TESIS DE PREGRADO COMPARACIÓN DE DOS METODOLOGÍAS …

TESIS DE PREGRADO

COMPARACIÓN DE DOS METODOLOGÍAS DE CÁLCULO DE CAUDAL

PARA ESTIMAR HUELLAS DE INUNDACIÓN MODELADAS CON HEC-

RAS, UTILIZANDO INFORMACIÓN DE ESTACIONES DEL IDEAM

Lina Tatiana Cardenas Caro

Asesor: Camilo Andrés Salcedo Ballesteros

Co-Asesor: Ricardo Camacho Castilla

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

PREGRADO EN INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2018

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi asesor de tesis Camilo Salcedo y a mi co-asesor Ricardo Camacho, por

su acompañamiento a lo largo del desarrollo de esta tesis y por su continuo apoyo no

solo académico sino también personal a lo largo de toda mi carrera.

Así mismos, agradezco a mi familia por su apoyo permanente y la paciencia en este

proceso académico. Finalmente agradezco al IDEAM por la disposición de los datos

hidrológicos y meteorológicos y a CORPOURABA por su atención y acompañamiento

en la adquisición de la información batimétrica.

Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA

Comparación de dos metodologías de cálculo de caudal para estimar huellas de inundación modeladas con HEC-RAS, utilizando información

de estaciones del IDEAM

Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado i

TABLA DE CONTENIDO

1 Introducción ................................................................................................................................ 1

1.1 Objetivos ............................................................................................................................. 2

1.1.1 Objetivo General ......................................................................................................... 2

1.1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................... 2

2 Marco teórico .............................................................................................................................. 3

3 Metodología ................................................................................................................................ 5

3.1 Selección del caso de estudio: ............................................................................................ 5

3.2 Modelación Hidrológica: ..................................................................................................... 7

3.2.1 Método 1: Máximo caudal registrado por estación limnigráfica del IDEAM. ............. 7

3.2.2 Método 2: Método Racional. ...................................................................................... 7

3.3 Modelación Hidráulica: ..................................................................................................... 13

3.3.1 Análisis Espacial ......................................................................................................... 13

3.3.2 Información Hidráulica: ............................................................................................. 14

3.4 Creación de mapas: ........................................................................................................... 15

3.5 Comparación de resultados: ............................................................................................. 16

4 Resultados ................................................................................................................................. 17

4.1 Caso de estudio: ................................................................................................................ 17

4.2 Modelación Hidrológica .................................................................................................... 18

4.2.1 Método 1: Máximo caudal registrado por estación limnigráfica del IDEAM ............ 18

4.2.2 Método Racional ....................................................................................................... 19

4.3 Modelación Hidráulica: ..................................................................................................... 25

4.3.1 Análisis Espacial ......................................................................................................... 25

4.3.2 Información Hidráulica: ............................................................................................. 28

4.4 Creación de mapas: ........................................................................................................... 31

4.5 Comparación de resultados: ............................................................................................. 37

5 Análisis de resultados ................................................................................................................ 41




Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado ii

6 Conclusiones.............................................................................................................................. 43

7 Recomendaciones ..................................................................................................................... 44

8 Referencias ................................................................................................................................ 45




Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Ejemplo inundación fenómeno de la niña 2010, sabana de Bogotá. .................................................. 1

Figura 2. Esquema de balance de fuerzas para ecuación de Saint Venant ........................................................ 3

Figura 3. Mapa de ubicación de ríos seleccionados ........................................................................................... 6

Figura 4. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia ............................................................................................ 11

Figura 5. Ecuaciones Empíricas del Tiempo de Concentración. Fuente: Instituto Nacional de Vías (INVIAS),

2009. ........................................................................................................................................................ 12

Figura 6. Extensión HEC-GeoRAS instalada ...................................................................................................... 13

Figura 7. Módulo de Geometría de HEC-GeoRAS ............................................................................................. 13

Figura 8. Módulo de Mapeo de HEC-GeoRAS ................................................................................................... 15

Figura 9. Ubicación Río Penderisco .................................................................................................................. 17

Figura 10. Comparación entre Río Penderisco normal y con inundación en el tramo elegido. ....................... 18

Figura 11. Estación MAGDALENA LA ................................................................................................................ 18

Figura 12. Caudal registrado por el IDEAM en estación 11077020 en 𝑚3/𝑠 ................................................... 19

Figura 13. DEM Urrao ....................................................................................................................................... 19

Figura 14. Elevación 3D del terreno. ................................................................................................................ 20

Figura 15. Cuenca asociada al tramo de Río Penderisco elegido ..................................................................... 20

Figura 16. Digitalización del Río Penderisco en ArcGIS .................................................................................... 25

Figura 17. Perfil transversal Río Penderisco, sector Urrao ............................................................................... 25

Figura 18. Creación de secciones transversales con HEC-GeoRAS ................................................................... 26

Figura 19. Interfaz principal HEC-RAS 4.1.0 ...................................................................................................... 26

Figura 20. Geometría del río Penderisco, sector Urrao importada desde ArcGIS a HEC-RAS .......................... 27

Figura 21.Ejemplo sección trasversal ............................................................................................................... 27

Figura 22. Configuración Manning en HEC-RAS ............................................................................................... 28

Figura 23. Condiciones de frontera .................................................................................................................. 28

Figura 24. Tipo de flujo HEC-RAS ...................................................................................................................... 29

Figura 25. Modelación Hidráulica Río Penderisco, Sector Urrao, Inundación noviembre de 2010. Caudal

IDEAM ...................................................................................................................................................... 29




Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado iv

Figura 26. Modelación Hidráulica Río Penderisco, Sector Urrao, Inundación noviembre de 2010. Caudal Pico.

