Ubicación de obras de contención hídrica para el … · mediante la construcción de curvas...

y

Ubicacióel controla cuenc

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN

VICERRECTORADO

Centro de Levantamientos Aeroespaciales

Aplicaciones SIG para el Desarrollo Sostenible

de los Recursos Naturales

n de obras de contención hídrica para l de caudales en el curso principal de a Quebrada Los Monos, Tarija-Bolivia

Ing. Neyza Yomara Choque Fulguera

Diciembre, 2010

Ubicación de obras de contención hídrica para el control de caudales en el curso principal de la cuenca Quebrada

Los Monos

Por

Neyza Yomara Choque Fulguera

Asignación Final Individual (Trabajo de Grado) presentado al Centro de Levantamientos Aeroespaciales y Aplicaciones SIG para el Desarrollo Sostenible de los Recursos Naturales en cumplimiento parcial de los requisitos para la obtención del grado académico de Máster en Ciencias de la Geo - Información y Observación de la Tierra, en la mención en: (escriba el nombre de la mención)

Comité de evaluación del AFI

Lic. J. Stephan Dalence M. MSc. - Presidente

Ing. María R. Sandoval G. MSc. - Asesor 1

Ing. Airthon A. Espejo R. MSc. - Asesor 2

Ing. Mauricio M. Auza A. MSc. - Docente CLAS

Ir. Gabriel N. Parodi MSc. - Docente ITC

Centro de Levantamientos Aeroespaciales y Aplicaciones SIG para el Desarrollo Sostenible

de los Recursos Naturales Cochabamba, Bolivia

Aclaración

Este documento describe el trabajo realizado como parte del programa de estudios de Maestría en el Centro de Levantamientos Aeroespaciales y Aplicaciones SIG para el Desarrollo Sostenible de los Recursos Naturales. Todos los puntos de vista y opiniones expresadas en el mismo son responsabilidad exclusiva del autor y no representan necesariamente las del Centro.

Resumen

La cuenca quebrada Los Monos, se encuentra enclavada en la serranía del Agüarague, ubicada en el municipio de Villa Montes, Tarija, al sur de Bolivia. Posee un área de aproximadamente 40 km2, una litogía dura, conformada por roca y una altura promedio de 867 m.s.n.m.

En fecha abril 2006, la cuenca Los Monos fue escenario de torrenciales lluvias, generándose grandes volúmenes de caudal superficial, la empresa directamente afectada ante éste hecho fue PETROBRAS; la cual tiene instaladas un sistema de tuberías que transporta petróleo crudo, paralelamente al curso principal de la cuenca. Por el evento hidrológico mencionado; se produjeron fallas que derivaron en la rotura y exposición de tuberías en tres puntos, ocasionando la interrupción del transporte de petróleo.

Con el fin de proteger los ductos que transportan petróleo, se ubicaron 3 sitios de emplazamiento de obras de contención hídrica dentro la cuenca Los Monos; para determinar la ubicación mas adecuada se realizó el análisis de las precipitaciones y se modelo la cuenca mediante simulación hidrológica mediante software HEC-HMS 3.4.

La respuesta hidrológica tiene como parámetro fundamental “la precipitación”; por tal motivo, primeramente se tuvo que inferir sobre la misma, la base fueron las siguientes dos hipótesis:

“El régimen de precipitaciones es similar tanto dentro como fuera de la zona de estudio, para tal hipótesis, la precipitación fue establecida mediante el método de correlación”.

“El régimen de precipitaciones no es similar al de las cuencas adyacentes, es decir, que a la cuenca en estudio le correspondía un microclima, el cálculo de la precipitación fue determinada mediante la construcción de curvas IDF”.

Las alturas de precipitación resultantes de cada método no variaron significativamente, teniendo un rango de diferencia entre ambas de 2 a 8 mm, razón que conlleva a concluir que no existe un microclima en la cuenca quebrada Los Monos.

Se obtuvieron las respuestas hidrológicas para las precipitaciones calculadas por ambos métodos, los caudales resultantes del modelo fueron calibrados con marcas de agua registradas pasado el evento de abril 2006. Al obtener el evento hidrológico calibrado, se ubicaron obras de contención hídrica en la parte alta de la cuenca, logrando una reducción del caudal pico de casi el 50%, por ende las velocidades redujeron casi en la misma proporción.

Reduciendo el volumen y las velocidades del flujo, se podría brindar cierto grado de seguridad a las tuberías, si ocurriera una situación parecida al evento de abril 2006.

i

Dedico este trabajo a:

A mi mamá, Estela, por darme su apoyo en todo momento.

A mi papá, Victor por sus consejos y apoyo.

A mis hermanas Telma, Gady, Estela y Victoria; y en especial a mi hermano Rotney por su cariño y apoyo brindado…

Gracias…

ii

Agradecimientos

A Dios

Por permitirme llegar hasta este momento tan importante de mi vida y lograr otra meta más en mi carrera profesional.

Gracias a mi tutora Ing. María R. Sandoval G. MSc.

Por sus consejos, paciencia y opiniones que me ayudaron a llevar a cabo la culminación del presente AFI.

Gracias al Ing. José Navía Ojeda

Por la ayuda brindada para que ingrese a la presente maestría.

Gracias al Ing. Adrian Castillo

Por su colaboración en cuanto al requerimiento de la información básica para el desarrollo del trabajo presentado.

Agradezco a quienes fueron mis docentes del CLAS, que aportaron con sus conocimientos en la formación de la maestría.

Gracias a todos mis amigos, por su ayuda y apoyo…

iii

Cuadro de contenidos

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

1.1. Antecedentes................................................................................................................................. 1

1.2. Justificación ................................................................................................................................... 2

2. Objetivos................................................................................................................................................ 3

2.1. Objetivo general ............................................................................................................................ 3

2.2. Objetivos específicos ..................................................................................................................... 3

3. Marco Teórico ....................................................................................................................................... 5

3.1. Sistemas de Información Geográfica (SIG) .................................................................................... 5

3.1.1. Modelo de elevación digital (DEM) ....................................................................................... 5

3.1.2. DEM Hydroprocessing ........................................................................................................... 5

3.2. Variables morfométricas de una cuenca de drenaje..................................................................... 6

3.2.1. Área de la cuenca de drenaje (A) .......................................................................................... 6

3.2.2. Longitud del perímetro (P) .................................................................................................... 6

3.2.3. Longitud de la cuenca (Lc) ..................................................................................................... 6

3.2.4. Factor de forma (Rf) .............................................................................................................. 6

3.3. Análisis de datos pluviométricos ................................................................................................... 7

3.3.1. Estimación de datos faltantes ............................................................................................... 7

3.3.2. Análisis de consistencia ......................................................................................................... 7

3.4. Correlación hidrológica.................................................................................................................. 8

3.5. Curvas Intensidad‐Duración y Frecuencia. .................................................................................... 8

3.5.1. Tormenta de diseño .............................................................................................................. 9

3.6. Curva masa de precipitación ......................................................................................................... 9

3.7. Hidrometría ................................................................................................................................... 9

3.7.1. Relación sección‐pendiente................................................................................................... 9

3.8. Modelamiento hidrológico .......................................................................................................... 11

3.8.1. Separación de la lluvia neta o efectiva ................................................................................ 11

3.8.2. Transformación de la precipitación neta a escorrentía directa .......................................... 14

iv

3.8.3. Tránsito de caudales............................................................................................................ 15

3.9. Calibración del modelo................................................................................................................ 17

3.10. Obras de contención hídrica ................................................................................................... 17

4. Marco Metodológico........................................................................................................................... 18

4.1. Area de estudio ........................................................................................................................... 18

4.1.1. Ubicación ............................................................................................................................. 18

4.1.2. Características generales..................................................................................................... 19

4.2. Variables hidromorfológicas ....................................................................................................... 20

4.3. Análisis de datos pluviométricos................................................................................................. 21

4.3.1. Hipótesis 1 ‐ El régimen pluviométrico sobre el área de estudio es similar al de las cuencas vecinas 22

4.3.2. Hipotesis 2 ‐ El régimen pluviométrico es distinto al de las cuencas vecinas. .................... 24

4.4. Curvas masa de precipitación...................................................................................................... 24

4.5. Calculo de caudal pico (Sección‐Pendiente)................................................................................ 24

4.6. Modelamiento hidrológico.......................................................................................................... 27

4.7. Calibración................................................................................................................................... 28

5. Resultados y Discusión ........................................................................................................................ 30

6. Conclusiones........................................................................................................................................ 45

7. Recomendaciones ............................................................................................................................... 46

8. Referencias Bibliográficas ................................................................................................................... 47

v

Lista de figuras Figura 1: Modelo de elevación digital........................................................................................................... 1

Figura 2: Curva doble másica........................................................................................................................ 1

Figura 3: Ubicación del área de estudio ........................................................................................................ 1

Figura 4: Secciones típicas de la cuenca Los Monos. ................................................................................. 19

Figura 5: Mapa de subdivisión de la cuenca Quebrada Los Monos .............................................................. 1

Figura 6: Ubicación de las estaciones pluviométricas fuera del área de estudio........................................... 1

Figura 7: Hietograma de Febrero 2009........................................................................................................ 22

Figura 8: Hietograma de Febrero 2009 para la estación de EM, determinado por medio de los coeficientes de correlación .............................................................................................................................................. 23

Figura 9: Hietograma de Febrero 2009 ajustado ......................................................................................... 23

Figura 10: Curvas masa de precipitación para las estaciones digitales ....................................................... 24

Figura 11: Sección transversal MA_02. a) Levantamiento topográfico, b) Fotografía de la sección ......... 25

Figura 12: Sección transversal MA_03. a) Levantamiento topográfico, b) Fotografía de la sección ......... 25

Figura 13: Mapa de ubicación de las marcas de agua ................................................................................. 26

