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    Instituto Superior Politcnico Jos Antonio Echeverra

    CUJAE

    MODELACINID!OL"ICA CON EC#

    MS EN CUENCAS $$$

    !a%ael M Pacheco Mo&a

    La a'ana( )*+)

    http://revistas.mes.edu.cu/
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    ,esis -e Maestra

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    Pgina Legal

    Modelacin hidrolgica con Hec-Hms en cuencas montaosas de la regin oriental de Cuba.

    La Habana : Instituto Superior Politcnico !os "ntonio #che$err%a &C'!"#() *+,*.

    esis &Maestr%a(.

    Dewey:*,.* - ecnolog%a de la potencia hidr/ulica.

    Registro No.:Maestria,,,0 C'!"#.

    (cc) 1a2ael M Pacheco Mo3a) *+,*.

    Licencia: Creative Commons de tipo Reconocimiento, Sin Obra Derivada.

    En acceso perpetuo: http://www.e-libro.com/titulos

    http://www.e-libro.com/tituloshttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/deed.eshttp://www.e-libro.com/titulos
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    INSTITUTOSUPERIOR POLITCNICO JOS ANTONIO ECHEVERRACENTRO DE INVESTIGACIONESHIDRULICA

    TESIS DE MAESTRA EN INGENIERA HIDRULICA

    TTULO: MODELACIN HIDROLGICA CON HEC-HMS EN CUENCASMONTAOSAS DE LA REGIN ORIENTAL DE CUBA.

    AUTOR: Ing. Rafael M Pacheco Moya

    TUTOR: Ms.C. Ing. Valentina Estrada Sifontes

    Institucin: Universidad de Oriente. Facultad de Construcciones.Departamento de Ingeniera Hidrulica.

    Cuidad de La Habana. Julio 2011Ao 53 de la Revolucin

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    Tesis de Maestra Ing. Rafael M. Pacheco Moya

    Les dedico este trabajo a todos mis seres queridos que siempre tengo presentes en micorazn. Gracias a todos los que me han acompaado y guiado en esta ardua tarea. Le

    agradezco a Dios en primer lugar, por darme la fuerza e inspiracin de seguir adelante

    cada da cuando pensaba que todo estaba perdido. A la tutora Valentina por su entrega,

    conocimiento y dedicacin para que fructificara nuestro trabajo, a mi esposa por su

    paciencia, compresin y apoyo en todo momento, as como a los compaeros de trabajo por

    los conocimientos que me han brindado.

    Ing. Rafael M. Pacheco Moya.

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    RESUMEN

    La modelacin hidrolgica es una de las manifestaciones de la revolucin cientfico-tcnica contempornea ampliamente generalizada en pases desarrollados. En la actualidad

    los modelos matemticos hidrolgicos son muy usados en la prctica internacional ya que

    han evolucionado las metodologas de investigacin hidrolgica, posibilitan solucionar los

    problemas de inundaciones cada vez ms frecuentes relacionadas con el cambio climtico,

    realizar pronsticos y modelar escenarios futuros. El HEC-HMS es uno de los modelos que

    ha alcanzado mayor popularidad en dicha prctica, el mismo permite estimar los

    hidrgrafos de salida en una o varias subcuencas a partir de condiciones extremas delluvia. En Cuba en los ltimos aos se han dado pasos en la aplicacin de este modelo para

    obtener hidrogramas de avenidas en algunas zonas del pas, pero an no existe suficiente

    experiencia en su aplicacin. En este sentido la presente investigacin realiza

    recomendaciones para la modelacin con HEC-HMS en cuencas montaosas de la regin

    oriental de Cuba a partir de su aplicacin en la cuenca Las Coloradas, obteniendo

    experiencias en los mtodos de clculo de mejor aplicacin y los valores que alcanzan sus

    parmetros considerando las particularidades fsico-geogrficas y climticas de las cuencas

    montaosas orientales y, sobre todo, el estado de la informacin hidrometeorolgica en las

    mismas, para su posterior generalizacin.

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    ABSTRACT

    Hydrological modeling is one of the expressions of the contemporary scientific-technical

    revolutions widely generalized on developed countries. At the present times hydrologic

    mathematical models are very used at the international practice since these have evolved

    hydrologic research methodology, help to find solutions to flooding problems very often

    related with climatic changes, and making prognostic and models of future sceneries.

    Practically HEC-HMS is one of the more popular models. With it, is possible to make out

    hydrographs calculation in one or some sub basins from raining extreme conditions. In the

    last years, Cuba has been working to obtain avenue hydrograms in some regions of thecountry applicating this model but there is not a great experience on its application yet. The

    present research works give some recommendations to HEC-HMS models in mountainous

    basins of the Cuban eastern region from its application in Las Coloradas basin. There

    we obtained some experiences in calculation methods of better application and values to

    get the parameters taking into consideration the physical-geographical and climatic

    particularities of eastern mountainous basins and above all, the hydrometeorology

    information about them for its future generalization.

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    NDICEINTRODUCCIN............................................................................................................... 1

    Fundamentacin Terica ................................................................................................... 1Situacin Problmica.........................................................................................................4

    Diseo de la Investigacin................................................................................................... 4

    CAPTULO 1. ESTADO DEL ARTE........................................................................... 71.1 Generalidades de los modelos matemticos hidrolgicos. ........................................71.2. Enfoque terico y aplicacin del HEC-HMS. ......................................................... 11

    1.2.1 Aplicaciones del HEC-HMS. ......................................................................... 131.3. Los Sistemas de Informacin Geogrfica (SIG)...................................................... 16

    1.3.1 Aplicaciones de los Sistemas de Informacin Geogrfica en la modelacinhidrolgica...................................................................................................................17

    CAPTULO 2: CARACTERSTICAS DEL HEC-HMS Y LA EXTENSIN HEC-GEO-HMS DE ARC-VIEW........................................................................................... 21

    2.1 Caractersticas generales del modelo hidrolgico HEC-HMS. ............................... 212.1.1 Seleccin de mtodos y definicin de sus parmetros. .................................. 21

    2.1.1.1 Submodelo de prdidas............................................................................ 212.1.1.2 Submodelo de transformacin lluvia-escurrimiento................................ 252.1.1.3 Submodelo de flujo base. ........................................................................ 27

    2.1.2 Tipo de simulacin que realiza el HEC-HMS................................................ 312.1.3 Informacin que requiere el programa. .......................................................... 31

    2.2 Calibracin y validacin de los resultados arrojados por HEC-HMS.....................322.2.1 Funciones objetivo y algoritmos de ajuste. .................................................... 322.2.2 Restricciones................................................................................................... 332.2.3 Validacin del modelo.................................................................................... 34

    2.3 Caractersticas del Arc-View y su extensin HEC-GEO-HMS. ............................. 352.3.1 Procedimiento de trabajo con la extensin HEC-GEO-HMS. ....................... 36CAPTULO 3: MODELACIN HIDROLGICA CON HEC-HMS EN LA

    CUENCA LAS COLORADAS....................................................................................... 393.1 Modelo de la cuenca................................................................................................ 39

    3.1.1 Modelo digital de elevaciones en ArcView 3.3..............................................393.1.2 Extensin HEC-GEO-HMS............................................................................ 39

    3.2 Modelacin con HEC-HMS. ................................................................................... 423.2.1 Datos de entrada. ............................................................................................42

    3.2.1.1 Caractersticas de la cuenca y la estacin hidromtrica. ......................... 433.2.1.2 Pluvimetros y pluvigrafos en la cuenca y su periferia......................... 463.2.1.3 Tratamiento inicial de avenidas............................................................... 47

    3.2.1.4 Tratamiento de pluviografa. ...................................................................493.2.1.5 Tiempos caractersticos. .......................................................................... 503.2.1.6 Tratamiento de las lluvias diarias. ........................................................... 513.2.1.7 Retorno al tratamiento de avenidas. ........................................................ 523.2.1.8 Clculo de la lluvia media diaria. ............................................................ 533.2.1.9 Transformacin de la lluvia media diaria en lluvia por intervalos.......... 54

    3.2.2 Proceso de modelacin................................................................................... 543.2.2.1 Obtencin de los parmetros de cada uno de los mtodos de lossubmodelos..............................................................................................................55

    3.3 Resultados de la modelacin. .................................................................................. 623.3.1 Avenida 12/6/79 ............................................................................................. 63

    3.3.1.1 Conclusiones parciales para las condiciones de sta avenida.................. 713.3.2 Avenida 25/4/79 ............................................................................................. 71

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    3.3.2.1 Conclusiones parciales para las condiciones de sta avenida.................. 743.3.3 Conclusiones de la modelacin. .....................................................................75

    3.4 Resultados de la calibracin. ................................................................................... 763.4.1 Avenida 12/6/79 ............................................................................................. 76

    3.4.1.1 Conclusiones parciales para las condiciones de sta avenida.................. 80

    3.4.2 Avenida 25/4/79 ............................................................................................. 813.4.2.1 Conclusiones parciales para las condiciones de sta avenida.................. 823.4.3 Conclusiones de la calibracin. ...................................................................... 82

    Conclusiones....................................................................................................................... 84Recomendaciones............................................................................................................... 85Bibliografa......................................................................................................................... 86Anexos................................................................................................................................. 90

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    INTRODUCCIN

    Fundamentacin Terica

    En los ltimos aos las crecidas extremas ocurren con mayor frecuencia y magnitud, enparticular en zonas tropicales, debido a los cambios climticos globales, lo que causagrandes inundaciones y severas afectaciones a la humanidad. Las inundaciones son unas delas catstrofes naturales que mayor nmero de vctimas produce en el mundo. Se hacalculado que en el siglo XX unos 3,2 millones de personas han muerto por este motivo, loque es ms de la mitad de los fallecidos por desastres naturales en el mundo en ese perodo(Martnez et al, 2008). Por sta y otras razones es imprescindible su estudio para estimarlos daos que puedan provocar en una zona determinada.

