximos para diferentes periodos de retorno calculados en la cuenca de Portainé por Rodríguez (2016). B) Resultados de los caudales máximos para diferentes periodos de retorno calculados en el barranco de St. Ana por CAUMAX. C) Resultados de los caudales máximos calculados en la

cabecera de Portainé mediante HEC-HMS.

Para poder comparar los caudales de Santa Ana y Portainé, se obtuvo el caudal específico, el

cual, es un caudal por unidad de superficie, de cada zona estudiada representado como:

𝑄𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 = 𝑄𝑚á𝑥

𝐴⁄

A) T10 T50 T100 T500

Qmáx (m3/s) - 25 30 44

A (km2) 5,73

B) T10 T50 T100 T500

Qmáx (m3/s) 20 41 53 88

A (km2) 11,5

C) T10 T50 T100 T500

Qmáx (m3/s) 8 - 20,5 32

A (km2) 4,24

Resultados cabecera de Portainé

(Junction 6 "Desembocadura" para HMS)

Resultados CAUMAX

Resultados cuenca de Portainé (Método Racional)

A)

B)

Barranco de Portainé

Barranco de Santa Ana


36

Donde:

𝑄𝑚á𝑥 = Caudales máximos (m3/s).

A = Superficie de cada cuenca donde se han obtenido los caudales máximos.

Por último, se compararon los caudales específicos (Tabla 15), observando la validez de los

resultados obtenidos en el mismo orden de magnitud y con variaciones muy pequeñas, entre

los diferentes estudios. A su vez, se quiere destacar la dificultad a la hora de estudiar cuencas

tan pequeñas, ya que programas tan utilizados como CAUMAX, no nos permite obtener

resultados para cuencas menores a 10 km2, teniendo que realizar aproximaciones como la

expuesta en este apartado, con lo que se precisan análisis de esta índole para poder estudiar

problemáticas muy localizadas, como la de Portainé.

Tabla 15 Resultados comparados de los caudales específicos de los diferentes estudios.

4.2. LIMITACIONES DE LAS FUENTES DE DATOS

Las limitaciones que se han encontrado respecto a los datos utilizados, han sido variadas:

problemas con los MDT LiDAR (carreteras, balsas, pistas, drenajes), cartografías antiguas y falta

de datos de precipitaciones de la zona de estudio.

Las fuentes de datos como los MDT proporcionados por los vuelos LiDAR, dan un grado de

precisión de hasta 2x2 m. Es cierto que cuanta mayor precisión, más exacto serán los

resultados con respecto a la realidad, pero también es cierto que a la hora de delimitar una

cuenca hidrográfica, y en este caso, tan pequeña y en áreas de montaña, se encontraron

problemas como la desviación de cauces por pistas de tierra que modificaban el terreno, o la

presencia de puentes, por los que circula la carretera que para los software utilizados eran

grandes obstáculos a la hora de simular la circulación del agua.

Los vuelos antiguos de precisiones de 5x5 m, evitaban estos obstáculos ya que al tener

menores precisiones, estos pequeños cambios quedaban enmascarados, pero también se

alejaban de la realidad de la presencia de drenajes más pequeños que artificialmente

cambiaban la estructura de la cuenca. Y en este caso y con cuencas tan pequeñas es mucho

mejor la utilización de resoluciones mayores.

También hay que destacar los problemas y dificultades que pueden surgir a la hora de

comparar cartografías antiguas, como el mapa topográfico 1:5000 del IGCC, utilizado para

crear un MDT de resolución 5x5m, que representara la situación de 1996 y 1956, con las

cartografías actuales LiDAR de resoluciones de hasta 2x2 m.

