Estudio Hidrologico

MUNICIPALIDAD DISTRITAL DE PAUCARA

ACOBAMBA - HUANCAVELICA

MEMORIA DE CÁLCULO HIDROLOGICO

PROYECTO: “AMPLIACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO DEL DISTRITO DE PAUCARA, PROVINCIA DE ACOBAMBA, DEPARTAMENTO DE HUANCAVELICA”

II. MEMORIA DE CALCULO

HIDROLOGICO

HUANCAVELICA-2014

PROYECTO: “AMPLIACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LOS

SISTEMAS DE AGUA POTABLE Y

ALCANTARILLADO DEL DISTRITO DE PAUCARA,

PROVINCIA DE ACOBAMBA, DEPARTAMENTO DE

HUANCAVELICA”





ESTUDIO HIDROLOGICO

1. GENERALIDADES

En la zona del proyecto, el análisis hidrológico del riachuelo Collpa, aguas provenientes de la microcuenca

Collpa tiende a mejorar el potencial del recurso hídrico, con el fin de planificar y ordenar racionalmente sus

usos. “AMPLIACIÓN Y MEJORAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO

DEL DISTRITO DE PAUCARA, PROVINCIA DE ACOBAMBA, DEPARTAMENTO DE HUANCAVELICA”,

debido a las evaluaciones de los recursos hídricos para este sistema, para el uso actual y futura del agua del

sistema.

La realización del presente trabajo ha sido motivada por la falta de información, en lo referente a la

disponibilidad de los recursos hídricos y sus usos dentro del sistema, cuyos estudios han sido realizados por

consultores e instituciones del estado. Una vez compilada las informaciones existentes, se tomaron datos de

campo en lo referente a descargas, uso actual del agua y la fisiografía de la cuenca, con las cuales se ha evaluado

y complementado la información hidrológica.

2.1.1 UBICACIÓN

La zona en estudio se encuentra:

Políticamente.

Departamento : Huancavelica

Provincia : Acobamba

Distrito : Paucara

Localidades : Paucara

Geográficamente (Distrito de Tantara).

Latitud : 12° 37’ 48”de latitud sur

Longitud : 74° 43’ 48” de longitud oeste.

Altitud : 3810.00 m.s.n.m.

Geográficamente la bocatoma del canal se encuentra en:

Zona de la Bocatoma : 8601000 N

: 529500 E

4112.14 m.s.n.m.

2.1.2 INFORMACIÓN CARTOGRAFICA Y GEOGRÀFICA

Cartas Nacionales a escala 1:100,000 elaboradas por el Instituto Geográfico Nacional, cuya identificación es la

siguiente:

Huancavelica : (26-n)

2.1.3 DESCRIPCION GENERAL DE LA MICROCUENCA

El estudio hidrológico comprende la micro cuenca Collpa, ubicada a una altitud de 4112.14 msnm. (Lugar donde

se proyecta la bocatoma), alimentada por el riachuelo Collpa,

Las características geomorfológicas del micro cuenca Collpa, son las siguientes:

2.1.4 PARÁMETROS GEOMORFOLÓGICOS DE LA CUENCA REGULADORA

El relieve del ámbito de la micro cuenca en estudio, es en general escarpado y propia de la cordillera,

fisiográficamente de paisaje escarpado y abrupto, concerniente a la cobertura vegetal área de bofedales, y el

resto constituida por especies propias de la zona tales como: Ichu, Festuca, Canlli, etc.





En lo que respecta a este ítem, se desarrolló el marco teórico y el cálculo de los principales parámetros

geomorfológicos en el Área de Proyecto del micro cuenca Collpa asociados a su capacidad de respuesta a la

precipitación en forma de escorrentía, tales como: Área. Perímetro, Longitud del Cauce Principal, Ancho

Promedio, Coeficiente de Compacidad. Factor de forma, Grado de Ramificación, Densidad de drenaje y

Pendiente Media.

En el Cuadro de características geomorfológicas se presenta el resumen de los referidos parámetros

geomorfológicos para el micro cuenca Collpa.

2.1.5 AREA DE LA CUENCA

La superficie de la cuenca delimitada por el divisor topográfico, corresponde a la superficie de la misma

proyectada en un plano horizontal, y su tamaño influye en forma directa sobre las características de los

escurrimientos fluviales y sobre la amplitud de las fluctuaciones.

Área de la micro cuenca Collpa es A= 12.90 Km2

Imagen 01: Cuenca de estudio Collpa II

2.1.6 PERIMETRO DE LA CUENCA

El perímetro de la cuenca está definido por la longitud de la línea de división de aguas (Divortium Aquarium).