    A pesar de que la preservacin de las vidas humanas durante las catstrofes naturales, ascomo de los bienes materiales de la poblacin y las riquezas econmicas del pas, es

    poltica primordial del gobierno revolucionario cubano, la misma no se cumple en sutotalidad debido a las afectaciones de poblaciones y objetivos econmicos por lasinundaciones a consecuencia de las crecidas de los ros montaosos. La inundacin mssignificativa en Cuba, fue la provocada por el cicln Flora en octubre de 1963 que secaracteriz por sus altas precipitaciones y afect a todo el oriente del pas, conmoviendo al

    pueblo cubano con las terribles prdidas de vidas humanas y bienes materiales. En fechams reciente, en el 2008, se produjeron severas afectaciones por los huracanes Gustav yIke en amplias regiones del pas provocando una elevada prdida a la economa nacional.

    La particularizacin del estudio de la formacin de avenidas en las regiones montaosas serelaciona con el hecho de que, para el anlisis de la recurrencia de las crecidas que presenta

    una cuenca fluvial dada respecto a otra, es necesario considerar, por una parte, lascaractersticas del rgimen pluviomtrico y trmico que registre el clima imperante y, porotra, las caractersticas morfomtricas que estn presentes (altura, forma, pendiente media,superficie, etc.), el desarrollo del sistema de drenaje (densidad, frecuencia y jerarqua de lared hdrica) y la capacidad de retencin hdrica de la cuenca en relacin con tipos y usosdel suelo, el tipo y la distribucin de la vegetacin, la litologa, las obras realizadas en loscauces, etc., aspectos todos ellos que influyen en la torrencialidad, la velocidad derespuesta, el tiempo de concentracin y el volumen de los caudales.

    El rgimen pluviomtrico en las regiones montaosas se caracteriza por la enormeinfluencia que ejerce el relieve sobre la distribucin espacial de las precipitaciones, an

    para los eventos extremos. Del estudio de la precipitacin puede establecerse que staconstituye un proceso con dos componentes bsicas: una aleatoria, de acuerdo con los

    patrones sinpticos globales predominantes en cada momento y lugar; y otradeterminstica, en tanto, la redistribucin regional de la humedad obedece a la presencia

    perenne de patrones paisajsticos (macizos orogrficos, desarrollo de la flora,urbanizaciones, situacin relativa respecto a los espacios acuosos, entre otros); queencausan o determinan, en buen grado, los diferentes regmenes pluviales.

    Campos (1992) plantea que existen relaciones generales entre los diversos ndicesmorfomtricos y el rgimen hidrolgico que se particularizan entre regiones llanas y

    montaosas: El crecimiento de los gastos mximos con el aumento del rea de la cuenca,que es tpico en las zonas montaosas, por lo general no se manifiesta en las llanuras de

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    inundacin donde se desbordan los cauces atenundose stos enormemente. La elevacinmedia de la cuenca tiene mucha importancia por constituir, en zonas montaosas, el

    parmetro que explica la variacin de los principales elementos genricos del rgimenhidrolgico como son las precipitaciones, la temperatura del aire, la pendiente del terreno yla densidad de drenaje. Conforme aumenta la pendiente media de las cuencas, crece la

    velocidad media del escurrimiento, disminuye la infiltracin y crece la magnitud de lasavenidas. La longitud y la pendiente del cauce principal tienen influencia notoria en eltiempo pico y la duracin promedio total de los hidrogramas. La geometra hidrulicadescribe el carcter de los cauces de una cuenca, la variacin entre la velocidad media, eltirante y el ancho de la superficie libre con el gasto aforado han mostrado una relacinconsistente en los cauces fluviales en los cuales la seccin transversal se adapta fcilmentea los diferentes flujos que ocurren y son menos adaptables tales relaciones en los caucesrocosos que tienden a controlar las caractersticas del canal.

    La modelacin hidrolgica es una herramienta de gran importancia para el estudio deavenidas que se ha extendido por todo el mundo, fundamentalmente en pases

    desarrollados. En la actualidad, con el empleo de estos modelos se realiza el anlisis y laprevencin de las inundaciones; adems, es posible manejar hiptesis suficientementerealistas o previsibles que ofrezcan un cierto grado de confianza para la toma dedecisiones, ya sea en la ordenacin del territorio en torno a los ros o para exigir criteriosde diseo de obras e infraestructuras capaces de soportar y funcionar adecuadamente ensituaciones de emergencia. Incluso, alertar a los servicios de proteccin civil y establecer

    protocolos de actuacin ante posibles situaciones de peligro por intensas lluvias (Dueas,1997).

    Los primeros modelos matemticos en Hidrologa se originaron en la segunda parte delsiglo XIX como una primera respuesta a problemas bsicos tales como: los diseos deredes de alcantarillado, sistema de evacuacin y alivio de obras de retencin o deobras de proteccin hidrulica (Gonzlez et al, 2000). En todos ellos el inters secentraba fundamentalmente en la determinacin de los caudales mximos. La mayor partede los ingenieros utilizaban frmulas empricas derivadas para casos particulares yaplicados en situaciones similares, como por ejemplo la frmula racional propuesta porMulvany en 1850, que puede ser considerada como el primer mtodo para estimar caudalesde punta a partir de las lluvias. Muoz (1998) plantea que los modelos hidrolgicos

    pretenden reproducir matemticamente el fenmeno de transformacin lluvia-caudal.Tienen la ventaja de poder simular aceptablemente el proceso hidrolgico de generacin deavenidas si se estiman satisfactoriamente los parmetros necesarios. Su principal limitacin

    es precisamente la eleccin adecuada de los parmetros, errores en sta inducen a obtenerresultados que no corresponden a la realidad. Estos modelos son aplicados bsicamente enel clculo de crecidas, particularmente en los casos en los que el flujo superficial es el

    principal proveedor de caudal en la formacin de avenidas.

    Todo modelo est sujeto a ventajas y desventajas por lo que es necesario, a la hora derealizar una simulacin, elegir entre las opciones reales (Martn et al, 2003). La seleccindel tipo de modelo estar en funcin de varios factores, por ejemplo en un valle deinundacin abrupto un modelo unidimensional ser el adecuado, en cambio en llanuras deinundacin se debe recurrir a modelos casi bidimensionales o bidimensionales; el primercaso requiere habilidad y experiencia en este tipo de situaciones y el segundo una base de

    datos muy detallada y costosa.

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    Son varios los modelos hidrolgicos que existen, siendo el Sistema de ModelacinHidrolgico del Centro de Ingeniera Hidrolgica del Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito delos EE. UU. (HEC-HMSpor sus siglas en Ingls), el aplicado en la presente investigacin,ya que es un programa computacional gratuito y de amplia utilizacin internacional en elestudio de avenidas, el cual provee una variedad de opciones para simular procesos de

    precipitacin - escurrimiento y trnsito de caudales (Feldman, 2000). Este modelo utilizamtodos de precipitacin-escorrenta para estimar los hidrogramas de escorrenta directagenerados por las precipitaciones en una cuenca o regin durante un perodo especificado.Es un programa muy flexible que permite al usuario la seleccin de diferentes mtodos

    para el clculo de prdidas, clculo de hidrogramas, flujo base y propagacin en cauces.Posibilita realizar simulaciones de los procesos hidrolgicos a nivel de eventos o en formacontinua. Los primeros simulan el comportamiento de un sistema hdrico durante unevento de precipitacin. La simulacin continua puede comprender un perodo de tiempocon varios de stos eventos.

    Por otra parte, el desarrollo de los Sistemas de Informacin Geogrficos (SIG) permite la

    integracin de los resultados de la modelacin hidrolgica y las diferentes caractersticasfsico-geogrficas de las cuencas en un sistema de prevencin hidrolgica que posibilite el

    pronstico de inundaciones y la correspondiente toma de decisiones. Los SIG constituyenun instrumento adecuado para responder a cuestiones relacionadas con la distribucinespacial y las series temporales de la escorrenta. Estos sistemas facilitan el tratamiento dela informacin hidrolgica gracias a que incluyen procedimientos diseados para realizarla captura, almacenamiento, manipulacin, anlisis, modelacin y presentacin de datosgeorreferenciados (NCGIA, 1990). Con ayuda de los SIG la modelacin hidrolgicaacelera su desarrollo y aplicacin pudiendo actuar a modo de plataforma para laexperimentacin rpida de nuevas ideas y conceptos, a la vez que sus resultados pueden serincorporados al proceso de toma de decisiones y en la ordenacin del territorio.

    Los investigadores en Hidrologa encuentran cada vez ms efectivo el uso de los SIGdebido a su gran capacidad para gestionar datos distribuidos y referenciados en el mundoreal. Actualmente las aplicaciones hidrolgicas estn prestando una mayor atencin a losmodelos que contemplan la componente espacial y temporal de los datos, desarrollando asu vez mtodos de programacin orientada a objetos. Ms recientemente la aparicin delmdulo de interfase geoespacial HEC-Geo-HMS (Geospatial Hydrologic ModellingSystem Extensin), desarrollado por el centro de Ingeniera Hidrolgica del Cuerpo deIngenieros del Ejercito de los EE.UU (Doan,2003), permite generar la informacin quecaracteriza a la cuenca y los parmetros hidrolgicos de entrada para el modelo HEC-

    HMS. Incluye las siguientes funciones: pre-procesamiento de elementos del terreno,construccin de temas hidrolgicos, estructuras hidrulicas y puntos de control,procesamiento de cuencas (fusin y/o separacin de cuencas, fusin y separacin detramos de cursos, generacin de perfiles, delineacin de subcuencas), extraccin decaractersticas de cursos y cuencas (longitudes y pendientes de ros, centroides desubcuencas, direcciones de flujos).

    En Cuba, en los ltimos aos, se han venido dando pasos en la aplicacin del modeloHEC-HMS para la obtencin de hidrogramas de avenidas en algunas zonas del pas, peroan no existe suficiente experiencia en su aplicacin. Es necesario estudiar detalladamentelos mtodos de clculo y sus respectivos parmetros para definir los de mejor aplicacin en

    cuencas montaosas del pas dadas las caractersticas geogrficas y climticas y el estadode la informacin hidrometeorolgica en las mismas para su posterior generalizacin.