Del mismo modo, hubo dificultades a la hora de representar las precipitaciones características

de la zona por la falta de datos representativos. Se dispone de una estación meteorológica

Localización Autor Método T10 T50 T100 T500

Cuenca de Portainé Rodriguez, 2016 Racional - 4,3 5,2 7,7

Bco. St. Ana CAUMAX Racional 1,7 3,6 4,6 7,7

Cabecera de Portainé De las Heras, 2016 SCS 1,9 - 4,8 7,6

Caudales específicos comparados (m3/s/km2)


37

situada en la cuenca de Portainé, pero con una serie de datos inferiores a 30 años, con lo que

no se puede utilizar para generar el modelo meteorológico. En consecuencia, se utilizó el

software MAXIN 2.0 que nos proporciona una aproximación de las precipitaciones en la zona,

aunque nunca se puede comparar a tener una serie representativa de las precipitaciones, ya

que en estos lugares de montaña, la orografía del terreno tiene un efecto muy significativo en

las precipitaciones.

Igualmente ocurre con la forma del hietograma, que se eligió utilizar el centrado, debido a que

no sabemos la forma en la que se producen las precipitaciones intensas habitualmente, por

falta de registro de episodios previos y así no exageramos los hietogramas resultantes tanto

por exceso como por defecto, falseando las precipitaciones correspondientes a los diferentes

periodos de retorno.

4.3. LIMITACIONES DE LOS MÉTODOS

Por otra parte, también se quiere remarcar las limitaciones a la hora de utilizar el método del

Número de Curva del S.C.S., el cual se basa en la utilización del número adimensional CN para

establecer áreas de más o menos infiltración y abstracciones iniciales.

Para el cálculo de los diferentes valores de CN para las subcuencas obtenidas se utilizaron los

datos de ocupación y usos del suelo proporcionados por el SIOSE, a partir de los cuáles se

obtuvo el umbral de escorrentía (Ministerio de Fomento, 2016), teniéndose que aproximar

diferentes zonas del terreno como pistas de esquí, o drenajes a usos del suelo ya establecidos

para después calcular los valores del CN. Esto supone una aproximación de compromiso, ya

que no se pudo medir realmente los valores de percolación de estos usos tan específicos.

También se comprobó mediante el análisis de sensibilidad, la enorme influencia en los

modelos a los pequeños cambios en el CN, pudiendo provocar un cambio del 10% en los

valores del CN, de hasta un 50% de variación en los caudales punta, lo que da una especial

importancia a los datos e interpretaciones utilizadas a la hora de la realización de este tipo de

estudios.

Además otro aumento de la incertidumbre en los valores obtenidos se produce con la

homogeneización de los valores del CN para cada subcuenca; el cuál asume que toda el área

de cada subcuenca tiene el mismo valor de escorrentía, que es una media de los valores de los

distintos usos contenidos en las subcuencas. Esto podría haberse resuelto mediante la

utilización de un modelo distribuido, pero no se aplicó debido a la gran cantidad de variables

que se tiene que aportar al modelo, y como se ha demostrado, la falta de información y datos

con la que se ha tenido que lidiar.

Por último, comentar que en la utilización del método de Muskingum, para la propagación de

la onda de avenida, al estudiar una zona tan pequeña en detalle, generando subcuencas de un

área tan reducida, los tramos de propagación resultantes eran tan minúsculos que las

inecuaciones no son estables. Principalmente debido a los valores del parámetro “x”, los

cuáles se decidió asignar el máximo posible, debido a la presencia general de altas pendientes

en la zona, donde la atenuación de los hidrogramas es mínima. Teniendo esto en cuenta se

optó por asignar a “x” un valor de 0,35, basándose en las recomendaciones propuestas en la


38

mayoría de manuales donde se indica que los valores de “x” oscilan habitualmente entre 0,1 -

0,3, y que a valores más altos las inestabilidades son mayores. Finalmente y con estos valores,

las inestabilidades permanecían, pero con valores de volúmenes acumulados de -0 ó -0,0001

m3. Comprobando igualmente los hidrogramas, se dedujo que las inestabilidades eran poco

significativas, y se debían fundamentalmente al pequeño recorrido del tramo de circulación.

