Simulación del escurrimiento de la cuenca del rio Nautla México, usando el modelo HEC-HMS

8/13/2019 Simulacin del escurrimiento de la cuenca del rio Nautla Mxico, usando el modelo HEC-HMS

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INSTRUMENTACIN ELECTRNICAY CIENCIAS ATMOSFRICAS

Simulacin del escurrimiento de la cuenca del ro Nautla,Mxico, usando el modelo HEC-HMS

TESIS

Que para evaluar la experiencia educativaExperiencia Recepcional (MEIF) del Programa Educativo

Licenciatura en Ciencias Atmosfricas

P r e s e n t a

CARLOS QUIROZ APARICIO

M. en G. Jos Antonio Agustn M. en I. Domitilo Pereyra DazPrez Sesma

Director Codirector

Xalapa-Equez, Veracruz Agosto 2013

Esta tesis es parte del proyec to Tecnicas alternativas al Hidrograma UnitrioInstantneo, que patroc ina PROMEP-SEP.


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A Susana y a mi madre Isabel


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AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a Dios por habermerodeado depersonas tan extraordinarias y

maravillosas, esas personas quesiempremehan brindado su amor, cario, confianza,

respeto, comprensin y apoyo incondicional. Gracias mam y pap, ta y to, hermanas,

prima, primo y sobrino por ser lo mejor, por ser un gran ejemplo, ser la mejor familia y

ayudarme a alcanzar mis metas.

A una persona muy especial en mi vida, que me ha apoyado y querido siempre, y no s

cmo agradecerle tantas cosas. Sin tu amor, cario, respeto, tolerancia, amistad,

preocupacin, insistencia no podra llegar tan lejos, gracias por ser parte de mi vida.

A mi amigo incondicional Oscar, por brindarme su apoyo y amistad siempre.

A los maestros: Claudio, Sesma y Domitilo por permitirme ser parte del grupo de

hidrometeorologa, adems de dirigir y corregir mi trabajo.

A dems maestros, amigos, familia, compaeros, instituciones que han formado partede

mi vida universitaria, y que han sido parte importante en mi vida.


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ndice

RESUMEN ............................................................................................................................................... 1

1. INTRODUCCIN ................................................................................................................................. 2

1.1 ANTECEDENTES ........................................................................................................................... 2

1.2 HIPTESIS .................................................................................................................................... 4

1.3 OBJETIVO ..................................................................................................................................... 4

2. DESCRIPCIN DE LA ZONA DE ESTUDIO .......................................................................................... 5

2.1 Caractersticas de la cuenca del ro Nautla ............................................................................... 5

2.2 Hidrografa ................................................................................................................................... 6

2.3 Uso del suelo y cobertura vegetal ............................................................................................. 8

2.4 Edafologa .................................................................................................................................... 9

2.5 Climatologa ............................................................................................................................... 10

3. METODOLOGA ................................................................................................................................ 13

3.1. Introduccin ............................................................................................................................. 13

3.2 Obtencin de parmetros del modelo .................................................................................... 14

3.3 Representacin del modelo HEC-HMS .................................................................................... 27

4. RESULTADOS .................................................................................................................................... 29

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................................ 36

REFERENCIAS ....................................................................................................................................... 37


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RESUMEN

En el presente trabajo se aplic el modelo numrico HEC-HMS, con la finalidad de

estimar el escurrimiento de la cuenca del ro Nautla, Veracruz, debido a que no se

cuenta con una estacin hidromtrica a la salida de dicha cuenca. La cuenca est

situada geogrficamente entre los 1929 y 2015 latitud norte, y entre 9646 y

9727 longitud oeste. Tiene un rea aproximada de 2376 km2, la cual est

distribuida en una pequea porcin en el estado de Puebla y la mayor parte en el

estado de Veracruz. Para la estimacin del escurrimiento se utiliz un rea de

2061 km2. Se realiz un anlisis de la precipitacin del perodo 1981-2010 con el

fin de identificar las tormentas ms intensas que afectaron en la zona de estudio.Para la alimentacin del modelo se obtuvieron y utilizaron las variables y

parmetros: tiempo de concentracin, prdida inicial e hidrograma unitario del

Servicio de Conservacin de Suelos de Estados Unidos (SCSUS, por sus siglas

en ingls). La cuenca se dividi en 4 subcuencas a las cuales se le estimaron las

variables y parmetros antes mencionados, dos de las subcuencas cuentan con

estacin hidromtrica permitieron la calibracin y el ajuste del modelo HEC-HMS.

Los gastos mximos estimados con el HEC-HMS, y los gastos registrados en la

estacin Martnez de la Torre muestran un coeficiente R2=0.96 y para la estacin

Libertad un coeficiente R2=0.90, el cual muestra la efectividad del modelo usado.


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1. INTRODUCCIN

El ciclo hidrolgico, visto a nivel de cuenca, se puede esquematizar deduciendo

que la precipitacin es un estmulo, al que la cuenca responde mediante el

escurrimiento en su salida (Aparicio, 2008).