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    Situacin Problmica

    Las lluvias mximas intensas y de larga duracin que afectan a Cuba dan lugar a notablesavenidas que se distinguen por sus importantes gastos mximos y sus considerablesvolmenes. En los ltimos aos diferentes zonas del pas han sido afectadas por stas

    causando considerables prdidas econmicas y de vidas humanas. Las caractersticashidrogrficas de la mayora de los sistemas fluviales montaosos cubanos, cursos cortoscon bajas pendientes en sus tramos inferiores, no garantizan la total evacuacin de lasavenidas generadas en las zonas altas y de gran pendiente, provocando frecuentesinundaciones. Por otra parte, las regiones montaosas presentan particularidades en elmuestreo de las precipitaciones, existiendo menor densidad en las mediciones con unadistribucin de la red poco uniforme respecto a la forma del rea a caracterizar encomparacin con las zonas llanas. La amplitud del rastreo vertical de esta variable es muy

    baja, apenas el 5 % de la red nacional se localiza a ms de 300 m de altura SNM(Rodrguez, 2005).

    De ah la importancia de la modelacin hidrolgica en cuencas montaosas para garantizarel conocimiento y dominio de modelos que permitan determinar hidrogramas de avenidas y

    prevenir el riesgo que significan las crecidas extremas. Por ello, el objetivo de estainvestigacin consiste en proponer recomendaciones de aplicacin del modelo hidrolgicoHEC-HMS para el estudio de avenidas en cuencas montaosas orientales cubanas, el cual

    podr ser utilizado posteriormente con diferentes fines como pronstico de inundaciones,diseos hidrulicos, caracterizaciones fsico-climticas, ordenamiento territorial, etc. y, engeneral, como base de Sistemas de Soporte de Decisiones (SSD) en tiempo real para laDefensa Civil (DC), posibilitando la mitigacin de desastres y prdida de vidas humanas

    por inundaciones.

    Diseo de la InvestigacinProblema CientficoSe desconocen las particularidades de la modelacin hidrolgica de avenidas en cuencasmontaosas de la regin oriental de Cuba, especficamente con el empleo del modelohidrolgico HEC-HMS, el cual servir de base para estudios de pronstico deinundaciones, diseos hidrulicos, caracterizaciones fsico-climticas, ordenamientoterritorial, etc.

    Unidad de InvestigacinLa cuenca Las Coloradas, ro Cauto.

    Objeto de la investigacinModelacin hidrolgica de los procesos extremos mximos del ciclo hidrolgico(precipitaciones y avenidas extremas) en la cuenca Las Coloradas, ro Cauto, provinciaSantiago de Cuba.

    Objetivo GeneralObtener experiencias de modelacin matemtica de avenidas con el modelo hidrolgicoHEC-HMS en la cuenca montaosa Las Coloradas para realizar recomendaciones deaplicacin en otras cuencas montaosas de la regin oriental de Cuba, considerando las

    particularidades fsico-climticas y la disponibilidad de la informacin bsica requerida en

    dichas cuencas.

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    Objetivos Especficos1. Generar la informacin que caracteriza a la cuenca y los parmetros hidrolgicos para

    la entrada al modelo HEC-HMS con ayuda del SIG ArcView 3.3 y su extensin HEC-Geo-HMS 1.1.

    2. Modelar la cuenca Las Coloradas con el modelo hidrolgico HEC-HMS y calibrar

    los parmetros de modelacin.3. Realizar recomendaciones de aplicacin del modelo hidrolgico HEC-HMS para elestudio de avenidas en cuencas montaosas de la regin oriental de Cuba, a partir delas experiencias obtenidas en la cuenca Las Coloradas.

    HiptesisLa modelacin hidrolgica con HEC-HMS en la cuenca montaosa Las Coloradas

    permitir obtener experiencias y realizar recomendaciones de aplicacin de dicho modeloen otras cuencas montaosas de la regin oriental de Cuba con escasez de informacin.

    Tipo de Diseo de Investigacin

    Segn el tiempo de ocurrencia de los hechos y registros de la informacin: Retrospectivoy Prospectivo.

    Segn el anlisis y alcance de los resultados: No Experimental; Transversal;Correlacional Causal.

    Mtodos de InvestigacinEn la investigacin se utilizarn mtodos tericos y empricos los cuales constituyen elconjunto de procedimientos o reglas generales por medio de los cuales se investiga elobjeto de estudio de las ciencias y permiten obtener nuevos conocimientos sobre elfenmeno estudiado y desempean un papel importante en la construccin y desarrollo dela teora cientfica.

    Mtodos Tericos Anlisis y sntesis Hipottico deductivo Induccin deduccin Modelacin Enfoque de Sistema

    Mtodos empricos

    Cuantitativos:Corresponden a estos mtodos: Criterio de expertoy Estadstico.

    Cualitativos: Corresponden a estos mtodos: Consulta a documentos oficiales;empleo de registros estadsticos, etc.

    Tareas de Investigacin1. Revisin de la literatura relacionada con los modelos matemticos de simulacin

    hidrolgica, en especifico el HEC-HMS; as como las aplicaciones hidrolgicas delos sistemas de informacin geogrfica, en especial el ArcView 3.3 mediante suextensin HEC-Geo-HMS 1.1.

    2. Estudio de las caractersticas generales del modelo hidrolgico HEC-HMS y anlisis

    de sus aplicaciones especficas. Caracterizacin de los mtodos de clculo queemplea el HEC-HMS para la obtencin de hidrogramas de avenidas.

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    3. Compilacin de la base de datos de la cuenca a partir de sus parmetros fsico-geogrficos e hidrometeorolgicos y anlisis estadstico de la informacinhidrometeorolgica.

    4. Creacin del modelo digital del terreno con ayuda del ArcView 3.3 mediante laextensin HEC-Geo-HMS 1.1, para generar la informacin que caracteriza a la

    cuenca y los parmetros hidrolgicos de entrada al modelo HEC-HMS.5. Modelacin hidrolgica con HEC-HMS en la cuenca de estudio con el empleo de losmtodos de clculo ms apropiados segn los datos y condiciones de la cuenca; ycalibracin de los parmetros correspondientes a dichos mtodos.

    6. Elaboracin de recomendaciones de aplicacin del modelo hidrolgico HEC-HMSpara el estudio de avenidas en cuencas montaosas de la regin oriental de Cuba.

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    CAPTULO 1. ESTADO DEL ARTESimular el comportamiento de una cuenca hidrolgica con la ayuda de un modelomatemtico cobra sentido cuando la informacin obtenida con el mismo resultaimprescindible para lograr un objetivo difcilmente alcanzable por otros medios menos

    costosos. Los modelos facilitan la manipulacin de las variables que intervienen en elproceso de conversin lluvia-caudal, aportando datos sobre la distribucin espacial de laescorrenta superficial y mejorando la calidad de la cartografa temtica sobre zonasinundables y zonas con riesgo de inundacin (Trivio et al, 2004). El anlisis de laescorrenta y de sus consecuencias, entindase principalmente avenidas e inundaciones, se

    puede realizar mediante la utilizacin de modelos hidrolgicos existentes que pueden seraplicados en cuencas de Cuba. Habitualmente para trabajar con estas cuencas, en general

    pequeas y sin estaciones de aforos, se emplean modelos agregados que partiendo de unascondiciones geomorfolgicas y climticas fcilmente observables, consideran que la lluviaes uniforme y las variables hidrolgicas globales y constantes durante el hidrometeoro.Estos modelos son tiles para obtener el valor de los parmetros de diseo necesarios ennumerosos proyectos de ingeniera (Martnez et al, 2000), pero son claramenteinsuficientes para fijar con precisin las reas inundables de un curso fluvial.

    Para el manejo adecuado de cuencas hidrogrficas, se requiere una gestin de los recursoshdricos conjuntamente con el resto de los recursos naturales que conforman el ambiente,empleando para ello variables que cuantifican y caracterizan la distribucin espacial,temporal y probabilstica de los fenmenos que intervienen. Por eso parece ms acertadoimplementar modelos hidrolgicos distribudos o semidistribudos porque utilizando ladistribucin espacial y la variacin temporal de las precipitaciones se aproximan muchoms al funcionamiento real de las cuencas. Estos modelos se apoyan actualmente en el uso

    de herramientas de teledeteccin y sistemas de informacin geogrfica (SIG), facilitando lageneracin de modelos y simulacin de escenarios, orientando a una adecuada toma dedecisiones sobre aspectos territoriales.

    1.1 Generalidades de los modelos matemticos hidrolgicos.

    La modelacin hidrolgica es una de las manifestaciones de la revolucin cientfico-tcnica contempornea ampliamente generalizada en pases desarrollados. El desarrollocientfico-tcnico actual permite el empleo de tecnologas de avanzadas entre las que dichamodelacin ocupa un lugar destacado como herramienta para el anlisis y operacin de losrecursos hdricos. En la actualidad los modelos matemticos son los ms difundidos y

    utilizados en la prctica hidrolgica internacional ya que permiten el funcionamiento de unsistema en situaciones que no se han producido y mejora la visin de estas,(Gonzlez etal, 2000).En la dcada del 60, en el campo de la Hidrologa al igual que en otras ramas dela ciencia y la tcnica, se experiment un auge muy importante en la modelacinmatemtica debido fundamentalmente a la potencia y rapidez de las computadoras y a losavances de las investigaciones matemticas. La aplicacin de las tecnologas relacionadascon la modelacin matemtica de las cuencas contribuye a mejorar el conocimiento de lasdisponibilidades de los recursos hdricos y a desarrollar polticas racionales deadministracin de los recursos hidrulicos que garanticen el desarrollo sustentable.

    Muoz (1998) plantea que un modelo hidrolgico comprende un conjunto de abstracciones

    matemticas que describen fases relevantes del ciclo hidrolgico, con el objetivo desimular numricamente los procesos identificados en el estudio. Los resultados de la

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    modelacin son muy tiles en el apoyo, planificacin y diseo de obras hidrulicas, comotambin para tener un mejor conocimiento de los procesos que intervienen en latransformacin de lluvia-escurrimiento (Montenegro et al, 1998).

    La terminologa utilizada en la modelacin hidrolgica pertenece a una teora ms general

    que recibe el nombre de Teora de Sistema, en la que se manejan conceptosfundamentales como son las leyes, estructuras, variables y parmetros; y el conocimientoprofundo de estos conceptos es lo que permite la concepcin y utilizacin adecuada de losmodelos (Gonzlez et al, 2000). Un modelo en gran medida refleja las condiciones fsico-geogrficas y las bases de datos del lugar o zona para el que fue desarrollado.