Perímetro de la micro cuenca Collpa P= 16.70 Km

2.1.7 LONGITUD MAYOR DEL RIO (L)

Recibe este nombre, el mayor cauce longitudinal que tiene una cuenca determinada, es decir, el mayor

recorrido que realiza el río desde la cabecera de la cuenca, siguiendo todos los cambios de dirección o

sinuosidades hasta un punto fijo de interés, que puede ser una estación de aforo o desembocadura.





Longitud mayor del río de la micro cuenca Collpa, L= 4.68 Km

2.1.8 FORMA DE CUENCA

Es la que determina la distribución de las descargas de agua a lo largo del curso principal o cursos principales, y

es en gran parte responsable de las características de las crecientes que se presentan en la cuenca.

Es expresada por parámetros, tales como el Ancho Promedio, Coeficiente de Compacidad y el Factor de forma

Ancho promedio

Es la relación entre el área de la cuenca y la longitud mayor del curso del río, la expresión es la siguiente:

L

AAp

Dónde:

Ap = Ancho promedio de Ia cuenca (Km)

A = Área de la cuenca

A = Longitud Mayor del Rio

Ancho Promedio (Ap) Micro cuenca, Ap Collpa = 2.76 Km

Coeficiente de compacidad (Kc) O índice de Gravelius

Constituye la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de una circunferencia cuya área - igual a la

de un círculo - es equivalente al área de la cuenca en estudio.

Su formula es la siguiente:

AP

PKc

*2

APKc /*28.0

Siendo:

Kc = Coeficiente de Compacidad (Km/Km2)

P = Perímetro de la cuenca (Km)

A = Área de la cuenca (Km2)

Una cuenca se aproximará a una forma circular cuando el valor Kc se acerque a la unidad

Cuando se aleja de la unidad, presente una relación irregular con relación al círculo.

Si este coeficiente fuera igual a la unidad, significa que habrá mayores oportunidades de crecientes debido a que

los tiempos de Concentración, Tc (duración necesaria para que una gota de agua que cae en el punto más

alejado de aquella, llegue a la salida o desembocadura), de los diferentes puntos de la cuenca serían iguales.

De igual modo, cuanto mayor sea el valor de Kc, también será mayor el tiempo de concentración de las aguas y.

por tanto, estará menos propensa a una inundación.

Generalmente en cuencas muy alargadas el valor de Kc, es mayor que 2.

Coeficiente de Compacidad o índice de Gravelius (Kc) para la cuenca Collpa, Área del Proyecto

Kc collpa = 1.30

Un valor de Kc. menor que 1. Nos indica una cuenca de forma circular, siguiendo el desarrollo de su curso

principal, debiendo estar más expuesta a las crecientes que una cuenca de forma redondeada.

Factor de Forma (Ff)

Es otro índice numérico con el que se puede expresar la forma y la mayor o menor tendencia a crecientes de

una cuenca.

Es la relación entre el ancho promedio de la cuenca (Am) y la longitud del curso de agua mas largo (L).





La expresión es la siguiente

L

ApFf

Siendo:

Ff = Factor de Forma

Ap = Ancho promedio de la cuenca (Km)

L = Longitud del curso mas largo (Km)

Una cuenca con Factor de Forma bajo, está sujeta a menos crecientes que otra del mismo tamaño pero con un

Factor de Forma mayor.

Este valor es adimensional.

Factor de Forma (Ff) de la micro cuenca Collpa = 0.59

Con este valor de Ff, la micro cuenca Collpa está sujeta a crecientes continuas regulares.

2.1.9 SISTEMA DE DRENAJE

El sistema de drenaje de una cuenca está conformado por un curso de agua principal y sus tributarios:

observándose por lo general, que cuanto más largo sea el curso de agua principal, más llena de bifurcaciones

será la red de drenaje.

Con la finalidad de determinar las características de dicha red, se definen los siguientes índices:

Grado de Ramificación

Para definir el grado de ramificación de un curso de agua principal (Según Horton), se ha considerado el número

de bifurcaciones que presentan sus tributarios, asignándole un orden a cada uno de ellos en forma creciente

desde el curso principal hasta el encuentro con la divisoria de la cuenca.

Grado de Ramificación del micro cuenca Collpa, tiene un grado de 3er orden.

Densidad de drenaje

Indica la relación entre la longitud total de los cursos de agua: efímeros, intermitentes o perennes de una cuenca

(Li) y el área total de la misma (A).