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

Figura 27. Ejemplo sección trasversal inundada. ............................................................................................. 30

Figura 28. Mapa Huella de inundación Río Penderisco, Sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal IDEAM.... 31

Figura 29.Mapa Huella de inundación Río Penderisco, Sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal Pico ......... 32

Figura 30. Mapa Profundidad de inundación, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal

IDEAM ...................................................................................................................................................... 33

Figura 31,Mapa Profundidad de inundación, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal Pico

................................................................................................................................................................. 34

Figura 32.Mapa de Velocidad, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal IDEAM ................. 35

Figura 33.Mapa de Velocidad, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal Pico ..................... 36

Figura 34. Georreferenciación imagen satelital en ArcGIS. .............................................................................. 37

Figura 35. Creación de polígono de inundación de la imagen satelital ............................................................ 37

Figura 36. Mapa Comparación huella de inundación caudal IDEAM con huella satelital. ............................... 38

Figura 37. Mapa Comparación huella de inundación caudal Pico con huella satelital. .................................... 39

Figura 38. Ejemplo conteo de pixeles inundados ............................................................................................. 40




Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado v

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1. Curvas IDF Río Penderisco, Sector Urrao. ........................................................................................ 21

Gráfica 2. Curva IDF TR = 10 años ..................................................................................................................... 24




Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado vi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Coeficiente de Escorrentía (Aparicio 1999) .......................................................................................... 8

Tabla 2. Coeficiente de escorrentía, según Velasco-Molina (1991) ................................................................... 9

Tabla 3. Coeficientes de Escorrentía, Chow et al. (1988) ................................................................................... 9

Tabla 4. Coeficiente de Escorrentía, Método de Raws ..................................................................................... 10

Tabla 5. Coeficiente de Escorrentía, Método de Prevert ................................................................................. 10

Tabla 6.Valores de Manning para canales naturales. Chow (1959) ................................................................. 14

Tabla 7. Coeficiente C para el caso de estudio ................................................................................................. 21

Tabla 8. Caudales por año ordenados de mayor a menor................................................................................ 22

Tabla 9. Distribución de probabilidades para calcular TR ................................................................................ 23

Tabla 10. Resultados de pixeles inundados ...................................................................................................... 40




Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado vii

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1. Ecuación de continuidad de Saint Venant ....................................................................................... 3

Ecuación 2. Ecuación de momentum de Saint Venant ....................................................................................... 3

Ecuación 3.Caudal Pico ....................................................................................................................................... 7

Ecuación 4. Coeficiente de escorrentía .............................................................................................................. 8

Ecuación 5. Factor F de similitud de huellas de inundación. ............................................................................ 16




Lina Tatiana Cardenas Caro Tesis de pregrado 1

1 INTRODUCCIÓN

Históricamente, Colombia y muchas regiones del mundo se han visto gravemente afectadas por

las inundaciones, que pueden causar problemas de salud, económicos, sociales y ambientales en

el área de influencia y su población. Este proyecto busca contribuir a la estimación de las zonas de

inundación, mediante la comparación de dos metodologías para estimar los caudales y su

correspondiente huella de inundación, a través de SIG (Sistemas de Información Geográfica). Para

esta investigación, se utilizará la información de las estaciones hidrológicas y meteorológicas del

IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales), principalmente debido a la

falta de recursos para respaldar un estudio detallado de cada área de interés dentro del país. Las

dos metodologías de estimación de caudal serán: el método de caudal pico, ampliamente utilizado

para estimar inundaciones con diversos períodos de retorno; y los caudales medidos por las

estaciones limnigráficas del IDEAM (estaciones que registran el caudal el tiempo). Con la

modelación de las dos huellas de inundación en un determinado río colombiano, después de un

fenómeno climático Niña, se podrá hacer la comparación con la huella de inundación real obtenida

por medio de imágenes satelitales de la época y así determinar cuál de las dos metodologías

presenta un mejor ajuste. El análisis de estas imágenes se realizará a través del software ArcGIS.

Se espera poder comparar la calidad de estas huellas de inundación modeladas con la huella de

inundación real del río, para tener una estimación de qué tan confiables son estas dos

metodologías y cuál presenta la mejor aproximación de la huella de inundación real.

Figura 1. Ejemplo inundación fenómeno de la niña 2010, sabana de Bogotá.





1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo General

Determinar cuál método de cálculo de caudales (Caudales pico, Caudales de estaciones

hidrológicas) debe ser utilizado para obtener una mejor aproximación a una huella de inundación

real.

1.1.2 Objetivos Específicos

• Hacer una modelación hidráulica e hidrológica de un rio o canal para estudiar su

comportamiento en época de inundaciones.

• Calcular adecuadamente caudales pico por medio de datos de estaciones pluviográficas y

compararlos con caudales obtenidos de estaciones limnimétricas/limnigráficas.

• Generar mapas de huella de inundación en condiciones climatológicas del fenómeno de la

Niña mediante el software HEC-RAS y HEC-GeoRAS y compararlos con una imagen satelital

real de la época de inundación analizada.





2 MARCO TEÓRICO

HEC-RAS: Este programa fue desarrollado para el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados

Unidos (USACE). Es un programa de computadora que modela la hidráulica del flujo de agua a

través de ríos naturales y otros canales.

Este programa utiliza las ecuaciones de Saint Venant para desarrollar la hidráulica en 1D (flujo

permanente) del mismo:

• Ecuación de continuidad: Esta se escribe en términos del caudal Q y el Área A. Representa

un balance de masa sobre un volumen de control.