    Las distinciones que frecuentemente se hacen entre los diferentes tipos de modelosexistentes pueden llevarse desde muchos puntos de vista, existiendo clasicaciones,generalmente de tipo dicotmico, segn qu aspecto del propio modelo sea el que se tieneen cuenta a la hora de clasicar. Estas divisiones permiten separar modelos cuyaformulacin computacional se presta a una implementacin prctica distinta, as como por

    motivos netamente didcticos, se consideran los siguientes criterios: Modelos fsicos yconceptuales o abstractos, Modelos de suceso y continuos, Modelos agregados ydistribuidos y Modelos segn su objetivo(Olaya, 2004).

    Los modelos hidrolgicos entendidos como una aproximacin al funcionamiento real deciclo del agua en una cuenca vertiente se pueden clasificar en fsicos y abstractos (Trivioet al, 2004). Los primeros incluyen modelos que representan el sistema a una escalareducida. Los modelos abstractos representan el sistema en forma matemtica y laoperacin del sistema se describe por un conjunto de ecuaciones que relacionan lasvariables de entradas, de estado y de salidas, a partir de las hiptesis y de los parmetrosque describen el sistema (Gonzlez et al, 2000). A su vez los modelos abstractos deacuerdo con la aleatoriedad de las variables empleadas pueden ser estocsticos odeterministas (Trivio et al, 2004).Las variables de estos pueden estar en funcin delespacio y del tiempo, tambin pueden ser variables probabilsticas o aleatorias que notienen un valor fijo en un punto particular del espacio y del tiempo, pero que estndescritas a travs de distribuciones de probabilidad. Un modelo determinstico nocontempla aleatoriedad, una entrada dada produce siempre la misma salida bajo unascondiciones de estado fijas, (Gonzlez et al, 2000).En cuanto a la variabilidad temporal,los modelos determinsticos se dividen en modelos de flujo permanente y modelos deflujo no permanente. Un modelo estocstico tiene salidas que son por lo menos

    parcialmente aleatorias, las variables son regidas en todo o en partes por leyes al azar, y

    por tanto caracterizadas en trminos de probabilidad. Los modelos estocsticos seclasifican como independientes del tiempo y correlacionados con l: un modeloindependientedel tiempo representa la secuencia de eventos hidrolgicos que no influyenentre s, en el caso contrario, el modelo representa una secuencia en la cual el suceso estainfluido por el evento anterior o los anteriores.

    Los modelos determinsticossuelen tener una mayor posibilidad que los estocsticos parasimular el escurrimiento del ro a nivel horario o diario, dado fundamentalmente por el altogrado de reflejo de la realidad que tienen sus algoritmos en la simulacin del ciclohidrolgico en su fase terrestre. Se tienen diferentes criterios a favor de los modelosdeterminsticos frente a los estocsticos y viceversa. En la actualidad se observa una

    actividad conciliadora entre ambas lneas de modelacin, la cual tiene su campo deaplicacin bastante delimitado. Los modelos estocsticos tienen su fundamento en el

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    mximo aprovechamiento de la informacin contenida en las muestras analizadas. Laventaja fundamental que representan, en comparacin con los determinsticos,es que suformulacin estocstica posibilita la obtencin de la incertidumbre en las estimaciones delos elementos constitutivos del modelo (Gonzlez, et al, 2000).

    Una primera divisin conceptual es la basada en el perodo de tiempo considerado comoobjeto de la modelacin. Mientras que los modelos de sucesocalculan los parmetros especialmente hidrogramas asociados a una lluvia concreta con una duracinrelativamente reducida (horas o das), los contnuos estn principalmente dirigidos alestudio del rgimen hidrolgico sobre un intervalo de tiempo de magnitud muy superior alde los anteriores, debiendo incorporarse en la modelacin ciertos elementos y procesos que

    pueden ser despreciados en los modelos de suceso.

    En general, los modelos de sucesosuelen situarse dentro de los denominados de proyecto,utilizados, entre otras cosas, para el dimensionamiento de obras o el anlisis de laextensin de las zonas inundables. Por su parte, los modelos contnuosse sitan ms cerca

    de los conocidos como modelos predictivos, ms enfocados hacia la estimacin a corto ymediano plazo a partir de datos observados, pudiendo incluir as mismo prediccionesmeteorolgicas como datos de entrada (Olaya, 2004).

    La divisin de mayor relevancia es, sin duda, la establecida en funcin del tratamiento quese de a las diferentes unidades en que se divide la zona objeto de anlisis y lascaractersticas de dichas unidades (Olaya, 2004). Los modelos agregados consideran lascuencas y subcuencas como unidades de trabajo, mientras que en los distribuidos lasunidades, adems de tener generalmente menor tamao y estar denidas de forma regular,no tienen un signicado hidrolgico tan denido ni representan elementos hidrogrcosconcretos. La estructura de los MDTs y mallas de datos adicionales, as como de lasimgenes areas o procedentes de sensores remotos, todas ellas ya divididas en unidadesmnimas (celdas o pxeles), hace que resulte natural el emplear estas mismas unidadestambin como unidades hidrolgicas, existiendo por tanto una tendencia natural a plantearsobre dicha estructura modelos de tipo distribuido.

    A diferencia de los modelos de parmetros agregados, los distribuidos prestan mayoratencin a la distribucin espacial de los datos en la cuenca, pero no slo a los asociadoscon el escurrimiento superficial del agua sino tambin a factores climticos como las

    precipitaciones. Con ellos se supera la escala de trabajo habitual de los modeloshidrulicos, los cuales se cien casi exclusivamente al cauce como consecuencia de la

    utilizacin de las secciones transversales de los ros para realizar los clculos. Los modeloshidrolgicos distribuidos se aproximan mucho ms a la realidad al aceptar que laescorrenta es una respuesta hidrolgica contnua en el espacio y en el tiempo que afecta dedistinta manera a toda la superficie de la cuenca. Estos modelos simulan la escorrenta enun lugar concreto considerando la influencia del espacio adyacente, es decir, las zonas quedirecta o indirectamente intervienen en l vertiendo y drenando el agua precipitada(Trivio et al, 2004). Adems ofrecen varias posibilidades tanto para el tratamiento de la

    precipitacin como para la gnesis de la escorrenta y la traslacin de la misma sobre lacuenca con el fin de sintetizar el hidrograma del evento. Las posibilidades del tratamientode la precipitacin son mltiples, habindose desarrollado rutinas que permiten tanto eltratamiento agregado como distribuido de la misma. Para la gnesis de la escorrenta

    directa se ha planteado la aplicacin distribuida.

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    Los modelos de parmetros distribuidosde una cuenca ofrecen una ventaja fsica ya querepresentan la variabilidad espacial de factores que controlan el escurrimiento y refuerza el

    proceso de la prediccin hidrolgica. Ellos evitan promediar parmetros y entradas pararepresentar ms fielmente las caractersticas de la cuenca.Cualquier modelo distribuidoorientado a la simulacin de eventos hidrolgicos debe tratar tres problemas bsicos:

    La distribucin de la precipitacin total sobre la cuenca. La sntesis de lluvia neta en cada punto a partir de la precipitacin total y de las

    caractersticas de la cuenca. La traslacin de la lluvia neta desde cada celda hasta la salida de la cuenca, para

    generar el hidrograma del evento.

    El problema de los procedimientos a seguir en la modelacin de un sistema hidrolgico esanalizado ampliamente en la bibliografa a escala mundial, los parmetros generales son:

    Definicin del problema a modelar. Eleccin del tipo de modelo. Calibracin o estimacin de los parmetros. Validacin de los parmetros. Usar el modelo calibrado en la solucin del problema planteado.

    Por todo lo estudiado sobre los mtodos se puede decir que la Hidrologa esta sujeta engran medida a tener que usar modelos matemticos que reflejen el menor o mayor grado larealidad en funcin de los objetivos del estudio. Seria interminable hacer un resumencompleto de los modelos matemticos en Hidrologa e imposible listar todos los casos enque han sido utilizados. Los principales casos en que es comn utilizar los modelosmatemticos son:

    En el estudio del desarrollo de los recursos hdricos de una regin. En el planteamiento, diseo y operacin del sistema de explotacin de los recursos

    hdricos. En el diseo hidrolgico de las obras hidrulicas. En la previsin y mitigacin de desastres. En la valoracin del impacto ambiental que provoca la actividad humana sobre el

    sistema hidrolgico.

    La presente investigacin ha posibilitado tener una idea de cmo se manifiestan losmodelos en el mundo de la Hidrologa, esto permite poder tener una mayor precisin a lahora de saber lo que se desea y cul es el camino a escoger para resolver una situacindada. Dentro de todos estos existen modelos hidrolgicos de alta tecnologa por solo

    mencionar algunos como el RAINFLO que es un modelo espacialmente distribuidofundamentado en una analoga topolgica, el HYMOS desarrollado para la Hidrologa deagua superficial y subterrnea e incluye simulaciones de precipitacin-escurrimientosuperficial, el modelo distribuido Geo-morphological Based Hydrological Model(GBHM), el de Hidrologa suelo y vegetacin(DHSVM), el IPHMENes un modelo dePrecipitacin-Descarga, el de Lluvia-Escorrenta GR4J. Los modelos hidrodinmicosEZEIZA y MIKE 11. Los modelos determinsticos de base fsica R.Water.fea, elCASC2D, el Systeme hidrology Europeo (SHE). El modelo conceptual de lluvia-escurrimiento (CRR), el modelo sacramento de la cantidad de humedad de suelo (SAC-SMA),y el HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System),el cual posee una variedad de opciones para simular procesos de precipitacin

    escurrimiento, trnsito de caudales, entre otras opciones utilizando para ello elHidrogramaUnitario (Feldman, 2000).

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    Como se puede apreciar existe una gran variedad de modelos matemticos de simulacinhidrolgica ampliamente esparcidos por todo el mundo con resultados satisfactorios en suaplicacin. En Cuba la modelacin hidrolgica no ha sido de amplia explotacin en cuantoa modelos de alta tecnologa existentes en el mundo debido a que estos son generalmentede difcil adquisicin por sus altos costos. En los ltimos aos diferentes estudios del pas

    realizados por parte del INRH, universidades y centros de investigacin han empezado autilizar modelos hidrolgicos como el HEC-HMS, debido a que es un modelo deterministade parmetros semidistribuidos, que proporciona a sus usuarios varias opciones parasimular el comportamiento de la escorrenta superficial, es de adquisicin gratuita y deamplio uso internacional, sobre todo en pases de Latinoamrica como Brasil, Bolivia,Mxico, Ecuador, Nicaragua, El Salvador y Honduras entre otros.