Valores altos de densidad refleja una cuenca muy bien drenada que debería responder relativamente rápido al

influjo de la precipitación, es decir que las precipitaciones influirán inmediatamente sobre las descargas de los

ríos (Tiempos de Concentración cortos).

Una cuenca con baja densidad de drenaje refleja un área pobremente drenada con respuesta hidrológica muy

lenta. Una baja densidad de drenaje es favorecida en regiones donde el material del subsuelo es altamente

resistente bajo una cubierta de vegetación muy densa y de relieve plano.

La densidad de drenaje tiende a uno en ciertas regiones desérticas de topografía plana y terrenos arenosos, y a

un valor alto en regiones húmedas, montañosas y de terrenos impermeables.

Esta última situación es la más favorable, pues si una cuenca posee una red de drenaje bien desarrollada, la

extensión medía de los terrenos a través de los cuales se produce el escurrimiento superficial es corto y el

tiempo en alcanzar los cursos de agua también será corto; por consiguiente la intensidad de las precipitaciones

influirá inmediatamente sobre el volumen de las descargas de los ríos.

La expresión es la siguiente:

A

LiDd

Siendo:

Dd = Densidad de drenaje (Km/Km2)

Li = Longitud total de los cursos de agua (Km/Km2)

A = Área de la cuenca (Km2)

Monsalve, refiere que Dd usualmente toma los siguientes valores:





Entre 0.5 Km/Km2 para hoyas con drenaje pobre.

Hasta 3.5 Km/Km2 para hoyas excepcionalmente bien drenados.

Por consiguiente la micro cuenca Collpa tiene un drenaje pobre, si su Dd es de 0.92 Km/Km2

Pendiente Media del Río

El agua superficial concentrada en los lechos fluviales escurre con una velocidad que depende directamente de la

declividad de éstos, así a mayor declividad habrá mayor velocidad de escurrimiento. La pendiente Media del río

es un parámetro empleado para determinar la declividad de un curso de agua entre dos puntos.

Se determina mediante la siguiente expresión:

L

HmHMIc

*1000

)(

Siendo:

Ic = Pendiente media del río

L = longitud del río

HM y Hm = Altitud Máxima y mínima del lecho del río, referidas al nivel medio de las aguas del mar.

La pendiente media del cauce principal de la micro cuenca Collpa es:

Ic = 0.0277m/m

2. ANÁLISIS DE LA INFORMACION

La Microcuenca Collpa, según su clasificación pertenece a una cuenca mediana (10 km2 < Área < 10,000 km2),

por lo tanto, se emplea metodologías avanzadas en la transformación precipitación escorrentía.

El área total de la cuenca principal corresponde a 3,057.64 km2, ubicados en el departamento de Huancavelica

y delimitados por los puntos máximos con respecto al punto de aforo cuya ubicación corresponde a 750 m

aproximadamente aguas arriba de la bocatoma propuesta.

Para la transformación precipitación – escorrentía se procede la metodología HEC-1, siendo éste,

determinístico en su totalidad. Con el apoyo del programa HEC HMS, se analiza para los distintos períodos de

retorno 25, 50, 100 y 200 años. Las precipitaciones máximas son calculadas mediante la ecuación regional IILA

SENAMHI UNI para ser transformado en la metodología propuesta por Vent Te Chow de bloques alternos.

El diseño de la bocatoma y obras de defensa Ribereña de la línea de conducción son realizados mediante el

caudal de máximas avenidas estimadas en la cuenca principal para un periodo de retorno a 50 años.

2.2.1 ESTUDIO DE PRECIPITACIONES

La zona del proyecto, no cuenta con registros de precipitaciones máximas de 24 horas, por lo que se recurre

a extrapolaciones de las estaciones aledañas, aún en estas circunstancias no presenta resultados conservadores

en comparación de las ecuaciones regionales IILA. Por lo tanto, para determinar las precipitaciones e

intensidades se emplea las ecuaciones regiones IILA SENAMHI UNI 83 que se describe a continuación.

2.2.2 CURVAS IDF REGIONAL

Las precipitaciones máximas e intensidades máximas de tormentas, han sido comparadas regionalmente por el

“Estudio de la Hidrología del Perú” hecho por el IILA-SENAMHI-UNI, 1983, cuyas fórmulas que tienen la

siguiente forma:

Donde son la precipitación y la intensidad de tormenta para una duración “t” (en horas) y de período de

retorno “T” (en años) dados; a, K y n son constantes regionales. Según la metodología empleada por el IILA

las fórmulas son válidas para 3 ≤t ≤24 horas.