La informacin acerca de escurrimientos en una seccin de inters sobre una

corriente es necesaria para disear obras de aprovechamiento o de proteccin. En

muchas ocasiones, el diseador se encuentra con poca o ninguna informacin de

mediciones directas que le permitan conocer la historia de los escurrimientos en el

sitio de inters, por lo que tiene que recurrir a estimarlos a partir de los datos deprecipitacin, adems, cuando la cuenca ha estado o estar sujeta a cambios de

importancia (por ejemplo, por la construccin de obras de almacenamiento,

urbanizacin y deforestacin en partes de la cuenca, etc.), estos cambios

modifican el rgimen del escurrimiento, por lo que su registro histrico no presenta

correctamente el comportamiento futuro de la corriente (Fuentes et al., 1981).

Existen modelos lluvia-escurrimiento, como lo es el HEC-HMS (Hydrologic

Engineering Center - Hydrologic Modeling System), que fue desarrollado por el

cuerpo de Ingenieros de la armada de Estados Unidos, el cual permite conocer la

relacin que existe entre la precipitacin a lo largo de una cuenca, y el

escurrimiento generado por sta. El HEC-HMS se adapta a la condicin fsica,

geogrfica y espacial de una cuenca hidrogrfica (Arlen, 2000; Scharffenberg y

Fleming, 2008).

1.1 ANTECEDENTESDebido al complejo proceso de conversin de la lluvia en escurrimiento superficial,

se ha dado lugar a que se desarrolle una gran cantidad de mtodos para calcular

los escurrimientos a partir de lluvias. Los principales parmetros que intervienen

en este proceso de conversin son los siguientes: rea de la cuenca, altura total

de precipitacin, caractersticas generales o promedio de la cuenca (forma,

pendiente, vegetacin, etc.), distribucin de la lluvia en el tiempo, distribucin en el


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espacio de la lluvia y de las caractersticas de la cuenca (Fuentes et al., 1981;

Aparicio, 2008).

Gaytan et al. (2008), simularon el escurrimiento de la cuenca del lago Santa Ana

(2056.57km2), ubicada en el estado de Zacatecas, Mxico, utilizando la

combinacin de dos modelos de simulacin: Watershed Modelling System (WMS)

y el Hydrologic Modelling System (HEC-HMS). El WMS se utiliz para estimar los

parmetros geomtricos de la cuenca hidrogrfica, con un modelo de elevacin

digital y la informacin geogrfica que describe la ubicacin de la infraestructura

hidrulica desarrollada en la cuenca en los ltimos aos. El HEC-HMS se utilizpara estimar los hidrogramas de escurrimiento, mediante el uso de datos

histricos de lluvia, la calibracin del modelo se llev a cabo con datos

hidromtricos observados.

Rodrguez et al.(2010), obtuvieron un modelo lluviaescurrimiento semidistribuido

a escala de evento en la cuenca del ro Reno, localizado en la regin Emilia

Romagna, Italia, para lo cual se dispuso del SIG Arcview, con la extensin Hec-

GeoHMS y del software HEC-HMS para la simulacin hidrolgica del proceso. El

modelo obtenido logro reproducir eventos de gastos mximos superiores a los 350

m3/s con un error por debajo del 10%.

Garca (2011), uso el modelo HEC-HMS para simular el escurrimiento en la

cuenca del ro Tecolutla, generado por 4 tormentas severas registradas en las

dcadas de los 70s y 80s, esto con el fin de calibrar el modelo. Despus de ser

calibrado ste se aliment con precipitaciones que se pudiesen presentar anteescenarios del cambio climtico, segn el modelo global ECHAM y el modelo

regional PRECIS. Sus resultados indican que el escurrimiento generado por una

tormenta severa aumentar en promedio un 20.6% para los aos 20s (modelo

ECHAM, escenario A) y un 39.2% para los aos 50s (modelo ECHAM, escenario

B), en cambio el modelo PRECIS, para el escenario A, indica que el escurrimiento

disminuir en promedio 1.4% y 8.2% para los aos 20s y 50s, respectivamente.


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1.2 HIPTESIS

Al no contar con una estacin de aforo a la salida de la cuenca del ro Nautla, se

utilizarn los registros de gastos en las estaciones hidromtricas Martnez de la

Torre y Libertad para la calibracin del modelo HEC-HMS con el fin de estimar el

escurrimiento a la salida de dicha cuenca.

1.3 OBJETIVO

Calibrar y ajustar el modelo HEC-HMS para utilizarlo como herramienta de

pronstico de escurrimiento a la salida de la cuenca del ro Nautla, debido a que

no se cuenta con una estacin de aforo a la salida de sta.


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2. DESCRIPCIN DE LA ZONA DE ESTUDIO

2.1 Caractersticas de la cuenca del ro Nautla

La cuenca del ro Nautla se encuentra situada geogrficamente entre los 1929 y

2015 latitud norte, y entre 9646 y 9727 longitud oeste (CONAGUA, 2005).

Tiene un rea aproximada de 2376 km2, la cual est distribuida en una pequea

porcin en el estado de Puebla y la mayor parte en el estado de Veracruz (C.F.E.,

1977), como se indica en la figura 1.

Figura 1. Localizacin geogrfica de la cuenca del Ro Nautla, tomada de SIATL (INEGI, 2012) y modificada

con el software ArcGis V.9.3.

Para este trabajo se utiliz solo una parte de la cuenca (figura 2), hasta donde

convergen las cuatro subcuencas principales, las cuales representan el 83.8% del

rea total de la cuenca.


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Figura 2. Localizacin geogrfica de la zona de estudio dentro de la cuenca del ro Nautla, tomada de SIATL

(INEGI, 2012) y modificada con el software ArcGis V.9.3.