    1.2. Enfoque terico y aplicacin del HEC-HMS.

    El HEC-HMS se reconoce como el sucesor y reemplazante del HEC-1, es una versinmejorada para el entorno Windows que puede clasificarse como un modelo determinstico,

    tipo evento y/o contnuo, distribuido y/o agregado y de propsito general. Este programasimula procesos de precipitacin escurrimiento y procesos de trnsito de avenidas tantocontrolados como naturales. El HEC-HMS es utilizado a nivel mundial para determinaravenidas por lluvias intensas en una determinada cuenca. Proporciona a sus usuarios variasopciones para simular el comportamiento de la escorrenta superficial, entre ellas se haincluido el mtodo del hidrograma unitario para la obtencin del caudal punta y algoritmos

    para la asignacin de rutas a los caudales, esto ltimo con la particularidad de que puedeser implementado en un formato rster legible por los SIG.

    Los modelos hidrolgicos basados en datos rsterincluyen:1) Representacin de la celda con sus atributos asociados al centro del elemento: rea,

    pendiente, orientacin, longitud, ancho, superficie drenada y otros parmetros asociados.2) Produccin del escurrimiento como una fuente puntual segn el balance de aguaaplicado al centro de la celda. Este flujo se propaga a otras celdas aguas abajo conforme aocho direcciones posibles (alguno de sus ocho elementos vecinos).

    Este mtodo, propuesto por Greysukh (1967), utiliza el MDE para inspeccionar celdasadyacentes y calcular la diferencia de elevacin con respecto a cada una a fin de encontrarla pendiente mayor y, por ende, la direccin preferencial del flujo. Una vez definidas lasdirecciones del flujo es posible establecer una secuencia de clculo para ir acumulando losescurrimientos hacia aguas abajo.

    Para trabajar con el HEC-HMS, adems de las especificaciones tcnicas de la simulacin,son imprescindibles los datos de las precipitaciones y de las caractersticas morfolgicas dela cuenca. Puesto que en este tipo de modelo se coloca el nfasis en la distribucingeogrfica de la informacin y sus variaciones en el tiempo, resulta crucial evitar erroresrelacionados con la componente espacial y las series temporales de los datos,especialmente en lo que concierne al medio fsico-ecolgico, pues se ha contactadoempricamente su influencia en la continuidad del fenmeno lo que repercute en la calidadde los resultados de la simulacin. Esto tambin sucede con los errores de etiquetado queafectan a la componente temtica de los usos del suelo (formaciones vegetales incluidas),situndose el grado de exactitud entre el 60 y el 85% en dependencia de la complejidad del

    rea de estudio (Choudhry et al, 1998).

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    1.2.1 Aplicaciones del HEC-HMS.Mltiples son los estudios que se han realizado en diferentes cuencas del mundo con ayudade este modelo hidrolgico y variadas son las soluciones que han dado para su aplicacin.

    En la cuenca del ro Morochataen Bolivia, se determinaron los caudales de crecidas a

    diferentes perodos de retorno. Para su aplicacin se emplearon varios mtodos de clculo,en las prdidas iniciales se emple el mtodo del nmero de curva del Servicio deConservacin del Suelo (SCS) del Departamento de Agricultura de los EE.UU., en latransformacin de lluvia-escurrimiento el mtodo del hidrgrafo unitario (HU) de Snyder yel del SCS; y para el flujo base asumieron que no existe debido a que no poseen estacionesde medicin en la cuenca para obtener informacin de los parmetros hidrolgicos. Al nocontar con informacin de las secciones del ro para el trnsito de avenida el autor asume elmtodo de trnsito Lag ya que es el ms simple, donde el hidrograma de salida es igual alde entrada, el flujo no es atenuado y la forma del hidrograma no cambia; normalmente esusado en canales de drenaje urbano. Un aspecto a tomar en cuenta en estudios de este tipoes que al no existir estaciones hidrometeorolgicas automatizadas en la zona donde los

    parmetros hidrolgicos sean medidos y registrados, se corre el riesgo de imprecisin delos resultados por la escasa disponibilidad de informacin y por no tener la posibilidad decomparar los valores observados con los simulados, de manera que los modelos se puedancalibrar para adecuarlos a las condiciones del medio. La falta de informacinhidrometeorolgica es una limitante que golpea en muchos lugares la obtencin decaudales de avenidas para el desarrollo de proyectos para prevencin de inundacin debidoa la escasez de estaciones, por lo que muchos autores proponen el uso de informacin deotras cuencas con caractersticas similares a la zona de estudio.

    Un estudio similar se realiz, en la cuenca Taquia(Ampuero), ubicada a 4 Km. al norte

    de la ciudad de Cochabamba, en la vertiente sur de la cordillera Tunari. El estudiocontempla la modelacin hidrolgica de la cuenca Taquia considerando el trnsito delhidrograma generado por una subcuenca a travs de la laguna Taquia, la misma se ubicaen la parte superior de la cuenca y ha sido acondicionada para embalsar agua, funcionandode esta manera como una represa que tiene por objetivo regular el escurrimiento superficialdel rea por lo que es importante en trminos de amortiguamiento de avenidas extremas. Eltrnsito de hidrogramas se realiz en dos partes: el trnsito de hidrogramas en el ro por elmtodo Lag debido a la falta de disponibilidad de datos de las secciones del ro Taquia; yel trnsito de avenidas en reservorios de la subcuenca. El trnsito de avenidas enreservorios es una tcnica que se emplea para conocer el cambio de forma y eldesplazamiento en el tiempo del hidrograma de entrada y salida del reservorio (CFE,

    1986). Para efectuar el mismo se debe conocer las relaciones entre almacenamiento ycaudales de salida. Para establecer esta relacin es necesario manejar dos tipos de curvas:la de elevaciones - volmenes de almacenamiento del reservorio, y la de elevaciones -volmenes de salidapor la obra de excedencias. La primera curva se obtiene a partir de los

    planos topogrficos del vaso; la segunda, si se trata de un vertedor de cresta libre, essimplemente la curva de descarga de esa obra de excedencias. Mediante estas dos curvas se

    puede conocer, para cada volumen almacenado en la presa, la elevacin del agua y con estael gasto de salida, y de ah la relacin volumen de almacenamiento-caudal de salida(Chow, 1994). En este trabajo el trnsito del hidrograma de salida del reservorio se deberahaber realizado con un mtodo que considere la forma de las secciones transitadas, debidoa que el empleado no es el adecuado porque en condiciones reales la forma del hidrograma

    transitado no sera la misma.

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    El Centro de Ecologa, Pesquera y Oceanografa del Golfo de Mxico de la UniversidadAutnoma de Campeche (Centro EPOMEX, UAC), junto con el Instituto Mexicano deTecnologa del Agua (IMTA), se han dado a la tarea de crear un modelo de la cuenca delro Candelaria, Campeche (Sanvicente et al, 2006), a travs del HEC- HMS, empleandoel Modclark que corresponde a un modelo distribuido. La finalidad de este proyecto es

    observar el comportamiento hidrolgico superficial tomando en cuenta la relacincobertura vegetal-escurrimiento. La creacin del modelo hidrolgico de la cuenca del roCandelaria se llev acabo utilizando ARC-HYDRO y HEC-Geo-HSM 1.1 que sonextensiones del ARC-VIEW 3.x, el cual es una herramienta que permite manejar,visualizar, explorar, manipular la informacin geogrfica, preguntar y analizar datosespacialmente (Maidment et al, 2000). El Modclark es uno de los modelos con que cuentael HEC-HMS y se distingue por trabajar bajo una malla de celdas, cada una de ellascontiene informacin nica que describe las condiciones reales en la cuenca (Feldman,2000). El autor plante que a partir del modelo hidrolgico podrn ser evaluados diferentesescenarios de deforestacin, reforestacin y conservacin, lo que apoyar a la toma dedecisiones en cuanto al manejo hidrolgico y forestal del ro Candelaria y su impacto en la

    Laguna de Trminos. Aunque las dimensiones de la cuenca del ro Candelaria presuponenun manejo de la misma a escala 1:250,000, el trabajar con topografa escala 1:50,000

    permiti una definicin ms precisa de las caractersticas hidrolgicas de la cuenca a travsdel MDE (red de drenaje, direccin del flujo, parteaguas, etc).

    En el estudio hidrolgico del ro Arlanzn a su paso por el Trmino Municipal deBurgos (Oleagordia),para conocer el riesgo de inundacin por las aguas de los rosArlanzn, Vena, Cardeadijo y Ubierna, la determinacin de los caudales se realizmediante el HEC-HMS versin 2.2.2; y para la simulacin hidrulica se empleo elHEC-

    RAS. El objetivo fundamental de ese trabajo fue la elaboracin de la cartografa de laszonas de inundacin en el Trmino Municipal de Burgos a escala 1/5000 y la de riesgo deinundacin a escala 1/10000; y establecer una serie de recomendaciones de los usos quedeben otorgarse al suelo en funcin del riesgo que posea frente a las inundaciones. Laestimacin de la escorrenta se realiz con el mtodo del nmero de curva (Ferrer,2000; Montalbn et al., 2003). La escorrenta generada se transforma en caudal a partir delos hidrogramas de respuesta a los aguaceros de diseo, empleando los mtodos delhidrograma unitario triangular de Tmez (M.O.P.U., 1987) y el hidrograma adimensionaldel S.C.S. (Ferrer, 2000). Estos hidrogramas son agregados al caudal base de cada cauce.El caudal base de cada ro en cada una de las unidades hidrolgicas se ha calculadomediante el ajuste de la relacin caudal-superficie de toda la cuenca, elaborado a partir delos datos foronmicos de las tres estaciones existentes en el Arlanzn. Una vez que el

    hidrograma se ha incorporado el caudal base se transita a lo largo del cauce o de losembalses existentes en la cuenca. Se definieron 12 tramos de laminacin en el roArlanzn, uno en el Vena y otro en el Ubierna. La laminacin en el cauce se realizmediante el mtodo MuskingumCunge aplicado en secciones transversales definidas con8 puntos seleccionados del levantamiento topogrfico. La longitud de cada tramo se dedujode la cartografa disponible. Los coeficientes de rugosidad de Manning se fijaron siguiendolas pautas descritas en el clsico manual de Chow. Se obtuvo la relacin bsica entre elcaudal desaguado y el volumen de agua almacenado y se introdujo en HEC-HMS paradefinir adecuadamente la funcin de almacenamiento-caudal. Su autor concluy que con lacartografa de la ocupacin de las avenidas y de las zonas de riesgo se establece unarelacin de los efectos que producen los diferentes caudales para las avenidas de 50, 100 y

    500 aos.