Figura 14: Cuenca quebrada Los Monos. a) Componentes alrededor de la cueca quebrada Los Monos, b) Zoom de los componentes que integran el moldelo hidrológico de la cuenca ............................................ 28

Figura 15: Proyección para fecha Abril 2006, con datos de la EM. Periodo (2008-2009).......................... 31

Figura 16: Hietograma resultante de la Est. Meteorológica, análisis por correlación. Periodo 2009-2010. 31

Figura 17: Hietogramas resultantes del Pluviómetro 01, análisis por correlación. Años 2009-2010.......... 31

Figura 18: Hietograma resultante del Pluviómetro 02, análisis por correlación. Año 2008-2009 .............. 32


Figura 20: Hietograma resultante del Pluviómetro 03, análisis por correlación. Año 2008-2009 .............. 33


Figura 22: Hietogramas de diseño determinados para precipitaciones halladas por el método de correlaciones................................................................................................................................................ 34

Figura 23: Curvas IDF para la estación de EM ........................................................................................... 35

Figura 24: Curvas IDF para la estación P01................................................................................................ 35



vi

Figura 27: Hietogramas de diseño determinados para precipitaciones halladas por el método de las curvas IDF ...............................................................................................................................................................37

Figura 28: Hidrograma de respuesta de la cuenca quebrada Los Monos, derivado de las precipitaciones calculadas por el método de correlación ......................................................................................................38

Figura 29: Hidrograma de respuesta derivado de la utilización de las precipitaciones determinadas por el método de las curvas IDF.............................................................................................................................38

Figura 30: Hidrograma salida de la cuenca quebrada Los Monos, adicionándole caudales superficiales (IDF).............................................................................................................................................................39

Figura 31: Secciones expuestas del sistema de tuberías producto del evento abril 2006.............................40

Figura 32: Hidrograma de salida con obras de contención hídrica (IDF) ....................................................40

Figura 33: Vasos de almacenamiento para cada una de las obras de contención.........................................43

vii

Lista de cuadros Cuadro 1: Clasificación de cuencas de drenaje según su tamaño.................................................................. 6

Cuadro 2: Número de curva N para complejos hidrológicos de suelo cobertura (para condición de humedad antecedente tipo II) ...................................................................................................................... 11

Cuadro 3: Condición hidrológica en función a la cobertura vegetal ........................................................... 13

Cuadro 4: Clasificación hidrológica de suelos ............................................................................................ 14

Cuadro 5: Gasto unitario en función del tiempo de concentración ............................................................. 14

Cuadro 6: Variables morfológicas de las subcuencas ................................................................................. 21

Cuadro 7: Distancia entre secciones de marcas de agua.............................................................................. 25

Cuadro 8: Determinación del coeficiente de conducción Kd de la sección MA_03 ................................... 26

Cuadro 9: Porcentaje de área que aporta cada subcuenca ........................................................................... 28

Cuadro 10: Porcentaje de precipitación con el que se distribuye sobre la cuenca....................................... 28

Cuadro 11: Resumen de los datos de precipitación, hallados por el método de correlación....................... 33

Cuadro 12: Precipitación determinada mediante curvas IDF ...................................................................... 36

Cuadro 13: Comparación de alturas de precipitación.................................................................................. 36

Cuadro 14: Caudal de aporte de cada una de las subcuencas ...................................................................... 38

Cuadro 15: Velocidades de los tránsitos sin obras de contención ............................................................... 39

Cuadro 16: Coordenadas de las obras de contención (UTM-WGS84)........................................................ 43

Cuadro 17: Velocidades finales logradas despues de la ubicación de obras de contención ........................ 43

viii

UBICACIÓN DE OBRAS DE CONTENCIÓN HÍDRICA EN EL CURSO PRINCIPAL DE LA CUENCA QUEBRADA LOS MONOS, TARIJA-BOLIVIA

1. Introducción

1.1. Antecedentes

La cuenca Quebrada Los Monos con un área aproximadamente de 40 km2, ubicada a no más de 1 hora del municipio de Villa Montes, Tarija, al sur de Bolivia; fue escenario de torrenciales lluvias en abril de 2006, generándose como respuesta grandes volúmenes de caudal superficial.

Según encuestas realizadas a algunos pobladores del municipio de Villa Montes, la precipitación evidenciada, no fue de gran intensidad pero si de larga duración y alta repetición, ésta recurrencia de lluvias ha delatado la facilidad con la que erosiona el suelo de la cuenca, de tal manera que el suelo alcanzó la saturación, dando lugar a superficies de falla.(IPE, 2007)

La empresa “Petróleo Brasileiro S.A.” (PETROBRAS) tiene instaladas en el curso principal de la cuenca un sistema de tuberías que transporta petróleo crudo a refinerías para la obtención de sus derivados, el fallo de la tubería producido por el evento hidrológico, ocasionó el corte en tres puntos de la tubería, además de la exposición de la misma, ocasionando la interrupción del transporte de crudo a refinerías de Palmasola y Valle Hermoso.(IPE, 2007)

Por tal razón, la empresa petrolera PETROBRAS, que opera dentro de la quebrada. Los Monos se comprometió a resolver el problema con una solución sustentable para el manejo de la zona, es así que cierra varios contratos para el estudio de crecidas en la cuenca mencionada.

En base a los estudios y propuestas de solución brindadas por las empresas contratadas, en los últimos años realizaron emplazamientos de varias medidas de protección a los ductos, hasta la fecha, en varias de las estructuras emplazadas se produjeron fallas o en su defecto dejaron de cumplir su función, uno de los motivos podría haber sido causado por la falta de información hidrometeorológica dentro de la zona de mencionada, “…no se logró determinar las características de la lluvia que produjo el fenómeno…”(IPE, 2007) , ésta situación dio lugar quizá a una subestimación de los caudales máximos para el diseño de dichas obras, por tal motivo a principios del año 2009 se procedió a la instalación, por parte de la empresa PETROBRAS, de una estación meteorológica y tres estaciones pluviométricas digitales dentro de la zona.

Por las razones expuestas, el presente proyecto propone otra solución alternativa que resuelva los problemas hidrológicos e hidráulicos, proponiendo sitios de emplazamiento de obras de contención hídrica, de tal manera que se controle el volumen de agua y velocidad de flujo para brindar la protección adecuada a las tuberías emplazadas paralelas al cauce principal.

Uno de los parámetros más importantes para la obtención de una determinada respuesta hidrológica es la precipitación, por lo cual, se procederá a calcular la precipitación que produjo el evento hidrológico en abril 2006, utilizando para tal fin los datos de precipitación obtenidos los últimos dos años dentro de la cuenca y relacionándolos con los datos de las estaciones cercanas, además la misma será calibrada con marcas de agua.

1

Título del AFI

1.2. Justificación

Al ocasionarse el evento hidrológico en abril de 2006, generó caudales de gran envergadura, afectando directamente la integridad y funcionamiento de las tuberías de crudo ubicadas aguas abajo.

Como se mencionó en el punto anterior, ante ésta situación, PETROBRAS contrató servicios para la realización de estudios en la zona. En base a los estudios y propuestas de solución brindadas por las empresas contratadas, PETROBRAS en los últimos años, realizó el emplazamiento de varias medidas de protección a los ductos. Hasta la fecha, en varias de las estructuras emplazadas se produjeron fallas o en su defecto dejaron de cumplir su función; por tal razón, el presente proyecto propone otra solución alternativa que resuelva los problemas hidrológicos e hidráulicos, tendiendo a ser una solución sustentable.

A la vez, con ésta propuesta se pretende determinar sitios para el emplazamiento de obras de contención hídrica, de tal manera que se controle el volumen de agua, velocidad de flujo y sobretodo brinde la protección adecuada a las tuberías emplazadas paralelas al cauce principal.

2


2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Determinar sitios aptos de emplazamiento de obras de contención hídrica, para el control de caudales en el curso principal de la cuenca Quebrada Los Monos.

2.2. Objetivos específicos

• Analizar información pluviométrica.

• Modelar el comportamiento hidrológico con y sin obras de contención hídrica.

• Calibración del caudal para el evento dado en abril 2006.

3


3. Marco Teórico

3.1. Sistemas de Información Geográfica (SIG)

Los sistemas de información geográfica resultan una herramienta importante para lograr uan simulación de la respuesta hidrológica un poco más precisa, análisis de variación espacial de factores de escorrentía o similares, que hasta entonces debían considerarse como parámetros de valor único constante, análisis de la variación espacial de las precipitaciones, lo que permite un análisis de intensidades para distintos puntos.

3.1.1. Modelo de elevación digital (DEM)

Un modelo de elevación digital es una representación digital de una variable continua encima de una superficie bidimensional por una serie regular de valores Z referenciada a un datum común(Olaya, 2004). (Figura 1).

Se usan los modelos de elevación digitales típicamente para representar el relieve de terreno.

En cuanto al presente trabajo el DEM se utilizará principalmente para la determinación de la red de drenaje, como también para la determinación algunas características hidromorfológicas de la misma. Figura 1: Modelo de elevación digital

3.1.2. DEM Hydroprocessing

El DEM Hydroprocessing es una herramienta del ILWIS que permite determinar las características hidromorfológicas de una cuenca, red de drenajes y demás.

El DEM hydroprocessing conlleva las siguientes acciones (ILWIS, 2007):

• Fill Sink, ésta operación remueve las depresiones del MED, éste relleno de depresiones puede consistir en un solo pixel o en múltiples píxeles.

• Flow direction, la operación determina por cada pixel por donde fluirá el agua naturalmente. • Flow accumulation, determina el drenaje natural para cada píxel realizando la acumulación de los

píxeles aguas arriba de cada píxel.

El próximo paso consiste en el Network and Catchment Extraction, éste a su vez engloba las siguientes operaciones:

• Drainage Network Extraction, operación que extrae una red de drenaje básica, como resultado dá un mapa raster,el mismo con dominio boleano.