2.2 Hidrografa

El ro Nautla nace en la Sierra Madre Oriental, en el Cofre de Perote, a una altitud

de 4,150 m. Al inicio se le conoce con el nombre de arroyo Borregos, su curso

sigue un rumbo hacia el norte a travs de una topografa accidentada; aguas abajo

recibe por su margen derecha la aportacin del arroyo Las nimas (Pereyra et al.,

2010).

A 2.5 km aguas abajo de la confluencia de este arroyo, concurre por la margen

derecha el ro Puerco, y 3 km ms abajo de esta confluencia se le une por la

margen derecha el arroyo El Suspiro, que es una corriente de importancia. Este

arroyo tiene su origen en las inmediaciones del Cofre de Perote; sigue su curso


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hacia el norte y cambia hacia el noreste en la zona del sistema hidroelctrico Las

Minas. Unos 3 km aguas abajo recibe por la margen derecha la aportacin del

arroyo Tenexpanoya, su rumbo sigue hacia el noreste hasta su afluencia con el ro

Trinidad (Pereyra et al., 2010).

En la confluencia del arroyo Borregos y el arroyo El Suspiro se localiza la planta

hidroelctrica Las Minas. A esta planta le llegan las aguas que son capturadas por

pequeas presas derivadoras situadas en los arroyos Tenexpanoya, el Sauce, El

Suspiro, Las nimas, Borregos y el ro Puerco, interconectados por un canal.

Despus de esta confluencia, el colector recibe el nombre de ro Trinidad; fluyehacia el noreste en reas de topografa abrupta y pendientes pronunciadas que

muestran taludes escarpados; cambia el rumbo de su cauce hacia el noroeste y

recibe algunas aportaciones menores por ambas mrgenes. A partir de este

tramo, la corriente principal toma el nombre de ro Bobos, recibiendo por su

margen derecha aportaciones de los arroyos Xoxotla y Tepanapa. A 6 km al

noreste de la poblacin de Tlapacoyan, Ver., al ro Bobos se le une, por su

margen izquierda, el ro Tomata. Este ro sigue una direccin noreste a travs de

una penillanura hasta su desembocadura en el Golfo de Mxico. En este tramo

convergen al ro Bobos por su margen derecha los ros San Pedro y Quilate,

(Pereyra et al., 2010).

Uno de los principales afluentes del ro Bobos, por la margen izquierda, es el ro

Mara de la Torre, que nace en el estado de Puebla, en el poblado de San

Sebastin, a 1,750 m de altitud con el nombre de ro Xoloco. A partir de la

confluencia del arroyo Colorado y el ro Chapalapa con el ro Bobos, ste cambiasu nombre por el de ro Nautla, que viaja a travs de una zona de meandros, pasa

cerca del poblado de Nautla y se desva hacia el norte, para desembocar

finalmente al Golfo de Mxico formando la Barra de Nautla, cerca de la que recibe

por la margen izquierda la aportacin del estero Tres Encinos que en su origen se

le conoce como arroyo del Potrero. Entre los lmites de la cuenca de los ros

Nautla y Actopan se sitan algunos ros que desembocan directamente al Golfo de


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Mxico, entre los que destacan los ros Misantla, Colipa, Juchique, Santa Brbara,

Santa Ana, Platanar y Barranca de Hernndez, as como las lagunas del Camarn

y de San Agustn (Pereyra et al., 2010). La figura 3 nos muestra la hidrografa de

la cuenca del ro Nautla.

Figura 3. Hidrografa de la cuenca del ro Nautla, tomada de SIATL (INEGI, 2012) y modificada con el

software ArcGis V.9.3.

2.3 Uso del suelo y cobertura vegetal

En la parte alta de la cuenca se localizan bosques de conferas, reas destinadas

a actividades agrcolas, pecuarias y forestales, as como una parte de vegetacin

inducida, bosque mesfilo de montaa y algunas zonas urbanas. En la parte

media la mayor parte est destinada a actividades agrcolas, pecuarias y

forestales, tambin se encuentra la selva perennifolia, el bosque mesfilo de


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montaa y algunas zonas urbanas. En la parte baja las actividades dominantes

son las agrcolas, pecuarias y forestales, existen reas aisladas de selva

perennifolia y de vegetacin hidrfila, tambin existen algunas zonas urbanas. En

la figura 4 se muestra un mapa donde se indican el uso de suelo y cobertura

vegetal existentes en la zona de estudio, (INEGI, 2007a).

Figura 4. Uso del suelo y cobertura vegetal en la cuenca del ro Nautla. Fuente: INEGI, 2007a, modificado con

el software ArcGis V.9.3.

2.4 Edafologa

En la parte alta de la cuenca predominan los tipos de suelo Andosol y Regosol en

mayor proporcin, tambin se encuentra en una porcin mucho menor el Litosol.

En la parte media predominan el Andosol y el Luvisol, y en proporciones menores

se encuentra el Acrisol, el Feozem y el Vertisol. En la parte baja predominan los


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suelos Vertisol, Cambisol, Regosol, Feozem y Fluvisol. En la figura 5 se muestra la

distribucin de los tipos de suelo en la cuenca (INEGI, 2007b).

Figura 5. Tipos de suelo en la cuenca del ro Nautla, Fuente: INEGI, 2007b, modificado con el software ArcGis

V.9.3.