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    En el XIV Congreso Internacional de Ingeniera Grfica en Santander, Espaa junio del2002 (Etxeberria et al, 2002) se present una metodologa para la creacin de mapas deinundacin utilizando Sistemas de Informacin Geogrfica y modelos hidrolgicos ehidrulicos. Se realizaron mapas de precipitacin para diferentes perodos de retorno ymapas de umbral de escorrenta (mtodo del nmero de curva del SCS), calculndose a

    partir de ellos diferentes mapas de escorrenta superficial en formato rsterde 20 m x 20m. Se obtuvieron los caudales de inundacin mediante el modelo hidrolgico HEC-HMS.Se realiz el modelado hidrulico con HEC-RAS y se calcul la altura del agua en lassecciones. Finalmente se obtuvo un mapa de las zonas que resultaran inundadas enformato rster 5 m x 5 m a partir de la diferencia entre el mapa de altura del agua(interpolada entre las secciones) y el Modelo Digital del Terreno. La metodologa fueajustada a las caractersticas del territorio histrico de Gipuzkoa (Norte de Espaa) y seaplic en el valle de Oiartzun, donde se obtuvieron los resultados.

    En el mbito nacional se han desarrollado en los ltimos aos aplicaciones del HEC-HMS.En la cuenca del ro Jaruco en Ciudad de La Habana (Carmona et al, 2006) se emple

    dicho modelo con el objetivo de estudiar la cuenca aguas abajo del embalse hasta laconfluencia con ro Blanco. Los autores tuvieron resultados satisfactorios ya que lasimulacin del proceso lluvia-escurrimiento en la zona seleccionada les permiticumplimentar los objetivos que se haban propuesto. La aplicacin del modelo HEC-HMSles permiti obtener una caracterizacin hidrolgica satisfactoria de cada subcuenca,logrndose resultados importantes tales como los hidrogramas de las avenidas paradiferentes puntos del sistema fluvial mediante la aplicacin de modelos de prdidas, detransformacin de precipitacin en escurrimiento y de trnsito de avenidas por losdiferentes tramos de las corrientes fluviales que se analizaron.

    En la propia cuenca Cauto - Estacin Las Coloradas se realiz un estudio preliminar parael clculo de los caudales de avenidas de diseo con el empleo del HEC-HMS (Martnezet al, 2008) para tormentas a diferentes perodos de retorno. En el trabajo se plantea que elcoeficiente de la cuenca (Ct) que representa variaciones de los tipos y localizaciones de losros y es utilizado para obtener el tiempo Lag Standard de Snyder (Tp), no se ajusta a lascondiciones de esta regin montaosa en el rango tpico comnmente utilizado (entre 1.8 y2). El mismo ha tenido buenos resultados en regiones de cuencas generalmente llanas degrandes dimensiones. Para obtener dicho coeficiente en la zona de estudio se realiz unaverificacin de las tormentas por aos, determinando preliminarmente que el Ct puedevariar en un intervalo de 0.5 a 1.0, asumiendo 0.65. A su vez, el valor del coeficiente al

    pico Cp se asumi igual a 0.6.

    En la cuenca del ro Zaza (Rodrguez et al, 2009) se enfoc un estudio de simulacinhidrolgica de eventos extremos mximos donde se analizaron dos variantes, que a su vezse subdividen, para un total de dieciocho casos alternativos en la forma de obtener loshietogramas de los aguaceros considerando la humedad del suelo, la direccin de latormenta, el nivel inicial en el embalse Zaza, as como la probabilidad de ocurrencia de la

    precipitacin. Se trabaj con los mismos modelos de prdidas, de transformacin de lalluvia en escurrimiento y de trnsito de avenidas por el ro. La investigacin condujo a unaserie de resultados que permitieron analizar, preliminarmente, como se comporta la cuencaante diferentes situaciones de lluvia, de humedad del suelo y de nivel en el embalse.

    Dos estudios preliminares fueron desarrollados para ros de la regin montaosa oriental:Sagua-El infierno y Bayamo-La Virgen (Saidou et al, 2009; Gonzlez et al, 2009),

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    teniendo ambos como objetivo encontrar el modelo conceptual de ambas cuencas y lacalibracin en stas del modelo HECHMS 3.3 para la instalacin de un Sistema deGestin de Alerta Temprana. Para ello, se realiz un trabajo previo en el SIG Arcview 3.3y despus se hizo la modelacin hidrolgica. Como informacin conocida se tuvo la lluviaacumulada en un da, medida por los pluvimetros y los registros de un pluvigrafo situado

    en el cierre de la cuenca. Se modelaron dos eventos de avenidas extremas que permitieronconocer como se comporta la cuenca en condiciones naturales. Los autores recomendaroncontinuar el estudio con la calibracin de otras avenidas y la simulacin de diferentesescenarios posibles.

    1.3. Los Sistemas de Informacin Geogrfica (SIG).

    Los Sistemas de Informacin Geogrfica, tambin conocidos con el acrnimo SIG, haninspirado tantas definiciones como personas hay que escriben sobre ellos. Desde un puntode vista global un SIG puede ser considerado un conjunto organizado de hardware,

    software, datos y tcnicas eficientemente diseadas para la captura, almacenamiento,

    actualizacin, manipulacin, visualizacin y anlisis de informacin geogrficamentereferenciada (NCGIA, 1990). Efectivamente, el trmino SIG alude a un sistema deinformacin espacial automatizado e internamente referenciado, diseado para la gestin yanlisis de datos espaciales y la elaboracin de cartografa. Berry (1990) seala que lanaturaleza de los datos geogrficos con los que trabajan estos sistemas pueden ser de dosclases: espacialmente agregados, como por ejemplo, las clasificaciones edafolgicas; ogeogrficamente referenciados. Esta ltima categora la conforman datos espacialmentecoherentes y representables en un mapa. Los mapas digitales pueden ser manipuladosautomtica o manualmente, mientras que su referenciacin con respecto al sistema deinformacin espacial puede ser externa o interna. De acuerdo con Berry (1990),un sistemaexternamente referenciado utiliza el ordenador para almacenar la informacin de distintasreas geogrficas, sin embargo, la localizacin de cada una de ellas est indicada en mapasseparados. Por el contrario, los sistemas internamente referenciados poseen un enlaceautomtico entre la componente temtica (los atributos alfanumricos) y la espacial (lalocalizacin geogrfica y las propiedades espaciales de los objetos). Estos mapas digitalesconstituyen las bases fundacionales de los verdaderos SIG.

    Estos sistemas cuentan con un gran nmero de funciones que les confieren una elevadaoperatividad. Entre las ms productivas destacan las funciones de introduccin de datos yanlisis espacial. En lo que se refiere a la modelacin de la componente espacial estasherramientas aceleran los procesos de desarrollo e implementacin de modelos

    hidrolgicos. Los SIG pueden actuar a modo de plataforma para la experimentacin rpidade nuevas ideas y conceptos (elaboracin de prototipos). Otra de las cualidades bienvaloradas de los SIG son sus aportaciones para la mejor interpretacin y anlisis demodelos y sistemas. La estructura de datos en capas o estratos de informacin es intuitiva y

    posibilita que los modelos puedan ser interpretados con menor esfuerzo. Esta herramientabrinda al investigador la posibilidad de visualizar y entender con claridad las relacionesespaciales. Las estructuras y operaciones de los SIG garantizan que no se pierda lacoherencia espacial en ninguno de los pasos de la modelacin. Los valores de entrada,intermedios y de salida preservan en todo momento la georreferenciacin y sus relacionestopolgicas. Adems, el usuario no est obligado a trabajar con la totalidad del sistema,sino que puede determinar qu procesos estn sucediendo y qu salidas se estn generando

    en cualquier localizacin del rea estudiada. Eso s, todos los parmetros y procesospermanecen distribudos dentro del sistema o modelo.

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    Los SIG permiten el trabajo en un amplio campo de aplicaciones como son: produccin yactualizacin de la cartografa bsica en la elaboracin de mapas; combinacin deinformacin grfica o alfanumrica; desarrollo de trabajos de ingeniera, inventarios,

    planificacin de redes y gestin de mantenimiento; regulacin del uso de la tierra conanlisis de elementos puntuales (sondeos o puntos topogrficos), lineales (perfiles, tendido

    de electricidad), superficies (reas de explotacin) y volumtricos (capas geolgicas);administracin de servicios pblicos (acueducto, alcantarillado, energa, telfonos, etc.);control ambiental (saneamiento bsico ambiental y mejoramiento de las condicionesambientales, educacin ambiental) en reforestacin, explotaciones agrcolas, estudios derepresentatividad, caracterizacin de ecosistemas, estudios de fragmentacin, estudios deespecies, etc. Su aplicacin en la Hidrologa es de gran importancia y cada da ganan msterritorio en campos del procesamiento y almacenamiento de datos.

    1.3.1 Aplicaciones de los Sistemas de Informacin Geogrfica en la modelacinhidrolgica.

    Es necesario tener en cuenta dos consideraciones que ayudan a entender mejor el valor que

    los SIG estn adquiriendo en la construccin de modelos hidrolgicos. La primera de ellases la aceptacin generalizada de que son una herramienta muy productiva. El segundoargumento hace referencia a sus importantes aportaciones de cara a la aprehensin de lossistemas y modelos hidrolgicos. Estas dos circunstancias legitiman su utilizacin eninvestigaciones vinculadas a la Hidrologa. Ms, si cabe, cuando en el futuro los avancesen este campo dependern de nuevas visiones y adelantos conceptuales, muchos de loscuales pueden surgir de la utilizacin de modelos hidrolgicos en los SIG.