∂Q

∂x+

∂A

∂t= 0

Ecuación 1. Ecuación de continuidad de Saint Venant

• Ecuación de momentum: Esta ecuación representa una igualdad de fuerzas externas sobre

un volumen de control, fuerzas como la presión, la gravedad, la fricción, entre otras.

Donde Q es caudal, A área, g gravedad, So es la pendiente del canal y Sf es la pendiente de

fricción.

1

𝐴

∂Q

∂t+

1

𝐴

∂

∂x(

𝑄2

𝐴) + 𝑔

∂y

∂x− 𝑔(𝑆𝑜 − 𝑆𝑓) = 0

Ecuación 2. Ecuación de momentum de Saint Venant

Figura 2. Esquema de balance de fuerzas para ecuación de Saint Venant (Wikipedia, 2015)





HEC-GeoRAS: Es un conjunto de procedimientos, herramientas y utilidades para procesar datos

geoespaciales en ArcGIS mediante una interfaz gráfica de usuario (GUI). La interfaz permite

importar la preparación de datos geométricos en HEC-RAS y procesar los resultados de simulación

exportados desde HEC-RAS.

IDEAM: El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales es una entidad del

gobierno colombiano dependiente del Ministerio de Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible.

Responsable de la gestión científica, hidrológica, meteorológica y todo lo relacionado con el medio

ambiente en Colombia. Cuenta con estaciones pluviográficas, limnigráficas, hidrometeorológicas,

entre otras.

Estaciones pluviográficas: Estaciones que registran la lluvia de forma automática diariamente.

Estaciones limnigráficas: Estaciones que registran el caudal diario.

Método racional: Este método se utiliza en hidrología para determinar el flujo máximo

instantáneo de descarga de una cuenca. Es uno de los métodos más utilizados debido a su

simplicidad.

ArcGIS: Es un software utilizado para el análisis espacial. Es una herramienta de sistemas de

información geográfica ampliamente utilizada hoy en día. En este caso, se utilizan ArcMap y

ArcScene.





3 METODOLOGÍA

La metodología para el desarrollo de este trabajo de grado se divide en 5 partes:

1. Selección del caso de estudio.

2. Modelación Hidrológica.

3. Modelación Hidráulica.

4. Creación de mapas.

5. Comparación de resultados.

3.1 Selección del caso de estudio:

Para seleccionar el caso de estudio se siguieron los siguientes criterios:

1. Periodo de inundación pasado con buena información registrada históricamente: Periodo

niña reciente que haya generado inundaciones en Colombia.

2. Ríos de Colombia que presentaron inundación en el periodo de tiempo elegido: Por

cuestiones de tiempo para el análisis de información, se eligieron 5 ríos en un tramo de

extensión considerable que afectara a una ciudad o población.

3. Disponibilidad de información hidrológica y meteorológica del periodo elegido para los

ríos seleccionados con inundación: Una vez se tienen los ríos elegidos, se solicita la

información de caudales máximos y precipitación diaria ante el IDEAM para el periodo de

tiempo elegido.

4. Información Geoespacial de los ríos seleccionados: Se debe contar con un DEM (Modelo

Digital de elevación) de buena resolución, para esto se utilizaron los servidores Planet y

Vertex: ASF’s Data Portal, donde se puede obtener el DEM con resolución 12.5m x 12.5m.

Adicionalmente, se debe contar con imágenes satelitales de la fecha elegida que

demuestren la inundación en la zona.

5. Información topográfica y batimétrica de los ríos seleccionados: La batimetría está ligada

con la topografía, la cual se obtiene en base al DEM. Esta debe ser solicitada al IDEAM o a

las CAR de cada departamento.

El periodo Niña elegido fue el de 2010-2011, ya que al ser reciente tiene más información

disponible. Además, revisando información histórica se encuentra que este afectó a gran parte del

territorio colombiano con inundaciones. Teniendo en cuenta esto se escogen los 5 ríos que por

información histórica hayan presentado inundación y afectado a población cercana y que además

presentaran información de caudales y de precipitación para 2010 y 2011, estos fueron los

siguientes:





• Penderisco (Choco-Antioquia, Ciudad de Urrao)

• San Andrés (Antioquia, San Andrés de Cuerquia)

• Chicamocha (Tibasosa-Boyacá)

• Sinú (Montería)

• Sinú (San Bernardo del viento)

Una vez se tienen los ríos se procede a solicitar la información del IDEAM, el ideal es que se tengan

por lo menos 3 estaciones cercanas al tramo de estudio elegido, esto para luego verificar criterios

de homogeneidad, estacionalidad y consistencia de los datos. En base a esta información se

elabora un mapa con la ubicación espacial de los ríos seleccionados y las estaciones del IDEAM

seleccionadas:

Figura 3. Mapa de ubicación de ríos seleccionados

Finalmente, como caso de estudio se elige el río que presenta la mejor cantidad de datos de

calidad para su modelación (Datos de caudales, de precipitación, de batimetría, topografía e

imagen satelital).





3.2 Modelación Hidrológica:

La modelación hidrológica consiste en el análisis y el tratamiento de datos obtenidos del IDEAM

para poder calcular el caudal máximo para simular la inundación por dos métodos diferentes, los

cuales se describen a continuación:

3.2.1 Método 1: Máximo caudal registrado por estación limnigráfica del IDEAM.

Una vez se pide el registro de caudales y de precipitación diaria de las estaciones requeridas al

IDEAM se debe esperar hasta un mes para el envío de la información. Para ver si la información es

buena, se deben cumplir tres criterios: Homogeneidad, Consistencia y Estacionalidad.

Homogeneidad: Que los datos de una misma región hidrológica sean parecidos.

Consistencia: Que no haya eventos extremos fuera de un análisis probabilístico.