5

• Drainage network ordering examina todas las líneas de la red de drenaje, busca los nudos donde confluyen 2 o mas arroyos y les asigna un identificador único para cada uno.

• Catchment extraction, construye cuencas para cada rio que encuentra en el Drainage network ordering.

• Catchment Merge, une cuencas adyacentes en función a un punto de salida o especificando el número de orden de Strahler o Shereve.

3.2. Variables morfométricas de una cuenca de drenaje

Las variables morfométricas permiten establecer el comportamiento de la red de drenaje y la evolución topográfica asociada a la morfodinámica de la cuenca, para tal cálculo se realizan las mediciones de las variables básicas (área, perímetro, longitud de cuenca, etc), de las cuales derivan las variables utilizadas en la mayoría de los análisis morfométricos (Guerra y González, 2002).

3.2.1. Área de la cuenca de drenaje (A)

Área de la proyección en plano horizontal de la superficie de la cuenca (Jardí, 1985). El conocimiento del área permite estipular si predominan las condiciones fisiográficas o la precipitación en la respuesta hidrológica. Según Campos (1998) las cuencas según su tamaño se clasifican de acuerdo a la Cuadro 1.

Cuadro 1: Clasificación de cuencas de drenaje según su tamaño TAMAÑO DESCRIPCIÓN

Km2 <25 Muy Pequeña 25 a 250 Pequeña 250 a 500 Intermedia -Pequeña 500 a 2500 Intermedia-Grande 2500 a 5000 Grande >5000 Muy Grande

Fuente: (Campos, 1998)

3.2.2. Longitud del perímetro (P)

Borde de la forma de la cuenca proyectada en plano horizontal, el perímetro y su forma están íntimamente relacionados con la litología y edad de la cuenca de drenaje: materiales blandos darán formas redondeadas la cual implica mayor desarrollo, mientras que materiales más duros darán formas más quebradas o lobuladas (Jardí, 1985).

3.2.3. Longitud de la cuenca (Lc)

Variable que define en cierto modo su elongación (Jardí, 1985). Si se intenta analizar el comportamiento hidrológico de una cuenca, la medida de la longitud de la misma deberá coincidir con el máximo recorrido del agua.

3.2.4. Factor de forma (Rf)

Variable que evalúa la elongación de una cuenca de drenaje (Ec.1). Introducida por Magette 1976. El factor de forma tomará valores inferiores a 1 cuando se trate de cuencas alargadas.

6


Ec. 1

3.3. Análisis de datos pluviométricos

Las precipitaciones varían en lugar y tiempo, los registros constituyen un conjunto numeroso de datos que es necesario analizar y sintetizar, para ello se recurre a la Estadística, el manejo estadístico es posible realizarlo cuando la información es completa, consistente y de extensión suficiente. (Wendor, 1991)

La precipitación es uno de los factores climáticos más importantes en la determinación de caudales, es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre y sus mediciones forman el punto de partida de la mayor parte de los estudios concernientes al uso y control del agua (Aparicio, 1996).

Para la determinación de la precipitación representativa de una cuenca, se requiere datos de registros dentro de la misma, ó de lo contrario, que el registro refleje en cierto porcentaje el comportamiento de la zona de estudio, ambos casos minimizan el porcentaje de error para cálculo de otras variables. Frecuentemente, es forzoso realizar estudios hidrológicos con datos de estaciones que no se encuentran dentro del área de estudio, o de lo contrario, si las éstas se encuentran dentro de la zona, éstas no contemplan una extensión suficiente de registros para el análisis de precipitaciones (Wendor, 1991), como es el caso de la cuenca quebrada Los Monos.

3.3.1. Estimación de datos faltantes

Frecuentemente en los registros existen datos faltantes, en general, se debe al ausentismo del operador o a fallas instrumentales.

Uno de los métodos para la estimación de datos faltantes es el método de la distancia ponderada (Ec.2), el cual se expresa de la siguiente forma:

Ec. 2

Donde:

Px es la lluvia buscada ; Pi es la precipitación observada para la fecha faltante y Wi es la distancia inversa entre la estación circundante y la estación de los datos de la estación de datos incompletos.

3.3.2. Análisis de consistencia

Cualquier cambio en la ubicación como en la exposición de un pluviómetro puede conllevar un cambio relativo en la cantidad de lluvia captada por el pluviómetro, el registro de éste tipo se dice que es inconsistente. Una forma de detectar las inconsistencias es mediante las curvas dobles másicas

(Wendor, 1991).

7

Una curva doble másica se construye llevando en ordenadas los valores acumulados de la estación en estudio y en abscisas los valores acumulados de un patrón, que consiste en el promedio de varias estaciones índice. En la Figura 2 el quiebre supone la inconsistencia de la estación A.

En cuanto al registro, no es posible precisar cuántos años debe tener un registro pluviométrico, sin embargo, mientras mayor extensión tenga un registro el análisis estadístico de datos es mucho más exacto(Wendor, 1991).
Figura 2: Curva doble másica
3.4. Correlación hidrológica

Cuando en una cuenca de bajo estudio no se cuenta con datos hidrométricos y pluviométricos, la estimación de la precipitación máxima puede intentarse mediante correlación con los datos pluviométricos de una cuenca próxima(Secretaria de agricultura y recursos hidráulicos, 1982).

La ventaja del método es lógica y consiste en la mejor utilización de la información pluviométrica y en la estimación racional de avenidas en cuencas con escasez de datos. La desventaja es la dificultad para realizar un análisis y ponderación del factor citado(Secretaria de agricultura y recursos hidráulicos, 1982).

• El coeficiente de correlación (Ec. 3), es una medida de la dependencia entre las variables, comúnmente en éstos tipos de análisis tienen valores altos.

Ec. 3

El coeficiente de correlación, será utilizado para el cálculo de la precipitación probable en fecha abril 2006, en función a las estaciones que se encuentran en las afueras de la zona de estudio.

• Media ponderada

Para dar cantidades de las que se promedia su grado de importancia pertinente, es necesario asignarle s pesos o valores relativos (importancia relativa) y luego calcular la media ponderada. La media ponderada de un conjunto de números x1, x2, x3, …, xn, cuya importancia relativa se expresa numéricamente por medio de un conjunto de números correspondientes, w1, w2, w3, …, wn, se obtiene mediante la Ec. 4(Simon y Freund, 1994).

Ec. 4

3.5. Curvas Intensidad-Duración y Frecuencia.

Uno de los aspectos importantes para el cálculo de la respuesta hidrológica de una cuenca, es la determinación de la tormenta máxima probable, la cual se encuentra relacionada a una determinada intensidad, duración y frecuencia.

La intensidad es uno de los factores preponderantes cuando se trata de cuencas pequeñas, puesto que las mismas responden a lluvias de fuerte intensidad y pequeña duración. La intensidad es definida por Aparicio (1996) como “la profundidad por unidad de tiempo, ésta puede ser instantánea o promedio”. En cuanto a la duración es el tiempo transcurrido entre el comienzo y fin de la tormenta (Aparicio, 1996).

8


La frecuencia es el número de veces que se repite en una tormenta de características de intensidad y duración definidas en un periodo de tiempo más o menos largo y es expresada en años. (Citado por Medinacelli, 2009)

Si se cuenta con registros pluviométricos con intervalos de duración menores a 24 horas o bandas pluviográficas, se procede a identificar las tormentas máximas diarias, se determina la intensidad para diferentes periodos de duración y se aplica la distribución de valores extremos (Auza, 2010).

3.5.1. Tormenta de diseño

Para el diseño de una obra ingenieril o prevención de desastres naturales, en los cuales sea la precipitación el factor de mayor preponderancia, es necesario el conocimiento de la condición de precipitación más desfavorable, la cual equivale en la mayoría de los casos a la tormenta de diseño de proyecto.

Las tormentas de diseño son definidas por Chereque (1991) como un “conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación meteorológica y de características bien definidas. Una tormenta puede durar desde unos pocos minutos hasta varias horas y aún días y puede abarcar desde una zona pequeña hasta una extensa región”

3.6. Curva masa de precipitación

La curva masa es la representación de la precipitación acumulada versus el tiempo. Si en una zona hay instalados un pluviómetro registrador y otros no registradores, próximos al primero, es posible también obtener las curvas masa para los no registradores. Para ello se supone que la curva masa de la precipitación en un pluviómetro no registrador es proporcional en la forma a la del pluviómetro registrador. (Wendor, 1991)

La curva masa promedio se puede construir aplicando el método aritmético o el de polígonos de Thiessen a las alturas de precipitación acumuladas en cada estación para diferentes tiempos. (Aparicio, 1996)

3.7. Hidrometría

3.7.1. Relación sección-pendiente

El método, como su nombre lo indica, relaciona dos secciones hidráulicas de un canal o río, y en función a sus parámetros hidráulicos, como área mojada, radio hidráulico, pendiente, etc., determina el caudal probable entre las secciones analizadas.

Para su aplicación se requiere contar con topografía de un tramo del cauce y las marcas de nivel máximo del agua durante el paso de la avenida. (Aparicio, 1996)

La distancia entre secciones transversales analizada deben contener como mínimo una separación de 100 m y como óptimo una separación de 500 m. (Auza, 2006)

Se emplea el método sólo cuando el caudal no rebasa sus márgenes, en canales en los que predomina material de fondo grueso por ejemplo, canales con fondo de grava y piedras, pero no canales de fondo arenoso). No puede utilizarse si en los canales hay vegetación, y debe tenerse cuidado cuando se utiliza en canales de forma compleja. El método es aproximado y su margen de error puede ser del 30%, o incluso superior en ríos de montaña. (OMM, 1999)

9

El procedimiento se describe en lo siguiente, según la fórmula de Manning, la velocidad es:

Ec. 5

donde R=radio hidráulico, Sf = pendiente de la línea de energía específica y n = coeficiente de rugosidad. Además, de la ecuación de continuidad se tiene que:

Ec. 6

Donde A es el área hidráulica.