    La mayor parte de las aplicaciones hidrolgicas llevadas a cabo en los SIG sonevaluaciones de riesgos naturales y estudios de localizacin. Ambas tienen muchosaspectos en comn e incluso poseen un cierto parecido aunque disponen de un tratamientodiferente. En los estudios de localizacin de actividades las condiciones para laimplantacin son conocidas a priori, en estos casos la aplicacin de operadores booleanos adatos de distinta naturaleza se ha mostrado muy eficaz para sondear con rapidez las reasms apropiadas y desfavorables para la instalacin de una determinada actividad. Por su

    parte, en las evaluaciones de riesgos naturales se ejecutan operadores aritmticos algo mscomplejos con el propsito de generar ndices sobre la totalidad o una seccin de la cuencahidrogrfica. Estos ndices generalmente dan como resultado una representacin aritmticay ponderada de los atributos ms relevantes para el estudio (Morad et al, 2001).

    En las modelaciones hidrolgicas se debe diferenciar con claridad lo que es el conjunto de

    procedimientos y recursos utilizados en el proceso de modelacin, de la manera en queestos se implementan en los SIG. La mayor parte de los investigadores utilizan estaherramienta para generar parmetros que den un sentido lgico a la modelacin. Para ellose emplean procedimientos de clculo ya existentes que normalmente han sido ideadosfuera del campo de los SIG, convirtindolos en una mera herramienta para la gestin deinformacin geogrfica. Un ejemplo de esto lo encontramos en Muzik (1988), quealiment un SIG con datos de usos del suelo y clasificaciones edafolgicas bajo la premisade calcular automticamente la relacin matemtica entre precipitacin y escorrenta enreas concretas de cuencas hidrogrficas. Otros como Berry y Sailor (1987) utilizandodatos topogrficos han calculado eso mismo y adems han estimado los tiempos necesarios

    para la acumulacin de agua. Wolfe y Neale (1988) han descrito la aplicacin de un SIG

    para el desarrollo de un modelo hidrolgico espacialmente distribuido y parametrizado(Finite Element StoreHydrograph Model, FESHM). En este caso particular el modelo se

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    compone de dos partes que precisan niveles de discretizacin diferentes. La primera deellas observa la aparicin de escorrenta en el rea de estudio. Su clculo es realizado paracada una de las superficies identificadas como unidades de respuesta hidrolgica(Hydrological Response Units, (HRU). Las HRU sencillamente son reas con un mismocomportamiento y capacidad de respuesta ante las precipitaciones. Esta primera

    discretizacin se consigue integrando, gracias a la funcin de superposicin de polgonosde los SIG, los usos del suelo con la clasificacin edafolgica. La otra parte del FESHManaliza la direccin, sentido y cantidad de escorrenta, para lo cual la zona del estudio debetambin discretizarse mediante la identificacin de subcuencas de drenaje. Esto ltimodesarrollando un modelo digital de elevaciones (MDE) en el SIG.

    Relacionado con el modelo anterior White (1988) ha utilizado los SIG para combinar elgrado de permeabilidad del suelo con las cantidades de precipitacin recogidas, hallando ladistribucin de los valores de escorrenta. Por su parte Steube y Johnston (1990) los hanempleado para delimitar cuencas y estimar la cantidad total de agua que podra drenar unrea concreta. De este modo se completa de principio a fin dentro de un entorno SIG un

    mtodo para hallar la relacin matemtica existente entre precipitacin y escorrenta.Posteriormente Choudhry et al (1997) utilizaron el conocido Arc/Info GIS de ESRI paraconstruir modelos de escorrenta. Estos estudios y sus aplicaciones han demostradofehacientemente las ventajas que conlleva la modelacin de la distribucin espacial dedatos hidrolgicos.

    El Instituto de Geociencias Aplicadas de Darmstadt en Alemania, con el propsito de hacerun anlisis hidrolgico, emple el Hydro Tools v. 1.0, para la obtencin del rea decaptacin y el movimiento de partculas en modelaciones hidrolgicas. Geomer GMBH yla sociedad de ingenieros Ruiz Rodrguez Zeisler, de Alemania (2002), con el objetivo deanalizar las reas de inundacin a partir de niveles de agua, hidrgrafo y tormenta,implementaron FloodAreael cual le permite declarar la ubicacin de posibles barreras deflujo, as como la presencia de fallas en las mismas. Olaya (2004) utiliz el WatershedModelling System (WMS), el cual se presenta como una herramienta con capacidadesSIG y dotada de un intuitivo entorno grfico, mediante la cual pueden calcularse gran partede los parmetros requeridos para la modelacin hidrolgica. El Departamento de Asuntosdel Agua y Ciencias Forestales de Pretoria, Sudfrica (2003) centr su estudio con laherramienta SIG Basin 1teniendo como principal funcin la de trabajar con la delineacinde cuencas, aunque tambin brinda otras posibilidades como la creacin de la red dedrenaje, clasificacin del sistema fluvial y conocimiento del recorrido de una gota de aguadesde cualquier punto.

    Estos sistemas tambin permiten resolver cuestiones vinculadas con la delimitacin decuencas hidrolgicas. Es un hecho constatado y comn que la delimitacin topogrfica decuencas no tiene por qu coincidir con los lmites de las unidades de respuesta hidrolgica(HRU). De hecho, se debe recordar que estas reas se delimitan atendiendo exclusivamentea la clasificacin edafolgica y a los usos del suelo, y no a la topografa. Por esa razn, sise desea conocer la cantidad total de escorrenta que le corresponde a una subcuenca, senecesita ejecutar las funciones de superposicin de polgonos. La escorrenta total es iguala la suma de las cantidades de agua contenidas por los polgonos completos y losfragmentos de polgonos de las HRU que quedan en el interior de la subcuenca.

    Los SIG estn capacitados para interpretar las condiciones geogrficas de la cuenca ytraducirlas a objetos con propiedades geomtricas y atributos. Una vez que las variables

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    hidrolgicas son convertidas en capas de informacin georreferenciada, sus funciones deanlisis espacial nos permiten realizar operaciones de lgebra de mapas para obtener datostan relevantes como las pendientes topogrficas o los coeficientes de escorrenta. Algunosde estos datos incluso se obtienen a partir de un Modelo Digital de Elevaciones (MDE), esdecir, de una representacin digital fehaciente de la distribucin espacial de la altitud

    de la superficie del terreno (Felicsimo, 1998), siendo los SIG el instrumento msadecuado para crearlos. Precisamente, el MDE ocupa un lugar destacado dentro del modelohidrolgico, no en vano existe una correlacin evidente entre la informacin hipsomtricay el sentido de los flujos, y en consecuencia, es imprescindible para simular la circulacinde la lluvia efectiva.

    Como fuente de datos para la generacin de modelos digitales de elevaciones larepresentacin cartogrfica sigue siendo una representacin econmica y accesible,

    particularmente para los investigadores que pretenden generar sus propios modelos, a pesarde los adelantos tcnicos capaces de obtener informacin tan densa y precisa como searequerida, el principal problema radica en la seleccin de los datos adecuados para la

    generacin de los MDE debido al volumen de informacin que ofrecen a sus usuarios. Porotra parte, las caractersticas de las curvas de nivel, como portadoras de informacinaadida a la altimetra, hacen de ellas un elemento imprescindible para la definicin deciertos elementos que resultan bsicos al ajuste de la realidad de la modelacin de procesosa partir de un MDE. Por tanto, la cartografa topogrfica contina siendo importante comofuente de datos para la elaboracin de MDE.

    Los investigadores en Hidrologa encuentran cada vez ms efectivo el uso de los SIGdebido a su gran capacidad para gestionar datos distribuidos y referenciados en el mundoreal. Actualmente las aplicaciones hidrolgicas estn prestando una mayor atencin a losmodelos que contemplan la componente espacial y temporal de los datos, desarrollando asu vez mtodos de programacin orientada a objetos. Un ejemplo que ilustra la utilizacinde este tipo de estructura de datos es el modelo de escorrenta superficial creado por Ye(1996). Sobre este modelo se pueden ejecutar todas aquellas funciones que sonconsideradas normales, es decir, la construccin, simulacin, modificacin y

    procesamiento de resultados. Este modelo realza las aptitudes de los SIG para llevar a cabooperaciones de mapa orientadas a objetos, no en vano combina los tres elementos bsicos

    para la simulacin hidrolgica, a saber:1)Ecuaciones para la interpretacin de procesos hidrolgicos;2)Mapas para la delimitacin del rea de estudio; y3) Bases de datos con tablas que caracterizan la regin estudiada y los parmetros del

    modelo.Choudhry et al (1997) han evaluado el modelo de Ye en sus estudios sobre previsiones derecogida de aguas en la cuenca del ro Kaimai en Nueva Zelanda. Segn estos autores, elmodelo ha resultado ser un buen instrumento para la planificacin y gestin estratgica derecursos hdricos, aunque tambin es cierto que cuenta con grandes limitaciones a la horade realizar predicciones con una cierta urgencia o premura. A este respecto bastara conrecordar algunas de las condiciones atmosfricas que caracterizan el mbito mediterrneo,en donde es frecuente la formacin rpida de centros de accin que dan lugar a

    precipitaciones de fuerte intensidad horaria. En cualquier caso, a pesar de esa limitacin ensu operatividad, el modelo ha contribuido significativamente a difundir el uso de los SIG

    como herramienta de modelacin hidrolgica, superando antiguos obstculos para laintegracin de series temporales y permitiendo operaciones de mapa orientadas a objetos.

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    Hay otros muchos ejemplos de estudios que han utilizado el modelo de datos orientado aobjetos: Shiba et al. (1996) lo han utilizado con el fin de ampliar y mejorar los beneficiosque comportan los modelos de escorrenta. Ackerman et al (1996) desarrollaron unsistema de optimizacin y simulacin integrada para centrales hidroelctricas y embalses.La aplicacin prctica de este sistema en la cuenca alemana del ro Mosel obtuvo unos

    resultados fabulosos. Aproximaciones similares en las que se integran series temporaleshan sido esgrimidas por Costa et al. (1996) para la gestin de recursos hdricos enPortugal.