Estacionalidad: Que los datos sean comparables en tiempo espacio.

Para asegurarse de que se cumplan estas tres condiciones, se procede a hacer un análisis de doble

masa (Homogeneidad) y un análisis de máximos y mínimos (Consistencia y Estacionalidad) con los

datos de precipitación. Al tener estos resultados se puede asegurar que la información del IDEAM

es confiable. Por lo tanto, se procede a escoger el caudal máximo diario de la serie de registros de

2010 y 2011.

3.2.2 Método 2: Método Racional.

El método racional se utiliza en hidrología para determinar el caudal máximo instantáneo de

descarga de una cuenca. Es uno de los métodos más utilizados debido a su simplicidad.

La fórmula que se utiliza es la siguiente:

𝑄 = 𝐼𝐶𝐴

360

Ecuación 3.Caudal Pico

Donde:

Q= Caudal pico en 𝑚

𝑠

3 A= Área de la cuenca en Ha.

I= Intensidad en mm/h C= Coeficiente de escorrentía





3.2.2.1 Área de la cuenca:

Para calcular el área de la cuenca se tuvo la siguiente metodología:

1. Se delimitó la cuenca por medio de herramientas hidrológicas del Software ArcGIS, con

punto de inicio de la cuenca el punto aguas arriba del tramo estudiado (Flow Direction,

Watershed).

2. Se hizo un levantamiento del DEM en 3D esto con el fin de poder visualizar gráficamente la

divisoria de aguas.

3. Se delimitó la cuenca en base a los dos criterios anteriores.

3.2.2.2 Coeficiente de escorrentía C:

El Coeficiente de escorrentía representa la relación entre la precipitación que se convierte en

escorrentía y la precipitación total:

𝐶 =𝑉𝑜𝑙 𝐸𝑠𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Ecuación 4. Coeficiente de escorrentía

El coeficiente de escorrentía varía entre 0 y 1 y se puede obtener en base al tipo de suelo, este

valor ya se encuentra estudiado por varios autores, los cuales presentan tablas con los valores

recomendados, algunas de estas se muestran a continuación:

Tabla 1. Coeficiente de Escorrentía (Aparicio 1999)





Tabla 2. Coeficiente de escorrentía, según Velasco-Molina (1991)

Tabla 3. Coeficientes de Escorrentía, Chow et al. (1988)





Tabla 4. Coeficiente de Escorrentía, Método de Raws

Tabla 5. Coeficiente de Escorrentía, Método de Prevert

Se escoge C como el promedio de estos 5 métodos, ya que son lo más conocidos.

3.2.2.3 Intensidad de lluvia I:

La intensidad de lluvia según Chow et al. (1994), se define como la tasa temporal de precipitación,

lo que corresponde a la profundidad por unidad de tiempo (mm/hr).

La forma más sencilla de obtener la intensidad es por medio de las curvas IDF (Intensidad-

Duración-Frecuencia):





Figura 4. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia, Mario DiazGranados (2017)

Estas curvas se grafican con base a eventos históricos asociados a diferentes periodos de retorno.

Se puede fabricar por medio de métodos probabilísticos o se pueden utilizar curvas ya existentes

de la región hidrológicamente homogénea.

El periodo de retorno para un evento ya pasado se puede conocer haciendo un análisis de series

históricas, donde se ordena de mayor a menor el caudal de evento extremo por años y se utiliza

una distribución probabilística para calcular el periodo de retorno. Se recomienda la distribución

Weibull, California o Gringorten, ya que son las más comunes. Para este caso, se decide utilizar el

promedio de las 3 para seleccionar el periodo de retorno asociado a un caudal ya conocido, caudal

IDEAM calculado en la metodología número 1.

Teniendo el periodo de retorno se puede seleccionar la curva adecuada. Adicionalmente, se debe

conocer el tiempo de concentración Tc, que corresponde al eje x de la curva IDF. Este tiempo

corresponde al tiempo que tarda una partícula en llegar desde el nacimiento de la cuenca hasta el

fin de esta. Existen varios métodos de cálculo para determinar este tiempo de concentración, los

cuales se basan en la pendiente, la longitud y el área de la cuenca. A continuación, se muestran las

fórmulas más conocidas:





Figura 5. Ecuaciones Empíricas del Tiempo de Concentración. Fuente: Instituto Nacional de Vías (INVIAS), 2009.

Los resultados de la estimación del tiempo de concentración son muy diferentes entre sí, puesto

que cada autor estima su ecuación para una cuenca con características muy particulares, por lo

que debe tenerse mucho cuidado para la selección del valor más adecuado (Vélez Upegui &

Botero Gutiérrez, 2011). Es por esto por lo que Aristizábal, et al. (2012), plantea que la idea de

estimar el tiempo de concentración por varios métodos se sustenta en la alta variabilidad de este

parámetro, de tal forma que se entienda el rango de variación y por consiguiente la confiabilidad

que suministra esta estimación. Finalmente, se recomienda utilizar el valor medio de varias

ecuaciones eliminando los valores extremos (Vélez Upegui & Botero Gutiérrez, 2011).





Finalmente, teniendo el área de la cuenca, el periodo de retorno, y el tiempo de concentración es

posible conocer la intensidad asociada al evento y así calcular el caudal pico por medio del método

racional.