Aplicando la ecuación de Bernoulli entre los extremos inicial y final del tramo resulta:

Ec.

7

De las Ec.6 y Ec.7 se obtiene:

Ec. 8

Donde es la diferencia en elevación de las marcas de nivel máximo del agua

en los extremos del tramo.

Utilizando las Ec.5 y Ec. 6 se puede calcular que:

Ec. 9

Donde es el coeficiente de conducción medio en el tramo que puede calcularse como el promedio

geométrico de los coeficientes de conducción en los extremos del mismo:

10


Ec. 10

Utilizando las Ec.8 y Ec.9 y tomando en cuenta que:

Ec. 11

se obtiene,

Ec. 12

Despejando Q:

Ec. 13

3.8. Modelamiento hidrológico

La modelación hidrológica se define como la descripción matemática de la respuesta de una cuenca ante la ocurrencia de una serie de eventos de precipitación. Éstos modelos permiten la generación sintética de hidrogramas en sitios donde no hay estaciones limnigráficas(Viessman et al., 1992).

En la cuenca de estudio se evaluará un evento extremo de inundación, cuenca que cuenta con limitada cantidad de información, para el cálculo calculo se hará uso del software HEC-HMS 3.4, desarrollado por “U.S. Army Corps of Engineers”, programa que puede generar respuestas mediante diferentes métodos, en el presente estudio se utilizará el método desarrollado por la “Soil Conservation Service”(SCS, 1972) el cual utiliza los parámetros desarrollados seguidamente.

3.8.1. Separación de la lluvia neta o efectiva

Para el proceso de separación de la lluvia neta se utilizará el método del número de curva (Cuadro 2), desarrollado por el Servicio de Conservación de Suelos (SCS,1972) de los Estados Unidos, el cual usa el número de curva, que es un parámetro empírico estimado de la combinación del tipo de suelo, cobertura vegetal y la condición de humedad antecedente del suelo (Villón, 2008).

Cuadro 2: Número de curva N para complejos hidrológicos de suelo cobertura (para condición de humedad antecedente tipo II)

Cobertura Numero de curva

Uso de la tierra Tratamiento Condición hidrológica

A C B D

Descuidado

Surcos rectos

----

77

86

91

94

11

Surcos rectos Pobre 72 81 88 91 Surcos rectos Buena 67 78 85 89 Curvas a nivel Pobre 70 79 84 88 Curvas a nivel Buena 65 75 82 86 Curvas de nivel y en terrazas Pobre 66 74 80 82

Cultivos

Curvas de nivel y en terrazas Buena 62 71 78 81 Surcos rectos Pobre 65 76 84 88 Surcos rectos Buena 63 75 83 87 Curvas a nivel Pobre 63 74 82 85 Curvas a nivel Buena 61 73 81 84 Curvas de nivel y en terrazas Pobre 61 72 79 82

Pequeños granos

Curvas de nivel y en terrazas Buena 59 70 78 81 Surcos rectos Pobre 66 77 85 89 Surcos rectos Buena 58 72 81 85 Curvas

Sembríos cerrados, legumbres o sembríos en rotación

a nivel Pobre 64 75 83 85 Curvas a nivel Buena 55 69 78 83 Curvas de nivel y en terrazas Pobre 63 73 80 83 Curvas de nivel y en terrazas Buena 51 67 76 80

Pobre 68 79 86 89 Regular 49 69 79 84 Buena 39 61 74 80

Curvas de nivel Pobre 47 67 81 88 Curvas de nivel Regular 25 59 75 83

Pastizales o similares

Curvas de nivel Buena 6 35 70 79 Pradera Buena 30 58 71 78

Pobre 45 66 77 83 Regular 36 60 73 79 Bosques Buena 25 55 70 77

Patios --- 59 74 82 86

CienCaminos, incluyendo derecho de vía

o --- 72 82 87 89

Superficie firme --- 74 84 90 92

Fuente: (Villón, 2002)

Este método es utilizado para estimar la precipitación neta o en exceso (Ec.14). Su principal aplicación es la estimación de las cantidades de escurrimiento en el estudio de avenidas máximas, a partir de datos de precipitación y otros parámetros de la cuenca de drenaje.(Villón, 2002)

Ec.

14

Donde:

Pe = precipitación en exceso.

12


P = precipitación de la tormenta

CN= número de curva

Los autores del método, para obtener la Ec. 14, se basaron en la relación entre Ia (Ec.15) y S (Ec.16), las cuales son:

Ec.

15

Donde: Ia son las pérdidas iniciales, en mm, es definida como la precipitación acumulada hasta el inicio de la escorrentía y es una función de la intercepción y S es la infiltración potencial máxima, en mm.

La SCS posteriormente estableció una relación para estimar la S a partir del número de curva (Ec 16).

Ec.

16

Para aclarar los conceptos de los parámetros, del cual depende el número de curva se indican algunas definiciones.

• Humedad antecedente.- La condición o estado de humedad tiene en cuenta los antecedentes previos de humedad de la cuenca; determinado por la lluvia total en el periodo de 5 días anterior a la tormenta.(Villón, 2002)

CHA-I, hay un mínimo potencial de escurrimiento, los suelos de la cuenca están lo suficientemente secos para permitir arado.

CHA-II, promedio entre las dos condiciones de humedad.

CHA-III, máxima potencia de escurrimiento, la cuenca está prácticamente saturada por lluvias antecedentes.

• Condición hidrológica,- Se refiere a la capacidad de la superficie de la cuenca para favorecer o dificultar el escurrimiento directo, esto se encuentra en función de la cobertura vegetal (Cuadro 3).

Cuadro 3: Condición hidrológica en función a la cobertura vegetal

13

Cobertura vegetal Condición hidrológica >75% del área Buena Entre 50% y 75% del área Regular <50% del área Pobre


• Grupo hidrológico de suelo,- Medida del potencial del drenaje o del grado de filtración (Cuadro 4), que puede tener el suelo.(Burke Lauretta y Zachary., 2006)

Cuadro 4: Clasificación hidrológica de suelos Grupo de Suelo Descripción

A Son suelos que tienen altas tasas de infiltración (bajo potencial de escurrimiento) aún cuando están enteramente mojados y están constituidos mayormente por arenas o gravas profundas, bien y hasta excesivamente drenadas. Estos suelos tienen una alta tasa de transmisión de agua.

B Son suelos que tienen tasas de infiltración moderadas cuando están cuidadosamente mojados y están constituidos mayormente de suelos profundos de texturas moderadamente finas a moderadamente gruesas. Éstos suelos tienen una tasa moderada de transmisión del agua.

C Son suelos que tienen bajas tasas de infiltración cuando están completamente mojados y están constituidos mayormente por suelos con un estrato que impide el movimiento del agua hacia abajo, o suelos con una textura que va de moderadamente fina a fina.

D

Son suelos de alto potencial de escurrimiento, de tasas de infiltración muy bajas cuando están completamente mojados y están formados mayormente por suelos arcillosos, con un alto potencial de esponjamiento, suelos con índice de agua permanentemente alto, suelos con arcilla o capa de arcilla en la superficie o cerca de ella y suelos superficiales sobre material casi impermeable. Estos suelos tienen una tasa muy baja de transmisión del agua.


3.8.2. Transformación de la precipitación neta a escorrentía directa

La parte más importante del modelo de simulación del Hec-Hms, lo constituyen los modelos para calcular la escorrentía directa producida por la precipitación neta (Villón, 2008), en el caso del presente estudio se utilizó el modelo del hidrograma unitario adimensional del Conservación de Suelos.

El hidrograma unitario adimensional del SCS se generó con base en hidrogramas unitarios calculados en cuencas de muy variadas condiciones climatológicas y de diferentes áreas de drenaje en los EEUU, siendo el resultado de la combinación de los mismos. Este hidrograma requiere de poca información de entrada que es posible generar con registros de precipitación y caudal de la cuenca de interés.(Solis et al., 1993)

Para su uso es necesario conocer solamente el tiempo de respuesta existente entre el pico del hidrograma de escurrimiento y el centroide de la precipitación efectiva (Solis et al., 1993).

El método se basa en la utilización del hidrograma unitario (Cuadro 5), el cual es el resultado de una serie de estudios llevados a cabo por la SCS, sobre las intensidades, duraciones y cantidades de lluvia que deben ser empleadas al calcular el gasto pico de una avenida para un determinado periodo de retorno(Secretaria de agricultura y recursos hidráulicos, 1982).

Cuadro 5: Gasto unitario en función del tiempo de concentración Tc Gasto unitario Tc Gasto unitario Tc Gasto unitario hr m3/s/mm/km2 hr m3/s/mm/km2 hr m3/s/mm/km2

0.1 o menor 0.337 1.0 0.158 8.0 0.039

14


0.2 0.300 1.5 0.120 10.0 0.034 0.3 0.271 2.0 0.100 12.0 0.030 0.4 0.246 2.5 0.086 14.0 0.027 0.5 0.226 3.0 0.076 16.0 0.025 0.6 0.208 4.0 0.063 18.0 0.023 0.7 0.195 5.0 0.054 20.0 0.021 0.8 0.180 6.0 0.048 22.0 0.020 0.9 0.168 7.0 0.043 24.0 0.019

Fuente: (Secretaria de agricultura y recursos hidráulicos, 1982)

• Tiempo de concentración.- Periodo de tiempo necesario para que el escurrimiento de una tormenta fluya desde el punto mas alejado de la cuenca de drenaje a la salida de la misma(Secretaria de agricultura y recursos hidráulicos, 1982).

3.8.3. Tránsito de caudales

Se denomina tránsito de avenidas, al procedimiento a través del cual se puede determinar el hidrograma del caudal, en un punto de un curso de agua utilizando hidrogramas conocidos en uno o más puntos aguas arriba (Villón, 2008).

El método de Muskingum-Cunge combina el método de la onda de difusión con la simplicidad del método de Muskigum, resultando una de las técnicas más recomendadas para tránsito (Villón, 2008).