Para t ≤ 3 horas se usa:

Se considera una relación creciente de la precipitación con la altitud. Es por esta razón que se ha zonificado el

área de influencia, tomándose los parámetros correspondientes según las características regionales de las

Cuencas.





PARÁMETROS REGIONALES

Constante "a" 12.1

Constante "b" 0.40

Constante "k" 0.533

Constante "n" 0.242

Cuadro 01: Parámetros regionales (Fuente: RNE)

PRECIPITACION (mm)

min t=25 años t=50 años t=100 años t=200 años t=500 años

10 5.41 5.91 6.41 6.91 7.56

20 8.90 9.72 10.54 11.36 12.44

30 11.44 12.49 13.54 14.59 15.98

40 13.41 14.64 15.87 17.1 18.73

50 15.01 16.39 17.77 19.15 20.98

60 16.36 17.87 19.37 20.88 22.86

70 17.52 19.15 20.76 22.37 24.5

80 18.56 20.27 21.97 23.68 25.93

90 19.47 21.26 23.06 24.84 27.21

100 20.30 22.17 24.03 25.9 28.37

110 21.05 22.99 24.93 26.86 29.43

120 21.74 23.74 25.74 27.74 30.4

130 22.38 24.46 26.52 28.58 31.29

140 22.98 25.11 27.23 29.33 32.13

150 23.55 25.73 27.88 30.05 32.9

160 24.08 26.29 28.51 30.72 33.65

170 24.59 26.83 29.1 31.37 34.34

180 25.05 27.36 29.67 31.95 35.01

Cuadro 02: Precipitaciones para diferentes periodo de retorno





Imagen 01: IILA Precipitaciones Paucara – Huancavelica

INTENSIDAD (mm/hr)

min t=25 años t=50 años t=100 años t=200 años t=500 años

10 32.48 35.46 38.45 41.44 45.38

20 26.71 29.17 31.62 34.08 37.33

30 22.87 24.97 27.08 29.18 31.96

40 20.11 21.96 23.81 25.65 28.1

50 18.01 19.67 21.32 22.98 25.17

60 16.36 17.87 19.37 20.88 22.86

70 15.02 16.41 17.79 19.17 21

80 13.92 15.2 16.48 17.76 19.45

90 12.98 14.17 15.37 16.56 18.14

100 12.18 13.3 14.42 15.54 17.02

110 11.48 12.54 13.6 14.65 16.05

120 10.87 11.87 12.87 13.87 15.2

130 10.33 11.29 12.24 13.19 14.44

140 9.85 10.76 11.67 12.57 13.77

150 9.42 10.29 11.15 12.02 13.16

160 9.03 9.86 10.69 11.52 12.62

170 8.68 9.47 10.27 11.07 12.12

180 8.35 9.12 9.89 10.65 11.67

Cuadro 03: Intensidad para diferentes periodos de retorno





Imagen 02: Curva IDF Paucara – Huancavelica

Intervalo

min P increm P (mm) P increm P (mm) P increm P (mm) P increm P (mm) P increm P (mm)