3.3 Modelación Hidráulica:

La modelación hidráulica se refiere a la modelación en el programa HEC-RAS para generar la

inundación a partir de datos hidrológicos y topográficos, esta se divide en dos partes:

3.3.1 Análisis Espacial

El análisis espacial es todo lo relacionado a la modelación topográfica del rio. Para esto se utiliza la

metodología de creación de geometría con HEC-GeoRAS, el cual permite tener una conexión entre

ArcGIS y HEC-RAS. Utilizando esta extensión es posible modelar las secciones transversales

directamente desde un modelo 3D obtenido del DEM. Se deben seguir los siguientes pasos:

1. Instalar la extensión HEC-GeoRAS en ArcGIS:

Figura 6. Extensión HEC-GeoRAS instalada

2. Tener un DEM de buena resolución.

3. Dibujar el centro del rio y sus bancas con ayuda de las herramientas de HEC-GeoRAS.

4. Crear las secciones transversales con el espaciamiento deseado.

5. Crear las secciones transversales y el rio en 3D con ayuda de HEC-GeoRAS.

6. Exportar la geometría de ArcGIS a HEC-RAS.

Figura 7. Módulo de Geometría de HEC-GeoRAS





Se debe tener en cuenta que las secciones transversales creadas por este programa corresponden

al terreno adyacente y a la superficie de este, ya que el DEM no muestra la batimetría del rio. Por

esto, una vez se tienen las secciones transversales se procede a unirlas con la batimetría, esto se

hace directamente desde HEC-RAS, el cual permite modificar una a una las secciones

transversales, haciendo el empalme con la topografía de las bancas y la planicie de inundación.

Una vez modificada la geometría proveniente de ArcGIS, ya se tiene la digitalización de las

características topográficas y batimétricas que comprenden la parte espacial de la modelación.

3.3.2 Información Hidráulica:

Este proyecto se desarrolla en una dimensión, por lo tanto, el modelo a desarrollar en HEC-RAS no

involucra creación de malla ni de hidrograma. Adicionalmente, esto implica que el flujo sea

permanente, por lo tanto, se debe configurar HEC-RAS para que trabaje bajo estas condiciones.

Se debe contar con los siguientes datos antes de hacer la simulación:

1. Coeficiente de Manning: Este coeficiente depende el tipo de rio que se tenga y existen

varias tablas para determinarlo, este se encuentra típicamente entre 0.03 y 0.04 para ríos

no muy caudalosos (Chow, 1959).

Tabla 6.Valores de Manning para canales naturales. Chow (1959)





2. Condiciones de frontera:

Las condiciones de frontera son aquellas que delimitan el tramo aguas arriba y aguas abajo.

HEC-RAS posee varias opciones para hacer esta delimitación, en este caso, una de las más

sencillas es la pendiente del río, por lo cual esta es la que se utiliza en esta metodología.

3. Condiciones de flujo:

Se debe conocer el caudal a modelar y las condiciones del flujo, si es supercrítico, subcrítico o

si se modela en flujo mixto. Siendo esta ultima la opción más recomendada ya que el río

puede presentar los dos comportamientos.

3.4 Creación de mapas:

Después de hacer la simulación en HEC-RAS, se exportan los datos en un formato SIG. El cual es

posible de visualizar con la extensión HEC-GeoRAS en ArcGIS. Una vez importado es posible

generar la superficie de inundación, con profundidad, extensión y velocidad. Esto se crea en un

formato raster, el cual es posible reclasificar de la forma que se desee.

Figura 8. Módulo de Mapeo de HEC-GeoRAS

Ya teniendo los resultados con las dos simulaciones de los dos diferentes caudales es posible

realizar los mapas necesarios para tener un resultado visual y comparable del mismo. Para la

creación de los mapas se utiliza la herramienta Layout de ArcGIS, se incluye una leyenda, un norte

y una escala.





3.5 Comparación de resultados:

La comparación de resultados se refiere a la comparación de las huellas de inundación modeladas

con los dos métodos de cálculo de caudal y la huella real observada por medio de imagen satelital.

Esta se hace mediante la metodología para comparación de huellas propuesta por el IDEAM

(2018).

Donde para evaluar la capacidad de los modelos para explicar la extensión de la inundación

mediante la comparación de la huella de inundación registrada y la generada con los modelos

hidráulicos se puede emplear como criterio de bondad de ajuste la función F, la cual ha sido

aplicada con buenos resultados en otros estudios de calibración y validación de mapas de

inundación (Horrit & Bates, 2002).

Ecuación 5. Factor F de similitud de huellas de inundación.

Dónde:

-𝑆𝑚𝑜𝑑 es el conjunto del dominio de las subregiones (pixeles, elementos o celdas) que han sido

determinados como inundados en el modelo.

-𝑆 𝑜𝑏𝑠 es el conjunto del dominio de las subregiones (pixeles, elementos o celdas) que han sido

observados como inundados en la imagen satelital.

Dado lo anterior F varía entre 0, para un modelo donde no hubo traslape entre lo modelado y lo

observado de áreas inundadas y 100 para un modelo donde esto coincide perfectamente. Guía

metodológica para la elaboración de mapas de inundación (IDEAM, 2018).

Para poder llevar a cabo esta metodología es necesario obtener la imagen satelital muy cercana al

día de la inundación y digitalizarla en ArcGIS. Esto representa un proceso de georreferenciación y

de creación de polígono de esta, para poder comparar el número de pixeles inundados.





4 RESULTADOS

Siguiendo la metodología expuesta anteriormente se tienen los siguientes resultados para cada

uno de los pasos:

4.1 Caso de estudio:

Inundación noviembre de 2010. Río Penderisco, Sector Urrao, Urabá Antiqueño.

Figura 9. Ubicación Río Penderisco

Características importantes:

Extensión del tramo: 5.8 Km

Afectación: Población de Urrao, 44648 habitantes.

Pendiente promedio: 3%

Altitud: 1803 m.s.n.m





Figura 10. Comparación entre Río Penderisco normal y con inundación en el tramo elegido.