4.4. INTERPRETACIÓN Y RECOMENDACIONES TÉCNICAS

Analizados los resultados y problemática de la zona, se recomienda:

Completar y continuar los estudios:

Mediante la instalación de estaciones meteorológicas y mantenimiento de las estaciones ya

presentes para poder obtener una serie representativa de las precipitaciones en la zona.

También se aconseja la instalación de instrumental hidrológico (aforos) y la correlación con

modelos hidráulicos, para poder estudiar si hubo un efecto umbral que desencadenó la

inestabilización del barranco y el aumento de la frecuencia de los debris.

Compensar y corregir las variaciones antrópicas en la respuesta hidrológica:

a) Medidas naturales de retención de agua en el territorio, como por ejemplo favorecer el

desarrollo del rododendro, revegetando con pastizal bien desarrollado o la

descompactación de los suelos (caminos, pistas, terraplenes…).

b) Medidas estructurales, como la construcción de tanques de tormenta, balsas de

laminación o sistemas de drenajes, que no concentren el agua en unos pocos sino que la

distribuyan, o incluso evacuando el agua a otros barrancos, disipando el efecto de creación

de cárcavas en este lugar en concreto.


39

5. CONCLUSIONES

Las modificaciones antrópicas en los usos y ocupación del suelo en la cabecera del

barranco de Portainé a lo largo de las últimas décadas han modificado su respuesta

hidrológica.

No se han producido cambios significativos entre los modelos de cuenca actuales y los

de las situaciones pasadas, a excepción de la construcción de una balsa central en

2010, que modifica levemente la disposición del flujo de agua en sus proximidades.

Se han producidos cambios significativos en los números de curva entre las situaciones

de 1956 y la actual, fundamentalmente en la zona donde se ha instalado la estación de

esquí, con aumentos de entre el 9 y el 12% entre las dos situaciones, mientras que en

el resto de la cabecera no ha habido cambios relevantes.

Se ha comprobado mediante un estudio de sensibilidad la importancia de los valores

del CN en la zona, ya que pequeños cambios del 10% de estos valores, pueden

provocar aumentos del 30% en los caudales punta.

La variación de caudales punta generados en eventos extremos puede alcanzar hasta

un 26% más de caudal entre la situación de 1956 y la actual, para la cabecera y periodo

de retorno de 10 años; y hasta un 15% más de caudal para la confluencia con el

barranco de Reguerals.

Estas modificaciones hídricas han podido contribuir significativamente al

desencadenamiento de fenómenos torrenciales y de movilización de carga sólida por

desestabilización de los cauces y sus márgenes en la última década.

Se ha demostrado el efecto significativo que han tenido los cambios en los usos y

ocupación del suelo acaecidos en la cabecera de Portainé en las últimas décadas, como

consecuencia de la construcción de la estación de esquí y la reducción de cobertura de

arbusto rododendro, capaces de retener mayor cantidad de agua de precipitación, y el

aumento de la superficie desnuda, con menor capacidad de retener agua, haciendo

que haya mayor escorrentía y esta se concentre en los canales de desagües,

pudiéndose explicar la problemática de arrastre de materiales, erosión y desperfectos

provocados en la estación de esquí y en las carreteras de acceso a esta.

Para la prevención de riesgos y minimización de los daños se propone un doble

paquete de actuaciones, que van desde la compensación o corrección de la respuesta

hidrológica con medidas naturales de retención de agua en el territorio; hasta la

adopción de actuaciones estructurales puntuales de corrección del drenaje y

laminación de puntas, previo estudio coste-beneficio.


40

6. BIBLIOGRAFÍA

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Anexo 1. Reportaje fotográfico de la situación en la cabecera de Portainé

(Lleida, España)


Fotografía 2 Vista de un canal instalado en una pista de esquí de la estación de Port Ainè.

Fotografía 3 Vista de un canal desde cerca en una pista de esquí de la estación de Port Ainè.


Fotografía 4 Inicio de erosión en un canal de la estación de esquí.

Fotografía 5 Erosisión cada vez más evidente en el mismo canal.


Fotografía 6 Gran erosión producida al juntarse el canal con otro principal que recoge las aguas de las pistas de esquí.