0-10 5.41 0.51 5.91 0.54 6.41 0.59 6.91 0.65 7.56 0.69

10-20 3.49 0.57 3.81 0.62 4.13 0.65 4.45 0.72 4.88 0.77

20-30 2.54 0.64 2.77 0.72 3.00 0.78 3.23 0.84 3.54 0.89

30-40 1.97 0.75 2.15 0.82 2.33 0.90 2.51 0.96 2.75 1.06

40-50 1.60 0.91 1.75 0.99 1.90 1.09 2.05 1.16 2.25 1.28

50-60 1.35 1.16 1.48 1.28 1.60 1.39 1.73 1.49 1.88 1.64

60-70 1.16 1.60 1.28 1.75 1.39 1.90 1.49 2.05 1.64 2.25

70-80 1.04 2.54 1.12 2.77 1.21 3.00 1.31 3.23 1.43 3.54

80-90 0.91 5.41 0.99 5.91 1.09 6.41 1.16 6.91 1.28 7.56

90-100 0.83 3.49 0.91 3.81 0.97 4.13 1.06 4.45 1.16 4.88

100-110 0.75 1.97 0.82 2.15 0.90 2.33 0.96 2.51 1.06 2.75

110-120 0.69 1.35 0.75 1.48 0.81 1.60 0.88 1.73 0.97 1.88

120-130 0.64 1.04 0.72 1.12 0.78 1.21 0.84 1.31 0.89 1.43

130-140 0.60 0.83 0.65 0.91 0.71 0.97 0.75 1.06 0.84 1.16

140-150 0.57 0.69 0.62 0.75 0.65 0.81 0.72 0.88 0.77 0.97

150-160 0.53 0.60 0.56 0.65 0.63 0.71 0.67 0.75 0.75 0.84

160-170 0.51 0.53 0.54 0.56 0.59 0.63 0.65 0.67 0.69 0.75

170-180 0.46 0.46 0.53 0.53 0.57 0.57 0.58 0.58 0.67 0.67

t=25 años t=50 años t=100 años t=200 años t=500 años

PRECIPITACIONES HIETOGRAMA: METODO DEL BLOQUE ALTERNO

Cuadro 04: Precipitaciones (mm) método del bloque alterno





Imagen 03: Hietograma Tr=25años









2.2.3 Periodo de retorno

El periodo de retorno está relaciona con la probabilidad o riesgo que el caudal sea excedido durante el

periodo para el cual se diseña la bocatoma y obras de protección. En general, se acepta riesgos más altos

cuando los daños probables que se produzcan, en caso de que discurra una caudal mayor al de diseño, sean

menores y los riesgos aceptables deberán ser pequeños cuando los daños probables sean menores. En función de la importancia del proyecto y del efecto de los daños que se producirán de fallar la estructura,

se estableció un periodo de recurrencia de 50 años para el diseño de la bocatoma y obras de protección o

defensa Ribereña.

2.2.4 Características Previas de diseño.

Para la determinación de descargas máximas en las cuencas, donde aparecen efectos de difusión, que atenúan

el caudal pico, se aplicó el método de Hidrograma Unitario, bajo las siguientes características:

PARAMETROS MICROCUENCA COLLPA

Área (Km2) 12.90

Perímetro (Km) 16.70

Altitud Mínima (msnm) 4,112.14

Altura Máxima (msnm) 4,242.00

Altitud media (msnm) 4,177.07

Longitud mayor del rio (m) 4,680.00

Pendiente curso principal (m/m) 0.0277

Ancho Promedio (Km) 2.76

Coeficiente de Compacidad 1.30

Factor de Forma 0.59

Coeficiente de escorrentía 0.40

Tiempo de Concentración (Tc) en min. 81.72

Orden de corrientes (°) 3

Cuadro 05: Parámetros de la cuenca





Cálculo de la Curva Número

La curva número (CN), es un parámetro que influye en la escorrentía dela cuenca y depende del tipo

hidrológico del suelo, del uso y manejo del

Terreno. Para su elección se toma en cuenta la tabla siguiente:

DESCRIPCION COBERTURA GRUPO CN % IMPERMEABLE

CUENCA

COLLPA

Pastizales, tierras de

cultivo D 80 0.00%

Cuadro 06: Numero de curva.

Cálculo de la Abstracción Inicial

Para aplicar el modelo SCS o número de curva, se necesita conocer el tipo de uso actual de

la tierra, la cobertura vegetal que tiene la cuenca y el tipo de suelo relacionado al grado de

infiltración que posee (calculado a partir de los datos anteriores y según la tabla que se

adjunta).

DESCRIPCION CN S Ia

CUENCA COLLPA 80 63.50 12.70

Cuadro 07: Abstracción inicial.

Cálculo del tiempo de Concentración y Tiempo de Retraso

El tiempo de concentración está en función de las características geográficas y topográficas

de las cuencas en estudio. Es el tiempo transcurrido desde que una gota de agua cae en el

punto más alejado de la cuenca hasta que llegue a la salida de ésta. Para el estudio, se emplea

Los siguientes métodos.





Tc

Formula de Kirpich Formula de Temes Formula de Bransby W. Formula California

Tiempo de

Concentracion Promedio

En Hr 0.866 1.916 1.806 0.861 1.362

En Min. 51.94 114.93 108.35 51.66 81.72

385.0

77.0

000325.0S

LTc

19.0

76.0

30.0S

LTc

2.01.02433.0

SA

LTc

77.0

5.0066.0

S

LTc

Cuadro 08: Tiempo de concentración.

Tc(min) Tlag (min)

81.72 49.03

Cuadro 09: Tiempo de Retraso.

2.2.5 DETERMINACION DE CAUDALES MAXIMOS

De los datos obtenidos anteriormente se procede a la simulación hidrológica mediante el programa HEC-

HMS.

Imagen 08: HEC HMS: esquema general

Imagen 09: Caudal máximo para Tr =50 años.





Imagen 10: Hidrograma de salida para Tr =50 años.

El caudal de diseño para la Bocatoma y las obras de protección (defensa ribereña línea de conducción margen

izquierdo Riachuelo Collpa) es 5.50 m3/s, calculado para un periodo de retorno de 50 años.

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