4.2 Modelación Hidrológica

4.2.1 Método 1: Máximo caudal registrado por estación limnigráfica del IDEAM

Después de verificar la homogeneidad, estacionalidad y consistencia de los datos, se encontró el

caudal máximo en la estación ubicada en el inicio del tramo aguas arriba, indicada con un punto

rojo, estación limnigráfica 11077020 La MAGDALENA LA:

Figura 11. Estación MAGDALENA LA





Figura 12. Caudal registrado por el IDEAM en estación 11077020 en 𝒎𝟑

𝒔

Octubre Noviembre Diciembre

MEDIA 39.72 77.25 58.23

MAXIMA 75.47 142.6 131.8

MINIMA 35.31 54.14 29.65

Como se puede observar, el caudal máximo registrado se da en noviembre y es de 142.6 𝑚3

𝑠.

4.2.2 Método Racional

4.2.2.1 Área de la cuenca:

Se cuenta con un DTM de 0.3m x 0.3m, lo cual es muy detallado y contribuye a unos mejores

resultados.

Figura 13. DEM Urrao





Modelo 3D del terreno cercano al río con ArcScene para observar la divisoria de aguas:

Figura 14. Elevación 3D del terreno.

Delimitación de afluentes (Rojo) y cuencas de afluentes (azul) que llegan al punto de inicio del

tramo del río (azul oscuro).

Figura 15. Cuenca asociada al tramo de Río Penderisco elegido





Finalmente, área de la cuenca: 31837 Ha.

4.2.2.2 Coeficiente de escorrentía C:

El río Penderisco transporta cargas de arenas mixtas, limos y arcillas forma meandros bien

desarrollados, siendo los patrones de los canales en la parte alta más rectos, con cargas

compuestas principalmente por arenas. (IGAC, 2007).

De acuerdo con esta descripción del tipo de suelo, las características de la planicie de inundación y

la pendiente de aproximadamente el 3% anteriormente mencionada, se puede obtener el

coeficiente C de las tablas anteriormente citadas en la sección de metodología. Como resultado

final se escoge el promedio de los métodos, ya que este representa un mejor ajuste, excluyendo

valores extremos:

Tabla 7. Coeficiente C para el caso de estudio

Velasco-Molina Aparicio Chow Raws Prevet Promedio

C 0.1 0.08 0.28 0.36 0.15 0.194

4.2.2.3 Intensidad de lluvia I:

Curvas IDF: Se encontraron curvas IDF disponibles para la zona, las cuales se verificaron con el

registro histórico de precipitación obtenido del IDEAM.

Gráfica 1. Curvas IDF Río Penderisco, Sector Urrao. Fuente: https://docslide.net/documents/curvas-idf-penderisco.html

https://docslide.net/documents/curvas-idf-penderisco.html





Determinación del periodo de retorno:

Se ordenan los caudales de mayor a menor por años y se saca la probabilidad con diferentes

distribuciones, luego 1/p es igual al periodo de retorno TR.

Tabla 8. Caudales por año ordenados de mayor a menor

Año Q Máximo





Tabla 9. Distribución de probabilidades para calcular TR





Como se puede observar en la tabla anterior para un caudal del 142.6 𝑚3

𝑠 (caudal registrado por el

IDEAM), se tiene un TR en promedio de 10.25 años, por lo tanto, se utiliza la curva IDF

correspondiente.

Gráfica 2. Curva IDF TR = 10 años

Determinación del tiempo de concentración TC:

Utilizando las fórmulas descritas en la metodología, se obtuvo un promedio de tiempo de

concentración de 220 minutos. Lo que corresponde a 3.6 horas.

Intensidad:

La intensidad para un periodo de retorno de 10 años y in Tc de 220 minutos es de

aproximadamente 14mm/hr.

Finalmente, se puede aplicar la formula racional para calcular el caudal pico:

𝑄𝑝𝑖𝑐𝑜 = 𝐼𝐶𝐴

360

𝑄𝑝𝑖𝑐𝑜 =

14𝑚𝑚ℎ

∗ 0.194 ∗ 31837𝐻𝑎

360

𝑄𝑝𝑖𝑐𝑜 = 240.2𝑚3

𝑠

y = 384.7626x-0.6164

R² = 0.9994

02468

10121416182022242628303234

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480

Inte

ns

idad

(m

m/h

r)

Duración (min)

Regresión T= 10 años

I Vs. t Potencial (I Vs. t)





4.3 Modelación Hidráulica:

4.3.1 Análisis Espacial

Creación de Geometría: Se obtuvo una batimetría con secciones detalladas, la cual se unió al DEM

con ayuda de HEC-Geo RAS y HEC-RAS.

Delimitación del centro, bancas y planicie de inundación del río.

Figura 16. Digitalización del Río Penderisco en ArcGIS

Figura 17. Perfil transversal Río Penderisco, sector Urrao





Teniendo esto, se dibujan las secciones trasversales siguiendo la batimetría adquirida.

Figura 18. Creación de secciones transversales con HEC-GeoRAS

Una vez se tiene la geometría dibujada, se crea la misma en 3D haciendo empalme con el DEM.

Esto utilizando HEC-GeoRAS. Después de esto ya es posible hacer uso del software HEC-RAS:

Figura 19. Interfaz principal HEC-RAS 4.1.0





Importación de la geometría en formato GIS:

Figura 20. Geometría del río Penderisco, sector Urrao importada desde ArcGIS a HEC-RAS

Figura 21.Ejemplo sección trasversal





4.3.2 Información Hidráulica:

1. Coeficiente de Manning: Para este caso, se eligió un Manning de 0.035. Esto de acuerdo a

la Tabla 6.Valores de Manning para canales naturales. Chow (1959).