Cunge combinó la precisión del método de la onda cinemática con el de Muskingum. Cunge demostrós que la forma de diferencias finitas de la ecuación de Muskingum se transforma en la ecuación de la onda de difusión si los parámetros para ambos métodos son apropiadamente relacionados.

Si el método de tránsito mediante Muskingum es definido por la Ec. 17

Ec.

17

De la Ec.17 la ecuación de Muskingum es:

Ec.

18

15

Reemplazando en la Ec.18, Qi para I y Qi+1 para O, se tiene:

Ec. 19

Si K se establece como ∆X/c, la Ec.19 es también la forma de diferencias finitas de:

Ec. 20

La anterior ecuación se llama de la Onda Cinemática y puede ser derivada combinando las ecuaciones de la continuidad y de momento (fricción). La variable ∆x denota un incremento de la distancia a lo largo del eje longitudinal del río y c es la velocidad de la onda. La ecuación ha de ser usada para el tránsito se obtiene de la Ec.21 resolviendo para la tasa de flujo conocida(Auza, 2008):

Ec.

21

Donde:

Ec. 22

Ec. 23

Ec. 24

Debido a que K=∆x/c, representa el tiempo de viaje de la onda a través de la longitud del tramo a transitar ∆x moviéndose a una velocidad c. Cunge demostró que la velocidad c es la celeridad de la onda cinemática.

Cuando X= 0.5 y c∆t/∆x=1, la ecuación de tránsito produce una traslación pero ninguna atenuación. Cuando ∆x=0 (longitud de tramo 0), la traslación y atenuación no ocurren.

16


Si registros de previas crecidas están disponibles, el parámetro de tránsito c puede ser determinado haciendo los cálculos desde medidas directas de flujo y de las características físicas del cauce del río.

El valor de X para su uso en la formulación de Cunge es: (Ec.25)

Ec. 25

Donde:

So es la pendiente del fondo del río y qo es el caudal por unidad de ancho, determinado para el caudal pico.

El valor de la celeridad c puede ser estimado como una función de la velocidad promedio V mediante la Ec.26:

Ec.

26

Donde V es la velocidad promedio Q/A y m se aproxima a 5/3 para canales naturales.

3.9. Calibración del modelo

La calibración es la base esencial de la confiabilidad de los resultados de la modelación. Los hidrogramas calculados deben ser calibrados versus hidrogramas obtenidos de los aforos de caudales o marcas de agua observadas en secciones transversales al curso de agua en estudio (Solis et al., 1993).

El HEC-HMS posee una herramienta de calibración de algunas variables fundamentales cuando se dispone de registros de precipitación y caudales de eventos de una significativa magnitud(Solis et al., 1993).

3.10. Obras de contención hídrica

El propósito de las estructuras de regulación de crecientes es atenuar los caudales picos, haciendo decrecer de ésta manera los picos de elevación de la creciente aguas abajo, y el propósito de las estructuras e conducción es llevar de forma segura el flujo hacia puntos localizados aguas abajo donde los efectos adversos de las crecientes sean controlados o se minimicen. (Chow, 1987)

17

4. Marco Metodológico

El tipo de investigación del presente estudio es básicamente determinístico, ya que por un lado se trabaja sobre hechos ocurridos en abril 2006 y no se tiene el control sobre las variables, y por otro, se relacionan variables de forma matemática, además que el modelo hidrológico desarrollado en este estudio lleva a una única salida de respuesta: marcas de caudal histórico.

Como se mencionó en acápites anteriores, lo que se pretende con éste trabajo es determinar y/o recrear la precipitación ocurrida en abril 2006 y en función a las marcas de agua calibrar la respuesta generada por la precipitación inferida, de tal manera que si esta lluvia les ocasionó tantos problemas, no sea motivo de sorpresa en ésta ocasión, entonces lo que se pretende es alertar a la entidad si es que sucediese una precipitación de características similares.

4.1. Area de estudio

La zona de estudio forma parte de la cuenca del Río de La Plata, la cual es la segunda en extensión dentro del Continente Sudamericano, la misma se encuentra dividida en 3 subcuencas: Paraguay, Pilcomayo y Bermejo.

La Quebrada Los Monos es identificada como una de las quebradas mayores dentro de lo que es la subcuenca del Pilcomayo, atravesando a la misma de sur a norte, con régimen no permanente.

El ciclo de lluvias es bien marcado para la zona, se definen los meses más lluviosos los comprendidos entre Noviembre a Abril, coincidiendo la época de estiaje al periodo comprendido entre Mayo y Octubre (IPE, 2006b).

La cuenca se encuentra enclavada en la serranía del Agüarague, la cual tiene una configuración formada por dos cadenas montañosas que van de sur a norte.

4.1.1. Ubicación

La quebrada Los Monos se encuentra ubicada al sur de Bolivia, en plena serranía del Agüarague, al oeste del municipio de Villa Montes, provincia Gran Chaco del departamento de Tarija (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).

Ubicada entre las coordenadas 21º22´12´´ y 21º16´10´´ de latitud sud y 63º35´41´´ y 63º31´40´´ de longitud oeste, con un área aproximada de 39 km2.

18 o
Figura 3: Ubicación del área de estudi


4.1.2. Características generales

La zona de estudio presenta una topografía accidentada, el relieve general que corresponde al paisaje geomorfológico es el de serranías alargadas, cimas redondeadas, interfluvios bien modelados y diseño de drenaje dendrítico con alturas en lecho de quebrada a 650 a 450 m.s.n.m.(IPE, 2006a).

• Geología

De acuerdo a los resultados obtenidos el proceso de caracterización de muestras superficiales (análisis granulométrico y límites de consistencia) la mayor parte del lecho del río presenta un suelo gravoso, con media a alta presencia de finos no plásticos (Figura 4b). Éste primer estrato de manera general puede asumir un promedio de 4 metros, la roca se encuentra en promedio a 6 metros de profundidad (IPE, 2007). Por otro lado, también se puede observar en la Figura 4a el curso del río principal canalizado naturalmente por rocas.

El carácter granular y permeable de los depósitos aluviales en la quebrada permite que se conserve infiltración de agua casi permanente a lo largo del cauce (IPE, 2007).

Figura 4: Secciones típicas de la cuenca Los Monos. a) Sección del curso principal del río donde se puede apreciar las márgenes de roca sólida b) Otra sección típica de uno de los cauces, se observa que éste no se encuentra tan encajonado

como la Figura 4a.

• Hidrología

La quebrada Los Monos es un cauce de régimen temporal. Se origina en cuencas altas de la Serranía de Agüarague, donde las precipitaciones anuales superan los 1000 mm. En época de lluvia, la quebrada recibe caudales considerables que llegan hasta el Rio Pilcomayo.

• Clima

19

Está regido por intercambios permanentes de masa de aire tropical y polar, debido a su ubicación geográfica, el sector se encuentra bajo la influencia del sistema de alta presión del atlántico sur, con lo que los vientos que provienen generalmente del norte o noreste son cálidos y secos, produciendo temperatura que pueden sobrepasar los 40 C.

• Cobertura

La cuenca Los Monos, por sus ondulaciones de geomorfología y de relieve conforma pequeños valles poco ondulados. En general, se caracteriza por la presencia de vegetación arbórea con baja concentración de humedad producto de la alta evaporación y fuerte pendiente, asociada con una vegetación arbustiva de porte alto y alta densidad (IPE, 2007).

Todo el sector en estudio está cubierto por vegetación densa de monte bajo, sostenida por una cubierta coluvial de espesor variable, delgado en las partes altas de la quebrada y de mayor espesor en la salida

hacia la llanura chaqueña (IPE, 2007).

4.2. Variables hidromorfológicas

Para la determinación de las variables básicas, como ser áreas, perímetros, etc. (Cuadro 6), se hizo uso de la herramienta DEM hydroprocessing del programa computacional ILWIS 3.3.

La cuenca quebrada Los Monos tiene un área de 38.46 km2, por su área (Cuadro 1) es clasificada como cuenca pequeña, por lo tanto, la respuesta hidrológica será influenciada en mayor medida por el régimen de intensidades.

En cuanto a la subdivisión, se la realizó en función a las características del terreno y a las marcas de agua, obteniendo un total de 13 subcuencas.

La cota máxima del curso principal es de 1210 m.s.n.m. llegando a 460 m.s.n.m. en su punto más bajo, la pendiente promedio del curso principal es del 4.6%, llegando en algunos cauces secundarios a una pendiente del 22% (Subcuenca_02).

La cuenca es clasificada como alargada ya que su factor de forma es de 0.15, menor a 1, en cuanto a amplitud es clasificada como ancha.

Por su índice de forma, la cuenca quebrada. Los Monos presenta un contorno lobulado, lo cual indica una conformación litológica dura.
Figura 5: Mapa de subdivisión de la cuenca Quebrada Los
Monos

20


Cuadro 6: Variables morfológicas de las subcuencas

SUBCUENCA Área Longitud del

río Cota mayor Cota menor Pendiente

Km2 Km m.s.n.m. m.s.n.m. m/m Sub_01 3.83 3.91 991.24 649.00 0.087 Sub_02 1.33 1.69 1026.40 649.00 0.22 Sub_03 14.79 10.54 1210.80 620.00 0.06 Sub_04 0.092 0.226 649.00 620.00 0.11 Sub_05 0.586 0.91 620.00 600.00 0.02 Sub_06 0.958 1.08 600.00 560.00 0.04 Sub_07 1.87 1.89 874.24 552.40 0.17 Sub_08 0.096 0.30 560 552.40 0.03 Sub_09 1.184 2.50 1097.50 560.00 0.21 Sub_10 0.434 1.06 552.40 540.00 0.01 Sub_11 2.39 1.78 540.00 480.00 0.03 Sub_12 10.729 7.26 700.00 480.00 0.03 Sub_13 0.167 0.38 480.00 479.47 0.001

4.3. Análisis de datos pluviométricos

Dentro de la cuenca Los Monos se encuentran instaladas desde principios del año 2009, 4 estaciones pluviométricas digitales, con intervalos de registro cada 5 min. Por otra parte, se cuenta con registros de extensión suficiente de 5 estaciones, las cuales se encuentran ubicadas fuera del lugar de estudio (Figura 6).