2.5 Climatologa

2.5.1 Temperatura

El clima en la zona de estudio vara de clido hmedo en la planicie costera (zona

baja), a templado hmedo en la parte media a la altura de los municipios de

Tlapacoyan-Atzalan, y seco templado a la altura de los municipios de Altotonga-

Perote correspondiente a la zona alta de la cuenca. La temperatura promedio en la

zona alta de la cuenca oscila entre los 8 y 14C, en la zona media varia de los 14

a los 20C y en la zona baja alrededor de los 20 a 26C. La figura 6 nos muestra la

distribucin de la temperatura en la cuenca (CONAGUA, 2011).


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Figura 6. Isotermas de la cuenca del ro Nautla en el perodo de 1981-2010. Fuente: CONAGUA, 2011,

modificado con el software ArcGis V.9.3.

2.5.2 Precipitacin

El rgimen de precipitacin en la zona de estudio vara desde los 600 mm anuales

en la parte alta, hasta los 2000 mm anuales en la parte media y baja, la figura 7

muestra la distribucin de la precipitacin en la cuenca; su rgimen de

precipitacin se centra entre los meses de mayo a octubre (CONAGUA, 2011).Frecuentemente esta cuenca es afectada por las tormentas tropicales que se

forman en el mar Caribe y Golfo de Mxico, y que producen precipitaciones de

gran intensidad generando grandes avenidas en los ros que drenan el estado de

Veracruz. Tambin es afectada en invierno por masas de aire fro que descienden

del Polo Norte y que en la regin se les conoce como Nortes (Islas y Pereyra,

1990).


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Figura 7. Isoyetas de la cuenca del ro Nautla en el perodo de 1981-2010. Fuente: CONAGUA, 2011,

modificado con el software ArcGis V.9.3.


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3. METODOLOGA

3.1. Introduccin

El modelo HEC-HMS fue diseado para simular los procesos lluviaescurrimiento

de sistemas de cuencas dendrticas, para ser aplicado en una amplia gama de

zonas geogrficas con el fin de resolver la mayor gama posible de problemas.

Esto incluye el abastecimiento de agua en cuencas de ros grandes y la hidrologa

de inundacin, as como el escurrimiento en cuencas naturales y urbanas. El

hidrograma generado por el modelo es usado directamente o conjuntamente con

otro software para estudios de disponibilidad de agua, drenaje urbano, pronstico

de avenidas, impacto de la urbanizacin futura, diseo de vertedores de presas,reduccin del dao por inundacin, regulacin de la planicie de inundacin, y de la

operacin de sistemas (Scharffenberg y Fleming, 2008).

Para realizar la modelacin hidrolgica, se deben de conocer los parmetros

principales de la cuenca del ro Nautla, como su rea, ubicacin geogrfica,

subcuencas, cauce principal, longitud, pendiente, nmero de curva, tiempo de

concentracin, prdida inicial, entre otras. Todas estos parmetros se determinan

utilizando informacin georeferenciada, estudios realizados anteriormente,

sistemas de informacin geogrfica, bases de datos, etc. Una vez conformada la

caracterizacin de la cuenca, estos datos se introducen al modelo hidrolgico. En

este caso se utiliz el software HEC-HMS 3.5, el cual permite generar no slo un

modelo hidrolgico sino que tambin se puede complementar con un modelo

meteorolgico definido.

Definiendo todos los parmetros que conforman a la cuenca del ro Nautla, secalibra el modelo utilizando los escurrimientos observados en las diferentes

estaciones hidromtricas y los escurrimientos simulados por el modelo y se

determina si los resultados son los adecuados.


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3.2 Obtencin de parmetros del modelo

3.2.1 Creacin de subcuencas

Para el ajuste y calibracin del modelo HEC-HMS, la cuenca se dividi en 4

subcuencas, debido a que dos de las cuatro subcuencas cuentan con estacin

hidromtrica se utilizaran para estimar el gasto en las subcuencas que no cuentan

informacin de escurrimiento, as como para estimar el gasto total de la cuenca del

ro Nautla. En la figura 8 se aprecian el parteaguas de cada subcuenca (lneas

negras gruesas y continuas) de la zona de estudio, tomando en consideracin un

punto de salida como punto de unin de las subcuencas.

Figura 8. Divisin de subcuencas para la zona de estudio, tomada de SIATL (INEGI, 2012) y modificada con

el software ArcGis V.9.3.


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3.2.2 Eleccin de las tormentas

Se seleccionarn 10 tormentas intensas que registraron valores de lluvia

acumulada en 24 horas por arriba de los 60 mm del perodo de 1981-2010, ya que

este tipo de lluvias tienen como consecuencia grandes escurrimientos para esta

cuenca, la fecha y valores de las tormentas se muestran en la tabla 1. Para

calcular la lluvia promedio en la cuenca se utiliz el mtodo de polgonos de

Thiessen.

Tabla 1. Tormentas ms intensas registradas en la cuenca del ro Nautla durante el perodo

1981-2010.