Los valores de contracción y expansión son de 0.1 y 0.3 respectivamente, estos son los

valores estándar dados por el programa para modelación de ríos.

Figura 22. Configuración Manning en HEC-RAS

2. Condiciones de frontera: Como se mencionó anteriormente, se utiliza la pendiente, la cual

corresponde a un valor de 3%.

Figura 23. Condiciones de frontera





3. Condiciones de flujo: Como se mencionó anteriormente, se elige un flujo permanente de

régimen mixto.

Figura 24. Tipo de flujo HEC-RAS

Resultado modelación hidráulica:

Figura 25. Modelación Hidráulica Río Penderisco, Sector Urrao, Inundación noviembre de 2010. Caudal IDEAM





Figura 26. Modelación Hidráulica Río Penderisco, Sector Urrao, Inundación noviembre de 2010. Caudal Pico.

Figura 27. Ejemplo sección trasversal inundada.





4.4 Creación de mapas:

Los mapas se obtuvieron en base a la metodología anteriormente descrita.

Figura 28. Mapa Huella de inundación Río Penderisco, Sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal IDEAM





Figura 29.Mapa Huella de inundación Río Penderisco, Sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal Pico





Figura 30. Mapa Profundidad de inundación, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal IDEAM





Figura 31,Mapa Profundidad de inundación, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal Pico





Figura 32.Mapa de Velocidad, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal IDEAM





Figura 33.Mapa de Velocidad, Río Penderisco, sector Urrao, noviembre de 2010. Caudal Pico





4.5 Comparación de resultados:

Para la comparación de resultados se elaboraron mapas de comparación entre las huellas

modeladas y la huella que se obtuvo de una imagen satelital, esto con el fin de calcular el factor F

anteriormente descrito en la metodología:

Figura 34. Georreferenciación imagen satelital en ArcGIS.

Figura 35. Creación de polígono de inundación de la imagen satelital





Figura 36. Mapa Comparación huella de inundación caudal IDEAM con huella satelital.





Figura 37. Mapa Comparación huella de inundación caudal Pico con huella satelital.





Tabla 10. Resultados de pixeles inundados

Cantidad de pixeles inundados Pixeles con intersección con

huella satelital

Caudal IDEAM 909 713

Caudal Pico 1225 943

Huella satelital 761 --

Figura 38. Ejemplo conteo de pixeles inundados

Utilizando la Ecuación 5:

𝐹 𝑄𝑃𝑖𝑐𝑜 = 943

1225 + 761∗ 100 = 47.48 %

𝐹 𝑄 𝐼𝐷𝐸𝐴𝑀 = 713

909 + 761∗ 100 = 42.69 %





5 ANÁLISIS DE RESULTADOS

En cuanto a los caudales se puede afirmar que el caudal pico calculado por el método racional es

mayor al caudal registrado por el IDEAM en un 41%. Lo cual era de esperarse, ya que este método

tiende a sobrestimar los resultados para cuencas mayores a 200Ha. Sin embargo, genera una

aproximación realista a lo que puede llegar a ser un evento extremo de inundación.

Por otra parte, se tiene resultados de velocidad y profundidad, los cuales se pueden observar en

los mapas correspondientes. Analizando estos resultados, se observa que presentan un buen

ajuste, ya que en ambos casos los resultados para el caudal pico son mayores, lo cual era de

esperarse. Sin embargo, ningún resultado es exagerado, por lo cual se puede decir que la

simulación se hizo correctamente. En cuanto a profundidad, para el caudal del IDEAM, la lámina

de agua máxima es de 3.28m y para el caudal pico es de 3.65m, la cual se presenta principalmente

en las partes topográficas más bajas donde es susceptible a represarse el agua. Por otro lado, la

velocidad máxima de inundación es 5.47 m/s para la inundación generada por el caudal pico y de

2.45 m/s para la generada por el caudal del IDEAM, la cual se presenta en el cauce del rio y es

coherente con la diferencia de caudales del 41%.

En cuanto a la comparación de huellas, los resultados se pueden apreciar de dos formas, una

visual por medio de los mapas de comparación presentados en el numeral anterior y otra

cuantitativa por medio del factor F.

De forma visual se puede observar que la huella generada para ambos caudales en términos

generales es más grande que la huella satelital registrada. Lo cual no resulta extraño ya que la

imagen satelital no representa la inundación inmediata, sino el evento transitado. Mientras que la

simulación de HEC-RAS presenta una inundación en un tiempo específico de evento extremo. Sin

embargo, estas huellas generadas se pueden considerar una buena aproximación, ya que al

sobreestimar la inundación presentan mejores medidas para la mitigación del riesgo.

Por otra parte, se puede observar que en cuento a forma las huellas generadas con caudal pico y

caudal del IDEAM son muy similares, cambiando la extensión de esta en algunas zonas. Esto es

predecible ya que la geometría y las condiciones hidráulicas para las dos modelaciones fueron las

mismas.

Cuantitativamente se tiene los resultados dados por el factor F de compatibilidad de huellas,

donde el mejor resultado lo tiene la huella modelada con el caudal pico con un 47.48% contra un

42.69% de la modelada con el caudal del IDEAM. Esto quiere decir que la huella tiene una

compatibilidad de pixeles inundados de casi la mitad con la huella registrada satelitalmente. Esto,





teniendo en cuenta que el número de pixeles inundados en los casos modelados es mayor a la

cantidad de pixeles del polígono obtenido con base en la imagen satelital. Se puede resaltar que

las dos modelaciones tienen resultados similares, sin embargo, al ser el caudal pico mayor al

caudal registrado por el IDEAM este aborda una extensión más completa, teniendo mejor

compatibilidad con la huella registrada.