Por las condiciones de ubicación de la cuenca, se cree que el comportamiento de las precipitaciones dentro de cuenca difiere con el comportamiento de las cuencas vecinas. Por otra parte, la altura media de la cuenca es de 873 m.s.n.m. y las alturas de los pluviómetros ubicados a las afueras de la misma es de 480 m.s.n.m. en promedio, por lo que la diferencia de cotas tampoco es muy elevada. Por las razones mencionadas, el análisis pluviométrico se realizó en base a dos hipótesis.

Figura 6: Ubicación de las estaciones pluviométricas fuera del área de estudio

21

4.3.1. Hipótesis 1 - El régimen pluviométrico sobre el área de estudio es similar al de las cuencas vecinas

En un principio, se graficaron de todas las estaciones los hietogramas de precipitación a nivel diario (Figura 7). Lo que se pudo constatar de éste análisis, es que existe cierta dependencia en cuanto a ocurrencia de eventos de precipitación, es decir, que si bien las alturas de precipitación de las estaciones fuera del área de estudio no coinciden con las estaciones dentro del área de estudio, los hietogramas parecerían que estuvieran desfasados.

Para ser más explícito, en la Figura 7 se observa claramente que en fecha 16 existe un registro de lluvia en 3 estaciones, pero a la vez existen hietogramas de fechas 15 y 17, observándose el desface de un día, éste comportamiento se observa en casi todos los meses de lluvia.

Lo que se hizo fue hallar los coeficientes de correlación (Ec.3), de tal manera que en función a ellos y con la ayuda de la media ponderada (Ec.4), se logre calcular o reproducir la precipitación dentro de la cuenca (Figura 8), ya sea de la EM o en algún pluviómetro, dependiendo de la estación que se esté analizando.

También se pudo observar, que dentro de la cuenca Los Monos, más específicamente en la EM, se tienen registradas mayores cantidades de alturas de precipitación que las dadas en las estaciones fuera de la cuenca, por lo que se corrigió con un factor que logre hacer coincidir los picos de hietogramas de cada mes.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

on [m

m]

Dia

FEBRERO - 2009

AguaraycitoVilla MontesPalmar GrandePalos BlancosVilla Montes PBEMP01P02P03

Figura 7: Hietograma de Febrero 2009

Para obtener el hietograma de la Figura 8, se realizaron varias combinaciones de las estaciones, teniendo prioridad las que tenían mayor grado de correlación.

22


0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

ón [m

m]

Dia

FEBRERO - 2009

PP EM realPP EM corr5APP EM corr3MPP EM corr1M

Figura 8: Hietograma de Febrero 2009 para la estación de EM, determinado por medio de los coeficientes de correlación

Como el desfase de los hietogramas es máximo de 2 días, el margen de error también llegaría a ser el mismo. Por lo tanto, de la Figura 8 se puede deducir que la altura de precipitación en fecha 16 en la EM podría haber sido graficado entre el 14 y 18 de febrero.

Por lo tanto, lo que se hizo fue hallar los factores de correlación a nivel diario y mensual, de las estaciones fuera del área de estudio versus las estaciones dentro del lugar de estudio. Estos factores de

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

ñon

(mm

)

Dia

FEBRERO - 2009 - MODIFICADO

PP EM realPP EM corr5APP EM corr3MPP EM corr1M

Figura 9: Hietograma de Febrero 2009 ajustado

correlación sirvieron para calcular la precipitación en cada una de las estaciones en función a los datos del año 2006 de las estaciones situadas fuera del área de estudio.

La Figura 9 muestra el hietograma corregido por el factor de ajuste, la línea roja representa la precipitación real en la EM y la línea amarilla representa el hietograma corregido. Se puede apreciar que lo que se ajustó fue únicamente el pico del hietograma mensual, es por ello, que en fecha 16 no existe una coincidencia de alturas, ya que el máximo que se corrigió fue para la fecha 9 de febrero.

El procedimiento descrito se lo realizó para cada mes del periodo hidrológico, desde el año 2008 (Noviembre) hasta la fecha.

23

4.3.2. Hipotesis 2 - El régimen pluviométrico es distinto al de las cuencas vecinas.

Si es que en la cuenca existiría un microclima, el comportamiento pluviométrico de las estaciones fuera del área de estudio no tendrían ninguna incidencia, por ello, se determinaron las curvas IDF para cada estación digital.

La obtención de las curvas IDF se determinaron como se indica en la sección 3.5. La ventaja fue que la pese a que no se tiene una extensión suficiente de registros, ésta información es muy robusta, ya que permitió obtener intensidades reales para cada intervalo de tiempo.

El análisis se realizó para tiempos de 10,30,90,180 y 240 minutos. Con la ayuda de la fórmula de Gumbell, éstas intensidades se proyectaron para tiempos de retorno de 25,50,75 y 100 años. La precipitación ingresada para el modelamiento hidrológico fue para un periodo de retorno de 75 años, debido a que según aseveraciones de las personas de lugar, el evento hidrológico había rebasado los 50 años de periodo de retorno.

4.4. Curvas masa de precipitación

Para establecer el comportamiento de la tormenta de diseño, inicialmente se procedió a calcular la curva masa promedio para cada una de las estaciones, escogiéndose para tal fin las tormentas mayores a 20 mm.

En función a éstas curvas masa promedio se concertaron las curvas masa para cada una de las tormentas determinadas por el método de correlación y por el método de las curvas IDF (Figura 10)

0

20

40

60

80

100

120

140

00:0

0

00:0

5

00:1

0

00:1

5

00:2

0

00:2

5

00:3

0

00:3

5

00:4

0

00:4

5

00:5

0

00:5

5

01:0

0

01:0

5

01:1

0

01:1

5

01:2

0

01:2

5

01:3

0

01:3

5

01:4

0

01:4

5

01:5

0

01:5

5

02:0

0

02:0

5

02:1

0

02:1

5

02:2

0

02:2

5

02:3

0

02:3

5

02:4

0

02:4

5

02:5

0

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

ón a

cum

ulad

a (m

m)

CURVA MASA DE PRECIPITACIÓN

EMP-01P-02P-03

Figura 10: Curvas masa de precipitación para las estaciones digitales

Deacumulando las curvas masas de precipitación para las estaciones digitales se obtuvo los hietogramas de precipitación, los cuales sirvieron como datos básicos de entrada para el modelamiento hidrológico en el software HEC-HMS.

4.5. Calculo de caudal pico (Sección-Pendiente)

En el año 2006, después del evento hidrológico de abril, se realizó el levantamiento topográfico de 6 secciones transversales con sus respectivas marcas de agua (¡Error! No se encuentra el origen de la

24

UBICACIÓN DE OBRAS DE CONTENCIÓN HÍDRICA EN EL CURSO PRINCIPAL DE LA CUENCA A QUEBRADA LOS MONOS, TARIJA-BOLIVI

25

referencia.). En función a las mismas se procedió a calcular el caudal máximo probable en dichos tramos, mediante el método área-pendiente.

Cinco marcas de agua se encuentran ubicadas en el tramo del curso principal y una pertenece a la Subcuenca_03, por lo que ésta última fue desechada.

Las distancias entre marcas de agua se muestran en la Para determinar el caudal pico (Ec. 13) se realizaró el cálculo del Kd promedio (Ec. 10), aplicando la fórmula menciona, se obtuvo un Kd promedio de . En función a las restricciones mencionadas, se procedió a eliminar la sección MA-01 debido a que no cumple con la distancia mínima para la aplicación del presente método.

En cuanto a las secciones MA_04 y MA_05 se encuentran a una distancia de casi 2 kilómetros, por lo que también tuvieron que ser desechadas.

Las secciones MA_02 y MA_03 presentan una distancia de 600 metros aproximadamente, distancia que es óptima para la aplicación del método.

Figura 11: Sección transversal MA_02. a) Levantamiento topográfico, b) Fotografía de la sección

Figura 12: Sección transversal MA_03. a) Levantamiento topográfico, b) Fotografía de la sección

Cuadro 7: Distancia entre secciones de marcas de agua SECCIÓN AGUAS

ARRIBA SECCIÓN

AGUAS ABAJO DIST.

[m] MA-02 MA-01 10

MA-03 MA-02 680

MA-04 MA-03 1360

MA-05 MA-04 1920

Figura 13: Mapa de ubicación de las marcas de agua

Con la ayuda de la Ec.10 se calculó el coeficiente de conducción (Cuadro 8) para las secciones MA_02 (Figura 11) y MA_03 (Figura 12).

Para determinar el caudal pico (Ec. 13) se realizaró el cálculo del Kd promedio (Ec. 10), aplicando la fórmula menciona, se obtuvo un Kd promedio de 1875.15

Cuadro 8: Determinación del coeficiente de conducción Kd de la sección MA_03 MA_03 MA_02 DESCRIPCIÓN UNID. VALOR (Kd) VALOR (Kd)

Tirante máximo m 3.49 3.31 Área mojada de la sección m2 23.43 47.87 Perímetro mojado m 16.60 21.91 Radio hidráulico m 1.41 2.19 Rugosidad de Manning 0.026 0.026 Pendiente % 4.15 4.15 Aceleración de la gravedad m2/s 9.81

1134.08

9.81

1875.1509

Posteriormente, se calculó la diferencia de cargas hf entre ambos puntos. (Ec. 11), dando un resultado de 28.26 m.

Finalmente se aplicó la Ec.13, determinándose el caudal pico con un total de 481 m3/s, se estima que el 30% del total fue caudal sólido a la salida de la cuenca, por lo que el caudal líquido llegaría a un valor de 336.58 m3/s, el cual se utilizó para calibrar el modelo..