    Como se ha podido ver, los SIG son utilizados para el pre y postprocesamiento de lainformacin geogrfica, orientados principalmente a la edicin de cartografa ydiscretizacin de variables hidrolgicas. Precisamente, Maidment (1991) defini varias

    posibilidades en el uso combinado de estos instrumentos y los modelos hidrolgicos: Evaluacin e inventarios hidrolgicos. Determinacin de parmetros hidrolgicos. Construccin de modelos hidrolgicos anexados a un SIG. Construccin de modelos hidrolgicos integrados en un SIG.

    El tercero de los usos es el ms frecuente de todos ellos, implica que tanto la herramientacomo el modelo mantienen bases de datos separadas que entran en contacto debido a un

    proceso de intercambio y conversin de la informacin; la presente investigacincorresponde al mismo a partir de la aplicacin del HEC-Geo-HMS y la incorporacin de lainformacin obtenida al modelo hidrolgico HEC-HMS.

    El mdulo de interfase geoespacial HEC-Geo-HMS, desarrollado por el centro deIngeniera Hidrolgica del Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de los EE.UU (Doan,2003),es una extensin del SIG ArcView 3.3 utilizada para generar la informacin quecaracteriza a la cuenca y los parmetros hidrolgicos de entrada para el software HEC-HMS. Este mdulo incluye las siguientes funciones: pre-procesamiento de elementos delterreno, construccin de temas hidrolgicos, estructuras hidrulicas y puntos decontrol, procesamiento de cuencas (fusin y/o separacin de cuencas, fusin yseparacin de tramos de cursos, generacin de perfiles, delineacin de subcuencas),extraccin de caractersticas de cursos y cuencas (longitudes y pendientes de ros,centroides de subcuencas, direcciones de flujos). El mismo fue utilizado porHammerly etal, (2003) y Trivio et al, (2004) en el estudio de la cuenca del arroyo El Obispo enArgentina y cuencas de ramblas y ros-rambla mediterrneos para generar la entrada en elmodelo hidrolgico HEC-HMS. Esto demuestra la utilidad y potencialidad del SIG junto a

    la interfase geoespacial para el anlisis espacio-temporal de las caractersticas hidrolgicasde una cuenca y las bondades de estos programas para generar archivos a ser importadosautomticamente a los modelos hidrolgicos existentes.

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    CAPTULO 2: CARACTERSTICAS DEL HEC-HMS Y LAEXTENSIN HEC-GEO-HMS DE ARC-VIEW.

    2.1 Caractersticas generales del modelo hidrolgico HEC-HMS.

    Para simular la respuesta hidrolgica de una cuenca, el HEC-HMS utiliza los siguientescomponentes: modelo de la cuenca, modelo meteorolgico, especificaciones de controly datos de entrada. Una simulacin calcula la transformacin de lluvia a caudal en elmodelo de la cuenca, dada la entrada del modelo meteorolgico. Las especificaciones decontrol definen el periodo de tiempo durante el cual se realizar la simulacin y elintervalo de tiempo a utilizar. Los componentes de los datos de entrada, tales como lasseries temporales, tablas y datos por celdas, son requeridos como parmetros ocondiciones de contorno tanto en el modelo de la cuenca como en el meteorolgico(Nana, 2007). Para definir la estructura de una cuenca, el programa considera lossiguientes elementos hidrolgicos.

    1. Subcuencas (subbasins)2. Tramos de trnsito (routing reach)3. Uniones (junctions)4. Embalses (reservoirs)5. Fuentes (Sources)6. Sumideros (sinks)7. Derivaciones (diversions)

    Con estos siete componentes, el usuario puede elaborar una cuenca tan compleja comorequiera el problema que este tratando y de acuerdo a la informacin de campo disponible.

    Si se cuenta con informacin digital de campo, el HMS incluye la opcin de trabajar lacuenca con subdivisiones en grillas o celdas, cada una de las cuales almacena informacinpertinente respecto a la precipitacin, rea, pendientes y condicin de humedad del suelo.

    Componentes del modelo de la cuenca.Este modelo representa la cuenca fsica. Aqu el usuario desarrolla el modelo fsico de sucuenca incluyendo y conectando los elementos hidrolgicos. Los elementos hidrolgicosusan mtodos de clculo para describir los procesos fsicos que se producen en la cuenca(prdida, transformacin de lluvia-caudal y flujo base). El Anexo # 1describe cada unode los elementos hidrolgicos. Los mtodos de clculos que se emplean en las subcuencasse pueden encontrar en el Anexo # 2. Con relacin a los tramos de los cauces se emplean

    mtodos de clculos relativos a la propagacin de caudales como son: Onda cinemtica,Retardo, Puls modificado (embalse a nivel), Muskingum y Muskingum-Cunge.

    2.1.1 Seleccin de mtodos y definicin de sus parmetros.

    2.1.1.1 Submodelo de prdidas.Dentro de los 11 mtodos posibles que presenta el programa para determinar las prdidas

    por infiltracin los ms utilizados internacionalmente y que la bibliografa aborda conmayor claridad, posibilitando obtener sus parmetros de manera aproximada, se describena continuacin:

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    Mtodo de dficit y tasa constante.

    El mtodo de dficit y tasa constante es similar al modelo de prdida inicial y tasaconstante que se expone posteriormente (siguiendo el orden en que estos mtodos aparecenen el modelo), pero la prdida inicial "no puede recuperarse" despus de un perodo

    prolongado de ausencia de lluvia. Para usar este modelo en el HEC-HMS, la prdida inicial,la tasa constante ms la tasa de recuperacin debe ser especificada. Luego el HEC-HMScontinuamente rastrea el dficit de humedad, calculndolo como el volumen inicial deabstraccin menos el volumen de precipitacin ms el volumen de recuperacin durante los

    perodos libres de precipitaciones. La tasa de recuperacinpodra ser estimada como lasuma de la tasa de evaporacin y de percolacin, o alguna fraccin de la misma.

    Mtodo de Green y Ampt.

    Conceptos bsicos y ecuaciones fundamentales.El mtodo de infiltracin Green y Ampt en el HEC-HMS es un modelo conceptual deinfiltracin de precipitacin en la cuenca. Este mtodo calcula la prdida de precipitacin

    en el rea permeable en un intervalo de tiempo tal:

    t

    fi

    tF

    Skf

    1 2.1

    Donde:ft: prdida durante un periodo de tiempo t.K: conductividad hidrulica saturada(-i):dficit en el volumen de humedad.Sf: succin en el frente mojado.Ft: prdida acumulada en el tiempo t.

    Estimacin de los parmetros de Green y Ampt.El mtodo de Green y Ampt en el HEC-HMS requiere especificacin de los siguientes

    parmetros (Feldman, 2000): Prdida inicial:Esta es una funcin de la humedad de la cuenca al principio de la

    precipitacin. Puede ser estimada de la misma manera que la abstraccin inicial porotros mtodos de prdida.

    Conductividad hidrulica:Latabla 2.1 proporciona estimaciones de este parmetrocomo una funcin de la clase de textura, lo cual puede ser encontrado desde unestudio de suelos.

    Succin en el frente mojado: Esto puede ser estimado como una funcin dedistribucin del tamao del poro, lo cual, a su vez, puede estar correlacionado con laclase de textura.

    Dficit en el volumen de humedad (- i): Es la porosidad del terreno menos elcontenido inicial de agua. Rawls y Brakensiek (1982), correlacionaron la porosidadcon la clase de textura del suelo (tabla 2.1). El contenido inicial de agua debe estarentre 0 y . Por ejemplo si el suelo esta saturado, i=; para un suelo completamenteseco, i= 0.

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    Tabla 2.1. Estimaciones de la clase de textura (Rawls y Brakensiek, 1982).

    Clases de textura Porosidad,(cm3/cm.)

    ConductividadHidrulica, i,

    saturada (cm/hr)

    Succin en elfrente mojado

    (cm.)Sand 0,437 21,0 10,6

    Loamy Sand 0,437 6,11 14,2

    Sandy Loam 0,453 2,59 22,2loam 0,463 1,32 31,5

    Silt Loam 0,501 0,68 40,4Sandy Clay Loam 0,398 0,43 44,9

    Clay Loam 0,464 0,23 44,6Silty Clay Loam 0,471 0,15 58,1

    Sandy Clay 0,430 0,12 63,6Silty Clay 0,479 0,09 64,7

    Clay 0,475 0,06 71,4

    Mtodo de prdida inicial y tasa constante.El concepto subyacente del mtodo de prdida inicial y tasa constantees que la mximatasa potencial de prdida de precipitacin fces constante a todo lo largo de un evento. Elmtodo incluye un parmetro (tasa constante) y una condicin inicial (prdida inicial).Respectivamente, estos representan las propiedades fsicas de los suelos de la cuenca, eluso de los suelos y la condicin antecedente.

    Si la cuenca est en condicin saturada, la prdida inicial (Ia) se acercar al cero. Si lacuenca esta seca, luego Ia aumentar para representar la mxima profundidad de

    precipitacin que puede caer sobre la cuenca sin que haya escurrimiento; esto dependerdel terreno de la cuenca, el uso de la tierra, tipos de suelo y tratamiento del suelo.

    La tasa de prdida constantepuede usarse como la capacidad de infiltracin fundamentalde los suelos. En 1986 el Servicio de Conservacin del suelo de los Estados Unidos1 (SCS)clasific terrenos en base a esta capacidad de infiltracin, donde Skaggs y Khaleel (1982)

    publicaron estimaciones de tasas de infiltracin para esos terrenos, como se muestra en latabla 2.2.El manual de referencia tcnica del programa recomienda usar estos valores afalta de informacin (Feldman, 2000).

    Tabla 2.2. Grupos de suelo del SCS y tasas de prdidas por infiltracin (SCS,1986; Skaggs y Khaleel, 1982).

    Grupo deSuelo

    DescripcinIntervaloss de las

    tasas deprdidas(pulg./hr)

    A

    B

    C

    D

    Arena profunda, loess profundos, limos agregados

    Loess poco profundo, franco arenoso

    Franco arcilloso, franco arenoso poco profunda, suelosbajos en contenido orgnicos, y suelos usualmente altos enarcillas.

    Suelos que se hinchan significativamente cuando se mojan,arcillas plstica pesada, y ciertos terrenos salinos.

    0,30-0,45

    0,15-0,30

    0,05-0,15

    0,00-0,05

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    Mtodo nmero de curva del SCS.

    Conceptos bsicos y