Tormenta Fecha Da 1(mm) Da 2(mm) Da 3(mm) Da 4(mm)1 15 al 18 de junio de

198118.4 36.5 104.6 19.0

2 24 al 27 de agosto de1981

26.4 75.0 74.8 32.6

3 16 al 19 deseptiembre de 1981

34.6 77.0 60.5 6.8


25.0 47.4 83.8 23.9

5 13 al 16 de octubrede 1982

17.7 35.8 62.7 37.1

6 14 al 17 de

septiembre de 1984

32.9 92.1 81.0 52.2


13.0 77.3 101.0 31.0


7.6 18.4 60.0 33.4

9 03 al 06 de octubrede 1999

37.7 180.9 175.2 33.8


9.3 71.6 44.3 30.8

3.2.3 Precipitacin

La precipitacin es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre, y sumedicin forma el punto de partida de la mayor parte de los estudios

concernientes al uso y control del agua.

Para realizar el anlisis de precipitacin se utiliz informacin de las estaciones

climatolgicas del Servicio Meteorolgico Nacional (SMN) y de las estaciones

hidromtricas de la Comisin Nacional del Agua (CNA). Los datos que alimentan


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al modelo HEC-HMS cubren un perodo de 30 aos (1981 - 2010), stos fueron

tomados de CLICOM (actualizado al 2011) y del Banco de Datos de Aguas

Superficiales (BANDAS).

Se eligieron 12 estaciones localizadas en la cuenca del ro Nautla y 11 estaciones

auxiliares, (ver tabla 2). Fueron elegidas por presentar perodos continuos de

informacin y ubicacin representativa en la cuenca y alrededor de la misma.

Adems, se tomaron las estaciones hidromtricas Martnez de la Torre y Libertad,

ubicadas en la parte baja de la cuenca, en las localidades de Martnez de la Torre

y Misantla, respectivamente. La figura 9 nos muestra la ubicacin de las

estaciones climatolgicas e hidromtricas.

Tabla 2. Estaciones climatolgicas e hidromtricas ubicadas dentro y fuera de la cuenca del ro Nautla.

No. Clave Nombre Municipio Estado Latitud Longitud Altura

1 21011 TETELILLA (CFE) HUEYAPAN PUEBLA 19.93 -97.41 1085

2 21054 LA FUNDICION (CFE) TEZIUTLAN PUEBLA 19.85 -97.31 1565

3 21059 OYAMELES TLATLAUQUITEPEC PUEBLA 19.71 -97.54 2650

4 21091 TEZIUTLAN (SMN) TEZIUTLAN PUEBLA 19.83 -97.35 1961

5 21129FRANCISCO I.MADERO CUYOACO PUEBLA 19.61 -97.50 2585

6 21143 SAN JOSE ACATENO ACATENO PUEBLA 20.14 -97.20 138

7 21201 LAS MARGARITAS HUEYTAMALCO PUEBLA 19.98 -97.28 580

8 21209LOS HUMEROS(CFE) CHIGNAUTLA PUEBLA 19.67 -97.40 2790

9 30008 ALTOTONGA ALTOTONGA VERACRUZ 19.76 -97.23 2085

10 30012 ATZALAN ATZALAN VERACRUZ 19.78 -97.24 1842

11 30054 EL RAUDAL NAUTLA VERACRUZ 20.15 -96.72 10

12 30074 JALACINGO JALACINGO VERACRUZ 19.80 -97.30 1880

13 30085LA TEMBLADERA(CFE) XICO VERACRUZ 19.51 -97.11 2959

14 30089 LAS MINAS (CFE) LAS MINAS VERACRUZ 19.68 -97.14 1365

15 30097LOS PESCADOS(CFE) PEROTE VERACRUZ 19.56 -97.14 2980

16 30102MARTINEZ DE LATORRE (DGE) MARTINEZ DE LA TORRE VERACRUZ 20.07 -97.06 50

17 30108 MISANTLA MISANTLA VERACRUZ 19.92 -96.85 410

18 30128 PEROTE PEROTE VERACRUZ 19.58 -97.24 2415

19 30175 TEMBLADERAS XICO VERACRUZ 19.51 -97.11 3110

20 30211 LAS VIGAS LAS VIGAS DE RAMIREZ VERACRUZ 19.63 -97.10 2400

21 30337 LIBERTAD MISANTLA VERACRUZ 20.05 -96.97 90

22 30338 ACATLAN ACATLAN VERACRUZ 19.69 -96.84 1730

23 30370ORILLA DEL MONTE(CFE) JALACINGO VERACRUZ 19.66 -97.29 2400

24*MARTINEZ DE LATORRE MTZ DE LA TORRE VERACRUZ 20.06 -97.03

25 *LIBERTAD MISANTLA VERACRUZ 20.05 -96.97

* Estacin hidromtrica.


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Figura 9. Ubicacin de las estaciones climatolgicas e hidromtricas de la cuenca del ro Nautla. Fuente:

CONAGUA, 2011.

3.2.4 Anlis is de la precipitaci n

En la tabla 3 se muestran los valores diarios de precipitacin de una de las

tormentas.