Fotografía 7 Erosión producida en la cabecera de la cuenca de estudio.


Fotografía 8 Canal revestido para protegerlo de la erosión.

Fotografía 9 Erosión producida tras el canal revestido.


Fotografía 10 Vista de la superficie del suelo ocupada por arbustos Rododendro.

Fotografía 11 Vista de arbustos rododendro presentes en la zona.


Fotografía 12 Vista de la superficie de las pistas de esquí.

Fotografía 13 vista de las pistas de esquí y de las manchas de rododendro de la zona de cabecera.


Fotografía 14 Vista de las escolleras y desagües instalados en los barrancos bajo las carrteras de acceso a la estación de esquí.

Fotografía 15 Vista de los desperfectos y erosión producida aguas abajo de las carreteras, en el barranco de Portainé.


Fotografía 16 Vista de las mallas instaladas en el barranco de Portainé como medida de mitigación de la erosión.

Fotografía 17 Vista de una malla instalada en el barranco de Portainé.


Fotografía 18 Vista de una malla instalada en el barranco de Reguerals.

Fotografía 19 Vista del barranco de Reguerals y la erosión que se está produciendo.


Fotografía 20 Vista de la carretera que cruza el barranco de Reguerals.


Anexo 2. Resultados modelos de cuenca


Figura A2.1 Modelo de cuenca de la cabecera de Portainé para la situación actual.


Figura A2.2 Modelo de cuenca de la cabecera de Portainé para la situación 1996/1956.


Figura A2.3 Modelo HMS de la cabecera de Portainé para la situación actual.


Figura A2.4 Modelo HMS de la cabecera de Portainé para la situacion 1996/1956.


Anexo 3. Resultados modelo meteorológico


A. Hietogramas sesgados a la izquierda:

Figura A3.1 Hietogramas sesgados a la izquierda obtenidos a partir de la metodología de Salas, L. y Fernández, J.A. (2006).


B. Hietogramas centrados:

Figura A3.2 Hietogramas centrados obtenidos a partir de la metodología de Salas, L. y Fernández, J.A. (2006).


C. Hietogramas sesgados a la derecha:

Figura A3.3 Hietogramas sesgados a la derecha obtenidos a partir de la metodología de Salas, L. y Fernández, J.A. (2006).


Tabla A3.1 Resultados de PMDA obtenidos con MAXPLUWIN para distintos puntos alrededor de la cabecera de Portainé.

X Y

10 58 0,374 85

50 58 0,374 118

100 58 0,374 133

500 58 0,374 172

10 57 0,374 83

50 57 0,374 116

100 57 0,374 131

500 57 0,374 169

10 59 0,374 86

50 59 0,374 120

100 59 0,374 136

500 59 0,374 175

10 59 0,374 86

50 59 0,374 120

100 59 0,374 136

500 59 0,374 175

10 58 0,374 85

50 58 0,374 118

100 58 0,374 133

500 58 0,374 172

10 59 0,374 86

50 59 0,374 120

100 59 0,374 136

500 59 0,374 175

10 58 0,374 85

50 58 0,374 118

100 58 0,374 133

500 58 0,374 172

Pmedia: Max precipitacion diaria anual media

Cv: Coeficiente de variación

T: Periodo de retorno

Pt: Máx precipitación diaria anual para ese periodo de retorno

Punto elegido

Pmedia

(mm/dia)

Pt

(mm/dia)CV

Puntos precipitación

(Cuenca Cabecera)

Coordenadas UTM (ETRS89)T

Punto 7

Punto 6

Punto 5

Punto 4

Punto 3

Punto 2

Punto 1 (Centroide

cabecera)

352176 4697129

354001 4697327

354213

353591 4700343

353140 4698619

4698981

352149 4698623

352255 4700264


Anexo 4. Resultados hidrológicos


Hidrogramas resultantes:

Figura A4.1 Hidrogramas generados en los puntos de control Juntion-3 y Juntion-6 o "Desembocadura", producidos por los hietogramas sesgados a la izquierda.