Según el registro histórico, la inundación de noviembre de 2010 afectó únicamente al sector rural

de la población de Urrao, por lo tanto, se puede observar que los resultados son consistentes con

esto, ya que la inundación no se extiende hasta la parte urbana en ningún caso.





6 CONCLUSIONES

Como conclusión se tiene que el método racional de cálculo de caudal representa una mejor

modelación de la huella de inundación en comparación con la real registrada por imagen satelital.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que el caudal del IDEAM tuvo un resultado de

compatibilidad cercano al de caudal pico. Por lo tanto, es aconsejable usar cualquiera de los dos

métodos, dependiendo la disponibilidad de información hidrológica e hidrometereológica que se

disponga.

Adicionalmente, se puede concluir que entre mayor sea el caudal de inundación, esta será más

extensa, tendrá una mayor profundidad y una mayor velocidad de propagación.

Por otra parte, se debe tener en cuenta que una modelación correcta de la geometría del río es

fundamental para tener unos buenos resultados, por lo tanto, es indispensable contar con un DEM

y una batimetría de alta calidad antes de hacer la modelación hidráulica.

En cuanto al software usado, se puede concluir que HEC-GeoRAS es una herramienta que facilita la

modelación de la geometría, ya que al ser una extensión de ArcGIS presenta una manera más

amigable y visual de crearla, permitiendo una conexión entre softwares también para la creación

de mapas. Así mismo, la modelación hidráulica en HEC-RAS representa una buena opción de

modelación hidráulica en 1D ya que es un programa muy completo, que simula de forma óptima

las condiciones reales de lo que se quiere modelar. Además, al ser un software gratuito, facilita la

accesibilidad de las personas al mismo.





7 RECOMENDACIONES

• Uno de los inconvenientes al realizar este proyecto fue la falta de información batimétrica

y topografía, por esto se recomienda contar con esta información antes de empezar a

realizar la modelación. De igual forma, se recomienda buscar un DEM con la mejor

resolución posible.

• Para tener un mejor detalle en los mapas se recomienda realizar la geometría lo más

detallada posible.

• Se recomienda utilizar modelos de simulación 2D en caso de que se requiera visualizar la

inundación en el tiempo.

• En cuanto a la información hidrológica y meteorológica se recomienda contar con al

menos tres estaciones cercanas, con las cuales se pueda verificar la veracidad de los datos

obtenidos.

• Para realizar los mapas en ArcGIS con la extensión HEC-GeoRAS se recomienda convertir el

DEM de formato Tiff a formato TIN, ya que la mayoría de las veces no se genera mapa

cuando se utiliza el archivo raster.

• Se recomienda tener especial cuidado a la hora de definir las condiciones de frontera, ya

que estas dependen de diversos factores del rio. Se debe tener en cuenta la circunstancia

más predominante. Por ejemplo, si aguas arriba o abajo se encuentran represas o alguna

estructura hidráulica que pueda alterar el flujo normal del río.

• Si se requieren resultados de caudal pico de mayor precisión se recomienda utilizar un

DEM con buena resolución y ríos con cuenca de descarga no mayor a 200Ha, ya que esto

provoca la sobrestimación del caudal.

• Al unir la batimetría con el DEM se recomienda tener especial cuidado con las bancas, ya

que muchas veces la batimetría dispuesta no encaja perfectamente con las alturas del

DEM. Por esto, se deben realizar los ajustes necesarios directamente desde el editor de

geometría de HEC-RAS, editando cada una de las secciones transversales, ya que este

proceso es más tedioso de realizar desde la plataforma GIS.

• Finalmente, para comprobar la veracidad de los resultados de esta tesis se recomienda

aplicar esta misma metodología a diferentes casos de estudio.





8 REFERENCIAS

Docslide.net. (2015). Curvas IDF Penderisco. [online] Recuperado de:

https://docslide.net/documents/curvas-idf-penderisco.html

Es.wikipedia.org. (2015). Ecuaciones de Saint-Venant en 1D. [online] Recuperado de:

https://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaciones_de_Saint-Venant_en_1D

Hec.usace.army.mil. (2018). HEC-RAS. [online] Recuperado de:

http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/

IDEAM (2018). GUÍA METODOLÓGICA PARA LA ELABORACIÓN DE MAPAS DE INUNDACIÓN.

[online] Documentacion.ideam.gov.co. Recuperado de:

http://documentacion.ideam.gov.co/openbiblio/bvirtual/023774/GUIA_METODOLOGICA_

MAPAS_INUNDACION_MARZO_2018.pdf

Ingenieriacivil.tutorialesaldia.com. (2017). Determinación de Caudales Máximos con el Método

Racional – Tutoriales al Día – Ingeniería Civil. [online] Recuperado de:

http://ingenieriacivil.tutorialesaldia.com/determinacion-de-caudales-maximos-con-el-

metodo-racional/

Planet. (2018). Home. [online] Recuperado de: https://www.planet.com/

Repository.udem.edu.co. (2019). Curvas IDF. [online] Recuperado de:

https://repository.udem.edu.co/bitstream/handle/11407/2203/TG_IC_4.PDF?sequence=1

&isAllowed=y

Riunet.upv.es. (2012). Coeficiente de escorrentía. [online] Recuperado de:

https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/10781/Coeficiente%20de%20escorrent%C

3%ADa.pdf

Vertex.daac.asf.alaska.edu. (2018). Vertex: ASF's Data Portal. [online] Available at:

https://vertex.daac.asf.alaska.edu/# [Accessed 18 Jan. 2019].





YouTube. (2019). Simulacion De Inundacion con HecGeoras y HecRas. [online] Recuperado de:

https://www.youtube.com/watch?v=BehqHKfDQ24

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