Tabla 3. Valores diarios de precipitacin de la tormenta 3, en mm

Clave Nombre Estado 16/09/1981 17/09/1981 18/09/1981 19/09/1981

21054LA FUNDICION(CFE) PUEBLA 37.5 124 118.2 6.2

21091 TEZIUTLAN (SMN) PUEBLA 38 89.5 93 3

21129FRANCISCO I.MADERO PUEBLA 3.9 6.6 2.4 0

21143SAN JOSEACATENO PUEBLA 25.8 62.2 1.5 0

30008 ALTOTONGA VERACRUZ 22 64 89 35.6


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30012 ATZALAN VERACRUZ 46 85 105 7.5

30054 EL RAUDAL VERACRUZ 134 33.2 26 0

30074 JALACINGO VERACRUZ 29 180 40 630085

LA TEMBLADERA(CFE) VERACRUZ 10.7 16 29.5 8.5

30089 LAS MINAS (CFE) VERACRUZ 13.8 84.4 94.5 5.7

30097LOS PESCADOS(CFE) VERACRUZ 15.5 54.5 52.5 7.5

30102MARTINEZ DE LATORRE (DGE) VERACRUZ 53.3 72.5 34.1 0.8

30108 MISANTLA VERACRUZ 25.2 46.5 44.5 16.4

30128 PEROTE VERACRUZ 6.2 25.5 27 2.5

30175 TEMBLADERAS VERACRUZ 11 20 30.5 14

30211 LAS VIGAS VERACRUZ 49 77 58 0

30337 LIBERTAD VERACRUZ 32.2 71.7 39.5 0.4

30338 ACATLAN VERACRUZ 26 22 78 0

EL mtodo de Polgonos de Thiessen consiste en unir mediante lneas rectas,

dibujadas en un plano de la cuenca, las estaciones ms prximas entre s. Con

ello se forman tringulos, en cuyos vrtices estn las estaciones pluviomtricas,

posteriormente se trazan lneas que bisectan los lados de los tringulos, cada

estacin pluviomtrica queda rodeada por lneas rectas continuas por lo que se

forman los polgonos de Thiessen. El rea encerrada por los polgonos deThiessen y el parteaguas forman el rea de influencia de la estacin pluviomtrica,

como se muestra en la figura 10.

La lluvia promedio hp se calcul usando la ecuacin (1):

hp=

(1)

donde,Ai es el rea de influencia de la estacin i en km2,AT es el rea total de la

cuenca en km2, es la altura de la precipitacin registrada en la estacin i enmm.


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19

Figura 10. Polgonos de Thiessen. Fuente: CONAGUA, 2011, modificado con el software ArcGis V.9.3.

Los polgonos de Thiessen y sus reas de influencia se crearon y calcularon con

ayuda del software ArcGis V.9.3. Los valores diarios promedio de precipitacin se

obtuvieron utilizando la frmula 1, como se puede ver en la tabla 4.

Tabla 4. Valores promedio diarios de precipitacin de la Tormenta 3 usando el mtodo de polgonos de

Thiessen.

EstacinA

rea (km2)

Pp116/09/1981

(mm)A* Pp1

Pp217/09/1981

(mm)A* Pp2

Pp318/09/1981

(mm)A* Pp3

Pp419/09/1981

(mm)A* Pp4

21054 172.33 37.5 6462.4 124.0 21368.9 118.2 20369.4 6.2 1068.4

21091 36.29 38.0 1379.0 89.5 3248.0 93.0 3375.0 3.0 108.9

21129 20.19 3.9 78.7 6.6 133.3 2.4 48.5 0.0 0.0

21143 99.79 25.8 2574.6 62.2 6206.9 1.5 149.7 0.0 0.0

30008 159.75 22.0 3514.5 64.0 10224.0 89.0 14217.8 35.6 5687.1

30012 224.57 46.0 10330.2 85.0 19088.5 105.0 23579.9 7.5 1684.3

30054 64.32 134.0 8618.9 33.2 2135.4 26.0 1672.3 0.0 0.0


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20

30074 121.06 29.0 3510.7 180.0 21790.8 40.0 4842.4 6.0 726.4

30085 7.14 10.7 76.4 16.0 114.2 29.5 210.6 8.5 60.7

30089 305.82 13.8 4220.3 84.4 25811.2 94.5 28900.0 5.7 1743.230097 74.06 15.5 1147.9 54.5 4036.3 52.5 3888.2 7.5 555.5

30102 340.4 53.3 18143.3 72.5 24679.0 34.1 11607.6 0.8 272.3

30108 260.69 25.2 6569.4 46.5 12122.1 44.5 11600.7 16.4 4275.3

30128 54.89 6.2 340.3 25.5 1399.7 27.0 1482.0 2.5 137.2

30175 2.24 11.0 24.6 20.0 44.8 30.5 68.3 14.0 31.4

30211 84.74 49.0 4152.3 77.0 6525.0 58.0 4914.9 0.0 0.0

30337 404.33 32.2 13019.4 71.7 28990.5 39.5 15971.0 0.4 161.7

30338 11.6 26.0 301.6 22.0 255.2 78.0 904.8 0.0 0.0

34.6 77.0 60.5 6.8

3.2.5 rea de la cuenca y subcuencas

El parteaguas es el encargado de delimitar el rea de la cuenca, ste debe

corresponder a las fronteras fsicas del flujo. El rea de las subcuencas fue

calculada con ayuda del software ArcGis V.9.3. La tabla 5 muestra el rea de cada

subcuenca.

Tabla 5. rea de las subcuencas.

Subcuenca rea (Km )01 294.6202 1461.7103 138.2404 166.78

3.2.6 Nmero de curva

Se eligi el mtodo de Nmero de Curva (CN) del Servicio de Conservacin de

Suelos de los Estados Unidos (USSCS por sus siglas en ingls), cuyos

parmetros se muestran en las tablas 6 y 7.


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21

Tabla 6. Uso de la Tierra y Cobertura Vegetal para determinar Nmero de Curva (CN). Tomada de Aparicio,2008.