Figura A4.2 Hidrogramas generados en los puntos de control Juntion-3 y Juntion-6 o "Desembocadura", producidos por los hietogramas centrados.


Figura A4.3 Hidrogramas generados en los puntos de control Juntion-3 y Juntion-6 o "Desembocadura", producidos por los hietogramas sesgados a la derecha.


Variación de los caudales en las diferentes situaciones:

Tabla A4.4 Resultados comparados en el Junction-6 o "Desembocadura" entre las diferentes situaciones estudiadas. Dónde: Qp= caudal punta; tp= tiempo transcurrido hasta la punta del hidrograma; Vol= volumen

Tabla A4.5 Resultados comparados en el Junction-5 entre las diferentes situaciones estudiadas. Dónde: Qp= caudal punta; tp= tiempo transcurrido hasta la punta del hidrograma; Vol= volumen

T SituaciónModelo

hietogramaQp (m3/s) tp (hh:mm)

Vol

Hidrograma

(mm)

% Cambio

de Qp

Actual 5,6 12:36 30,18

1996 5,4 12:33 28,52

1956 4,3 12:36 23,62

Actual 12,9 12:34 67,02

1996 12,8 12:30 64,74

1956 11,1 12:30 57,37

Actual 19,5 12:32 101,87

1996 19,5 12:30 99,26

1956 17,7 12:30 90,36

9

14

Centrado

Centrado

Centrado500

23

Junction 5 - "Port Ainè"

10

100

T SituaciónModelo


Vol

Hidrograma

(mm)

% Cambio

de Qp

Actual 8,1 12:40 24,06

1996 7,8 12:39 23,03

1956 6,9 12:39 21,17

Actual 20,5 12:38 57,45

1996 20,3 12:33 55,98

1956 19,1 12:33 53,3

Actual 32,4 12:34 90,1

1996 32,3 12:33 88,36

1956 31 12:33 85,2

Centrado

15

4

7

Centrado

Centrado

Junction 6 - "DESEMBOCADURA"

10

100

500


Tabla A4.6 Resultados comparados en el Junction-3, entre las diferentes situaciones estudiadas. Dónde: Qp= caudal punta; tp= tiempo transcurrido hasta la punta del hidrograma; Vol= volumen



T SituaciónModelo


Vol

Hidrograma

(mm)

% Cambio

de Qp

Actual 4,6 12:18 37,27

1996 4,44 12:15 34,55

1956 3,4 12:18 28,16

Actual 10 12:16 78,08

1996 9,9 12:15 74,27

1956 8,5 12:15 64,86

Actual 14,7 12:16 115,47

1996 14,8 12:15 111,03

1956 13,2 12:15 99,8

Centrado

Centrado

Centrado

10

15

26

500

Junction 3 - "Cambios significativos usos del suelo"

10

100

T SituaciónModelo


Vol

Hidrograma

(mm)

% Cambio

de Qp

Actual 1,9 12:26 22,28

1996 1,8 12:27 21,49

1956 2,1 12:27 23,88

Actual 5,2 12:20 55,66

1996 5,1 12:21 54,39

1956 5,6 12:21 58,31

Actual 8,5 12:18 88,51

1996 8,4 12:21 86,91

1956 8,9 12:18 91,84

Centrado

Centrado

Centrado

Junction 7 - "Regerals"

10

100

500

-11

7

4


T SituaciónModelo


Vol

Hidrograma

(mm)

% Cambio

de Qp

Actual 2,2 12:34 19,64

1996 2,1 12:33 19,83

1956 2,4 12:30 21,64

Actual 6,7 12:26 51,12

1996 6,3 12:24 51,53

1956 6,7 12:24 54,51

Actual 11,2 12:24 82,67

1996 10,5 12:21 83,25

1956 11 12:21 86,98

Centrado

0

2

10

100

500

Centrado

Centrado

-9

Junction 8 - "Regerals"

“Modificación de la respuesta hidrológica en avenidas...

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