26


4.6. Modelamiento hidrológico

El modelamiento hidrológico se realizó mediante el uso del software HEC-HMS 3.3. Para el modelado de pérdidas iniciales se utilizó el método del número de curva de la SCS, el cual se determinó en función a los mapas de cobertura vegetal, geología y geomorfología. (Ver Anexos 4)

El número de curva fue determinado con la ayuda de la Cuadro 2, éste cuadro presenta los valores del número de curva para una condición de humedad antecedente tipo II, haciendo un revisión de los reportes y de los registros de estaciones cercanas, se indica que hubo presencia de precipitación 3 días seguidos antes del evento, por lo que se tuvo la necesidad de convertir los números de curva a condición de humedad antecedente Tipo III(Cuadro 9).

Cuadro 9: Datos de entrada al programa HEC-HMS SUBCUENCA CN (II) CN(III) Tlag

min Sub_01 71.00 84.91 17.42 Sub_02 74.20 86.86 6.37 Sub_03 75.50 87.63 44.35 Sub_04 70.00 84.29 1.97 Sub_05 65.80 81.56 9.68 Sub_06 74.70 87.16 9.01 Sub_07 72.40 85.78 7.71 Sub_08 72.90 86.08 3.83 Sub_09 77.00 88.50 8.73 Sub_10 74.90 87.28 13.79 Sub_11 70.70 84.73 13.74 Sub_12 74.10 86.80 42.15 Sub_13 73.80 86.62 14.19

La transformación de la escorrentía se realizó por el método del hidrograma unitario sintético de la SCS. El método de tránsito utilizado fue el de Muskingum-Cunge, ya que se cuenta con levantamiento topográfico del cauce principal antes del evento del 2 abril 2006.

27

Figura 14: Cuenca quebrada Los Monos. a) Componentes alrededor de la cueca quebrada Los Monos, b) Zoom de los componentes que integran el moldelo hidrológico de la cuenca

4.7. Calibración

La calibración se realizó en función al caudal determinado en la sección 4.5 (336 m3/s), en cuanto al caudal superficial, se utilizó el principio de proporcionalidad entre área (Cuadro 10) y caudal generado, como también se consideró que en la estación meteorológica existe mayor cantidad de agua precipitada (Cuadro 11). El principio de proporcionalidad fue utilizado debido a que las subcuencas poseen las mismas características hidrológicas que la cuenca que las contiene, para poder aplicar el método se hizo uso de los datos aforados en el transcurso del año 2009-2010, determinando el porcentaje área de aporte de cada una de las subcuencas.

Cuadro 10: Porcentaje de área que aporta cada subcuenca SUBCUENCA PORCENTAJE DE AREA SUBCUENCA PORCENTAJE DE AREA % % Sub_01 9.97 Sub_07 4.87 Sub_02 3.45 Sub_08 0.25 Sub_03 38.45 Sub_09 3.08 Sub_04 0.24 Sub_10 1.13 Sub_05 1.52 Sub_11 6.21 Sub_06 2.49 Sub_12 27.89 Sub_13 0.44

Cuadro 11: Porcentaje de precipitación con el que se distribuye sobre la cuenca ESTACION PORCENTAJE DE PRECIPITACIÓN EM 0.47 P01 0.16 P02 0.18 P03 0.19

28


29

5. Resultados y Discusión

Como se mencionó anteriormente, uno de los propósitos fundamentales es aproximarse a la precipitación que provocó el evento hidrológico en abril 2006, para tal fin se realizaron 2 métodos como se mencionó en el apartado de Metodología.

Tanto el método de correlación como la determinación de las curvas IDF, ambos se basaron en el análisis de dos periodos hidrológicos: Dic2008-Abr2009 y Dic2009-Abr2010.

Del análisis realizado se constata que en el periodo hidrológico Dic2008-Abr2009, las precipitaciones fueron un poco más distribuidas, en el sentido que se produjeron días continuos de lluvia, con picos no tan marcados en los hietogramas.

El periodo hidrológico comprendido entre Dic2009-Abr2010 presenta menos días con lluvia, pero la sumatoria de precipitaciones de estos meses es relativamente mayor al periodo 2008-2009.

Estos dos aspectos se consideraron al momento de elegir las precipitaciones más representativas para abril 2006.

En lo que refiere al método de correlación, se obtuvieron 7 gráficas de probables precipitaciones; dos de cada una de las estaciones digitales, a excepción del pluviómetro 01 (P-01), puesto que en abril 2009 éste medidor no presentó ningún tipo de registro, se cree que el instrumento tuvo alguna falla, ya que al verificar los datos de las estaciones digitales como las externas a la cuenca, las mismas presentan registros de precipitación en ése mes.

Por lo tanto, se proyectaron 7 probables lluvias para abril 2006, de las cuales se prefirió tomar como datos los de la gestión 2008-2009, debido a la sensibilidad de la cuenca hacia los días contínuos de lluvia, puesto que como se dijo presenta una litología dura e impermeable y es afectada mucho mas por lluvias contínuas que por precipitaciones aisladas, además que la cuenca posee una alta capacidad de recarga instantánea, debido a que el lecho del curso principal posee una altura de material aluvial de 4 metros en promedio, a partir de ésta profundidad el estrato se torna impermeable (roca).

Las Figura 15 y Figura 16 muestran los hietogramas proyectados desde diciembre 2008 hasta abril 2009, si se observa el hietograma de la Figura 15, en fecha 4 de abril (día 123) se obtuvo un precipitación de 122.06 mm (periodo 2008-2009) y en la Figura 16 para el mismo día se obtiene el valor de 74.92 mm (periodo 2009-2010), resultados que presentan una diferencia de precipitación considerable.

Realizando el análisis de cada hietograma, se optó por escoger la altura de precipitación de 122.06 mm, ya que ésta fue determinada en función a 4 estaciones, a diferencia de la del periodo 2009-2010, pues ésta solo fue determinada en función a una sola estación: Villa Montes Bombeo.

30


0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101

106

111

116

121

126

131

136

141

146

151

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

on (m

m)

ALTURAS DE PRECIPITACION - DICIEMBRE_2005-ABRIL_2006

PP FINAL 2005-2006DiciembreEneroFebreroMarzoAbril

Figura 15: Proyección para fecha Abril 2006, con datos de la EM. Periodo (2008-2009)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101

106

111

116

121

126

131

136

141

146

151

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

on (m

m)



Figura 16: Hietograma resultante de la Est. Meteorológica, análisis por correlación. Periodo 2009-2010.

En el P-01 sólo se obtuvo una proyección (periodo 2009-2010), por lo mencionado sobre su registro, puesto que para el mes de Abril 2009 presenta alturas de precipitación con valor “0”. La altura de precipitación proyectado para éste pluviómetro es de 45.09 mm (Figura 17)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101

106

111

116

121

126

131

136

141

146

151

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

on (m

m)



Figura 17: Hietogramas resultantes del Pluviómetro 01, análisis por correlación. Años 2009-2010

31

El pluviómetro 02 presentó valores de 48.29 mm (Figura 18) y 50.80 mm(Figura 19), por lo cual, no se evidencia una marcada diferencia de valores, se optará por tomar el valor de 48.29 mm, ya que se utilizaron mayor cantidad de estaciones para su determinación.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

119

121

123

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

145

147

149

151

Altu

ra d

e pr

ecip

itaci

on (m

m)


PP FINAL 2005-2006Abril

Figura 18: Hietograma resultante del Pluviómetro 02, análisis por correlación. Año 2008-2009

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 101

103

105

107

109

111

113

115

117

119

121

123

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

145

147

149

151

Altu

ra d

e pre

cipi

taci

on (m

m)

Dia


PP FINAL 2005-2006DiciembreEneroMarzoAbril


Por último, el pluviómetro 03 presentó valores de 52.52 mm(Figura 20) y 34.72 mm (Figura 21),por las mismas razones que para el P-02 se optó por tomar el valor de 52.52mm.

32


0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,0011

9

121

123

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

145

147

149

151

Altu

ra d

e pre

cipi

taci

on (m

m)


PP FINAL 2005-2006Abril

Figura 20: Hietograma resultante del Pluviómetro 03, análisis por correlación. Año 2008-2009

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 101

103

105

107

109

111

113

115

117

119

121

123

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

145

147

149

151

Altu

ra d

e pre

cipi

taci

on (m

m)




En la Cuadro 12 se presentan un resumen de las alturas de precipitación probable en abril 2006, de los cuales los que se presentan con negrita, son las tormentas probables que serán modelados en cada pluviómetro respectivamente.

Cuadro 12: Resumen de los datos de precipitación, hallados por el método de correlación ESTACIÓN 2008-2009 2009-2010 ESTACIONES UTILIZADAS Estación Meteorológica (EM) 122.06 74.92 A, VM.PG, PB / VMPB Pluviómetro 01 (P-01) --- 45.09 VMPB, VM, PB Pluviómetro 02 (P-02) 48.29 50.80 A-VM-PG-PB / VMPB - VM Pluviómetro 03 (P-03) 52.52 34.72 A-VM-PG-PB / VMPB - VM

De las curvas masa de precipitación (Figura 10) se obtuvieron los hietogramas en barras para las precipitaciones de diseño (Figura 22).

33

Figura 22: Hietogramas de diseño determinados para precipitaciones halladas por el método de correlaciones

Realizando el análisis de los hietogramas resultantes de cada pluviómetro, se puede observar que la tormenta no es continua ni uniforme, los hietogramas presentados son característicos en todas las tormentas graficadas de cada pluviómetro.