Uso de la tierra y

cobertura

Tratamiento de

suelo

Pendiente del

terreno en %

Tipo de suelo

A B C D

Sin cultivo Surcos rectos ----- 77 86 91 94

Cultivos en surco Surcos rectos > 1 72 81 88 91

Surcos rectos < 1 67 78 85 89

Contorneo > 1 70 79 84 88

Contorneo < 1 65 75 82 86

Terrazas > 1 66 74 80 82

Terrazas < 1 62 71 78 81

Cereales Surcos rectos > 1 65 76 84 88


Contorneo > 1 63 74 82 85

Contorneo < 1 61 73 81 84

Terrazas > 1 61 72 79 82

Terrazas < 1 59 70 78 81

Leguminosas o praderascon rotacin

Surcos rectos > 1 66 77 85 89


Contorneo > 1 64 75 83 85

Contorneo < 1 55 69 78 83

Terrazas > 1 63 73 80 83

Terrazas < 1 51 67 76 80

Pastizales ----------- > 1 68 79 86 89

----------- < 1 39 61 74 80

Contorneo > 1 47 67 81 88

Contorneo < 1 6 35 70 79

Pradera permanente ----------- 30 58 71 78

Bosque naturales

Muy ralo ----------- --- 56 75 86 91


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22

Ralo ----------- --- 46 68 78 84

Normal ----------- --- 36 60 70 77

Espeso ----------- --- 26 52 62 69

Muy Espeso ----------- --- 15 44 54 61

Caminos

De terrecera ----------- --- 72 82 87 89

Con superficie dura ----------- --- 74 84 90 92

Tabla 7. Clasificacin de suelos. Tomada de Aparicio, 2008.

Tipo de suelo Textura de suelo

A Arenas con poco limo y arcilla; suelos muy permeables

B Arenas finas y limos

C Arenas muy finas, limos, suelos con alto contenido de arcilla

DArcilla en grandes cantidades; suelos pocos profundos consubhorizontes de roca sana; suelos muy impermeables

Con la interseccin de la figura 4 (uso del suelo y cobertura vegetal) y la figura 5

(tipos de suelo), se obtuvo la figura 11 que da como resultado el rea de cada

polgono creado por la interseccin, con ayuda de las tablas 6 y 7 se prosigue a

determinar el Nmero de Curva (CN) para cada rea.


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23

Figura 11. reas formadas de la interseccin de las figuras 4 y 5.

Como ya se menciono anteriormente la cuenca se dividi en subcuencas, y se

proceder a calcular el CN de cada una de ellas. A continuacin se describe como

se calculo el CN, en este caso de la subcuenca 4. La figura 12 fue recortada de la

figura 11 y muestra las reas formadas de la interseccin de la edafologa y uso

de suelo y cobertura vegetal para la subcuenca 4.


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Figura 12. reas formadas de la interseccin de las figuras 4 y 5 para la subcuenca 4.

La tabla 8 muestra el uso del suelo, tipo de suelo y valores de CN de la subcuenca

4, as como sus respectivas superficies.

Tabla 8. Valores de CN de la subcuenca 4.Nmero del rea

intersectada

Uso de la tierra y/o

cobertura vegetal

Tipo de suelo

segn la

FAO/UNESCO

Valor de CN Superficie

(Km2)

1 Cultivos en surcos A 67 0.01

2 Pastizal A 39 0.11

3 Bosque natural

normal

A 36 2.82

4 Cultivo en surcos B 78 4.84

5 Cultivo en surcos C 85 153.45

6 Bosque natural

normal

C 70 5.54


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25

Para conocer el nmero de curva total de cada subcuenca, se utiliz el promedio

ponderado mediante la ecuacin (2):

CN = (2)

Sustituyendo los valores de la tabla 8 en la ecuacin (2) obtenemos el CN de la

subcuenca 04.

CN =......

. = 83

Los valores de CN de las subcuencas restantes se obtuvieron de la misma

manera, quedando como se muestra en la tabla 9.

Tabla 9. Valores de CN de las 4 subcuencas.Subcuenca CN

01 5202 6103 8104 83

3.2.7 Prdida inicial

De acuerdo con la hiptesis de USSCS de que la prdida inicial (I) es del 20%de la abstraccin mxima del suelo, Ise obtiene con la ecuacin (3)

I = 0.2 254 (3)Sustituyendo los valores de CN de las 4 subcuencas en la ecuacin 3, obtenemos

sus respectivos valores de I, quedando como se muestra en la tabla 10.

Tabla 10. Valores de abstraccin inicial de las 4 subcuencas.Subcuenca I01 46.902 32.503 12.004 10.4

3.2.8 Tiempo de concentracin

El tiempo de concentracin se calcul con la frmula de Kiprich, la cual se muestra

en la ecuacin (4a) y el tiempo de retardo en la ecuacin (4b):


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27

su rea correspondiente, es decir, si a la subcuenca 1 que representa el 14.3% de

toda el rea de estudio, el escurrimiento base le corresponde 20.0 m3/s, de la

misma forma se obtienen los datos de entrada de flujo base de la subcuenca 3

acorde a su rea. De esta manera se calcul el flujo de las subcuencas 1 y 3 de

las 9 tormentas restantes. Cabe mencionar que hay una localizacin de la

simulacin total que es donde se conectan todos los flujos de las 4 subcuencas

antes mencionadas.

Constante de recesin (recession constant). Se estima mediante el gasto ocurrido

en un da en la cuenca (Q1) entre el registrado un da antes (Q2). En caso de queel gasto de ambos das sea el mismo, el valor a utilizar es 0.9, pues 1 es un valor

idealizado (Ramrez, 2013). Se calcula con la ecuacin (6):

= 0.9 (6)

Tipo de umbral (Thresold Type). Es el caudal escurrimiento con el cual el

modelo comienza a programar una nueva recesin, este valor es adimensional,para este estudio se consider el valor de 0.25.

3.3 Representacin del modelo HEC-HMS

Como se vio anteriormente hay cuatro subcuencas y stas estn conectadas a un

flujo principal, el diagrama compuesto en el modelo HEC-HMS queda de la

siguiente forma (figura 13).


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28

Figura 13. Representacin esquemtica del modelo HEC-HMS, para la simulacin del escurrimiento de la

cuenca del ro Nautla.


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4. RESULTADOS

La metodologa descrita anteriormente se aplic a las 10 tormentas con el fin de

calibrar y ajustar el modelo HEC-HMS. Despus de haber obtenido los valores y

parmetros que alimentan al modelo, se pudo estimar el escurrimiento a la salida

de cada subcuenca y el escurrimiento neto de las cuatro subcuencas. Las figuras

14, 15 y 16 expuestas a continuacin muestran los hietogramas, as como los

valores de escurrimiento observados y obtenidos por el modelo, de las tormentas

que muestran mayor similitud.


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30

Figura 14. (a) Hietograma de la tormenta, (b) escurrimiento estimado por el modelo HEC-HMS para la

subcuenca 1, (c) y (d) escurrimiento estimado por el modelo HEC-HMS y observado para la estacin Martnez

de la Torre correspondiente a la subcuenca 2, (e) escurrimiento estimado por el modelo HEC-HMS para la

subcuenca 3, (f) y (g) escurrimiento estimado por el modelo HEC-HMS y observado para la estacin Libertad

correspondiente a la subcuenca 4, y (h) hidrograma total estimado por el modelo HEC-HMS de la tormenta

registrada durante los das 16 al 19 de septiembre de 1981, cuenca del ro Nautla. Cabe mencionar que las

subcuencas 1 y 3 no cuentan con estacin hidromtrica por lo tanto se estimarn sus respectivos

escurrimientos a partir de las subcuencas 2 y 4 que cuentan con estacin hidromtrica.


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de la Torre correspondiente a la subcuenca 2 , (e) escurrimiento estimado por el modelo HEC-HMS para la







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37/42

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de la Torre correspondiente a la subcuenca 2, (e) escurrimiento estimado por el modelo HEC-HMS para






Asimismo, en las tablas 12 y 13 se muestran los valores comparativos de gastos

mximos observados contra mximos estimados por el modelo HEC-HMS, de las10 tormentas de la tabla 1.

Tabla 12. Gastos observados contra gastos estimados de las 10 tormentas de la estacin Martnez de la

Torre, Ver.

Tormenta Gasto observado (m /s) Gasto estimado (m /s) Error (%)1 723.8 840.8 13.92 835.2 892.2 6.43 688.9 686.3 0.44 747.1 870.5 14.25 607.7 552.5 10.0

6 1043.4 1272.1 18.07 958.6 1240.2 22.78 521.8 412.4 26.59 1475.0 2772.3 46.8

10 618.4 480.7 28.6


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39/42

35

400 600 800 1000 1200 1400 1600200400

600800

100012001400160018002000220024002600

28003000

r2= 0.9604

Figura 17. Correlacin entre los gastos observados y estimados de las 10 tormentas para la estacin

Martnez de la Torre.

50 100 150 200 250 300 350 400 45050

100

150

200

250

300

350

400

450

r2= 0.9050

Figura 18. Correlacin entre los gastos observados y estimados de las 10 tormentas para la estacinLibertad.


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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Se logr estimar el escurrimiento de cada subcuenca, as como el

escurrimiento neto a la salida de las cuatro subcuencas.

El modelo se aproxima a los datos reales, ya que simula un gasto mximo

similar al observado con un porcentaje de error del 4% y una efectividad de

96% para la estacin Martnez de la Torre.

Los hidrogramas generados con el HEC-HMS tienen la misma forma con

respecto a los observados en este estudio.

Las figuras 14 y 15 muestran la correlacin entre gastos mximosobservados contra mximos estimados por el HEC-HMS, donde se puede

apreciar un coeficiente de determinacin R2= 0.9604 para la estacin

Martnez de la Torre y un R2= 0.9050 para la estacin Libertad, esto nos

indica la efectividad del modelo HEC-HMS.

Para las subcuencas que no cuentan con estacin hidromtrica se da por

hecho que el modelo HEC-HMS ha sido calibrado y ajustado por lo tanto los

resultantes de los gastos simulados son adecuados.

Se puede decir que el modelo ha sido ajustado y calibrado de acuerdo a los

resultados antes mostrados para la zona de estudio.

Se recomienda crear un sistema de alerta temprana procurando darle ms

importancia a los estudios hidrolgicos, con la finalidad de proteger a la

poblacin que habita en las partes bajas de la cuenca y en las riveras de los

ros.


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Simulación del escurrimiento de la cuenca del rio Nautla México, usando el modelo HEC-HMS

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