La forma peculiar da a suponer que se produce un pico de caudal derivado del primer pico del hietograma, posterior a ello existe un periodo de calma, lluvia con baja intensidad y un poco más continua, lo que deriva a una recarga del curso principal, impermeabilizándolo; además, que el lecho de río posee en promedio una profundidad de 4 metros antes de encontrar roca. Posterior a ello, la lluvia presenta una intensidad mayor, dando lugar a otro pico en el hietograma, lo que deriva la generación de una caudal con un pico más agudo, puesto que éste ocurre en una zona impermeabilizada, siendo quizá ésta situación la causante de los desastres. Estos hietogramas derivan del método empleado para la primera hipótesis.

Basado en la suposición de que la cuenca posea un “microclima”, es que se plantea el método de la generación de las curvas IDF.

Las curvas IDF que se obtuvieron son las mostradas en las Figuras 23-26, cada una de ellas corresponde a una estación digital dentro la cuenca.

34


Figura 23: Curvas IDF para la estación de EM

Figura 24: Curvas IDF para la estación P01


35


Como se mencionó anteriormente, se proyectó una tormenta para 75 años de periodo de retorno, siendo los resultados los presentados en la Cuadro 13.

Cuadro 13: Precipitación determinada mediante curvas IDF ESTACION PP

mm EM 131.53 P-01 42.81 P-02 49.85 P-03 53.51

Al comparar las Cuadros 11 y 12 (Cuadro 14), se puede observar, que por un método u otro, las alturas de precipitación no varían marcadamente.

Cuadro 14: Comparación de alturas de precipitación generadas por el método de correlación y curvas IDF ESTACION PP (Método por correlación) PP (Método IDF)

mm mm EM 122.06 131.53 P-01 45.09 42.81 P-02 48.29 49.85 P-03 52.52 53.51

Existe cierto grado de incertidumbre con respecto a las curvas IDF, debido a que no se cuenta con una extensión de registro suficiente como para ser proyectadas para un periodo de retorno de75 años, pese a ello, las curvas IDF presentan un buen ajuste.

De la misma manera, se presentan los hietogramas para las precipitaciones probables resultantes de las curvas IDF.

36


Figura 27: Hietogramas de diseño determinados para precipitaciones halladas por el método de las curvas IDF

Con la obtención de los hietogramas de precipitación se obtuvieron los caudales de respuesta para la cuenca quebrada Los Monos.

Uno de los parámetros básicos para realizar la modelación mediante el método de la SCS es el número de curva, mapa que se puede apreciar en la sección de Anexos, además que también se muestran los mapas que preceden al mismo.

Luego de la introducción de los parámetros, dos fueron los hidrogramas resultantes, el primero resultante de la precipitación determinada por el método de correlación ( Figura 28) y el segundo que resulta de las curvas IDF (Figura 29).

Los caudales en el punto de salida de cuenca, dieron un caudal de 309.3 m3/s (correlación) y por medio de las curvas IDF de 303.4 m3/s, variación casi insignificante comparado la diferencia con el valor total del caudal.

Los hidrogramas de salida modelados mediante el programa HEC-HMS, se presentan en las Figura 28 y Figura 29.

37

Figura 28: Hidrograma de respuesta de la cuenca quebrada Los Monos, derivado de las precipitaciones calculadas por el

método de correlación

Figura 29: Hidrograma de respuesta derivado de la utilización de las precipitaciones determinadas por el método de las curvas

IDF

El caudal con el que se calibrar es de 336 m3/s, los caudales modelados fueron de 309 y 303 m3/s, por lo que existe un caudal de alrededor 30 m3/s faltante. Como se mencionó anteriormente, los días precedentes al 2 de abril de 2006 hubo precipitaciones considerables, por cuanto existía flujo superficial en la cuenca.

Utilizando la Cuadro 10 y Cuadro 11 se procedió a distribuir éste caudal faltante en cada una de las cuencas, resultando en un aporte de cada subcuenca como se muestra en la Cuadro 15.

Cuadro 15: Caudal de aporte de cada una de las subcuencas SUBCUENCA Qsup [m3/s] SUBCUENCA Qsup [m3/s] Sub_01 3.309 Sub_07 1.61 Sub_02 1.145 Sub_08 0.083 Sub_03 12.756 Sub_09 1.022 Sub_04 0.079 Sub_10 0.374 Sub_05 0.0505 Sub_11 2.06 Sub_06 0.0826 Sub_12 9.25 Sub_13 0.144

Finalmente, introduciendo los valores de caudal base, ponderados por área y cantidad en porcentaje de precipitación, se obtuvo como resultado un caudal de 335 m3/s (Figura 30), resultado que se asemeja al caudal determinado con las marcas de agua que fue de aproximadamente 336 m3/s.

38


Figura 30: Hidrograma salida de la cuenca quebrada Los Monos, adicionándole caudales superficiales (IDF)

De cada tránsito se analizaron sus velocidades respectivas (Cuadro 16).

Cuadro 16: Velocidades de los tránsitos sin obras de contención TRANSITO V [m/s]

T-01 8.8 T-02 5.6 T-03 5.8 T-04 5.2 T-05 4.9 T-06 5.7 T-07 2.3

Como se indicó en un principio, la finalidad de éste trabajo es la protección del sistema de tuberías emplazadas en curso principal de la cuenca quebrada Los Monos, en la Figura 31 se observan 3 secciones que fueron expuestas de la tubería producto del evento de abril 2006.

La EXP01 (exposición 01 de la tubería) se ubica en el tránsito 3 del modelo hidrológico, en el T-03 del Cuadro 16, se calculó una velocidad de 5.8 m/s, velocidad erosiva para lechos de río con material granular o tierra.

Las EXP02-EXP03 se encuentran ubicadas en el tránsito 6 del modelo (T-06, Cuadro 16) , con una velocidad igual a 5.7 m/s.

Las velocidades presentadas de 5.7 y 5.8 m/s, más los caudales de 203 m3/s y 337 m3/s que se generaron en dichos tramos, respectivamente, dieron lugar a las socavaciones en los trayectos mencionados. Se puede observar que las velocidades son elevadas, dando lugar a socavaciones de mucha profundidad (Ver fotografía de la zona en Anexo 1)

39

40

Fueron necesarias 3 obras (Ver Mapa de ubicación de obras contención hídrica, siguiente página) para poder disminuir las velocidades hasta unos 3.5 m/s en promedio. El caudal de respuesta es de 178.4 m3/s (Figura 32)

Con el fin de a aminorar este efecto, se ubicaron obras de contención hídrica en la parte alta de la cuenca.

Figura 31: Secciones expuestas del sistema de tuberías producto del evento abril 2006

Figura 32: Hidrograma de salida con obras de contención hídrica (IDF)

41



En la Figura 33 se pueden observar los vasos de almacenamiento generados a partir de la ubicación de los muros de contención. Las coordenadas de ubicación de las obras se muestran en la Cuadro 17.

Figura 33: Vasos de almacenamiento para cada una de las obras de contención

Cuadro 17: Coordenadas de las obras de contención (UTM-WGS84) COORDENADAS DE UBICACION OBRAS DE CONTENCIÓN

X Y CONT_01 440134,1 7644322,5 CONT_02 440782,7 7644006,4 CONT_03 440843,0 7643836,9

Las velocidades generadas luego de la ubicación de los muros de contención indican un descenso de 4 m/s en promedio. (Cuadro 18)

Cuadro 18: Velocidades finales logradas después de la ubicación de obras de contención TRANSITO V [m/s]

T-01 2.9 T-02 2.97 T-03 3.3 T-04 3.2 T-05 3.23 T-06 3.82 T-07 1.92

Si bien las velocidades disminuyen considerablemente, éstas velocidades siguen siendo relativamente altas, se quiso implementar otras obras de contención en otros sitios, pero la topografía del lugar no es apta, por la ausencia de “gargantas” bien definidas.

Concentrando aspectos como ser la forma del hietograma de tormenta, el cual satura el suelo; con el suelo saturado es más probable que se produzcan superficies de falla, motivo que pudo ocasionar la falla en las estructuras emplazadas en el cauce por inestabilidad de terreno.

43

Si a esto le sumáramos los caudales sólidos, velocidades de hasta 8 m/s que se observan en los tránsitos antes de la ubicación de las obras de contención, el encauzamiento del canal con paredes de material totalmente impermeable como es la roca y por otra parte la sinuosidad de los cursos principales, dan a suponer que todos juntos dieron lugar a las socavaciones que produjeron la exposición de las tuberías en abril 2006, por otra parte, la fuerza del flujo del agua debió acarreare bastante material, como rocas, golpeando quizá éstas a las tuberías expuestas y provocando la rotura de los ductos.

44


6. Conclusiones

La suposición de que dentro de la cuenca Los Monos se produce un microclima, no resulta tan verídica en el desarrollo del trabajo presentado, ya que al realizarse la proyección de las precipitaciones por dos métodos distintos (correlación entre estaciones y curvas IDF de las estaciones de la cuenca en estudio), la variación entre ambas alturas de precipitación es casi insignificante con respecto al área de la cuenca, las variaciones entre alturas de precipitación se encuentran en el rango de los 2 a los 6 mm, ésta comparación de métodos es un parámetro importante para poder descartar que la cuenca tiene su propio microclima, por lo cual se concluye existe relación entre las estaciones digitales ubicadas dentro de la zona y las estaciones externas a ella.

La cuenca presenta sensibilidad a precipitaciones de larga duración, característica que provoca impermeabilización del suelo (saturación) por tener el mismo un manto rocoso a los 4 metros de profundidad promedio en el curso principal de la cuenca.

Las distribución de los hietogramas en el tiempo de duración de la tormenta, presentan como característica dos “picos”, factor que incide en el hidrograma de salida, puesto que el primer el primer pico recarga la cuenca y la impermeabiliza en cierto grado y el segundo pico genera un volumen de descarga mucho mayor.

La ubicación de las obras de contención, resultan aptas en cuanto al aspecto hidrológico, hidráulico y topográfico, hidrológico en el sentido que disminuye notablemente la respuesta de cuenca, disminuyendo desde los 336 m3/s hasta los 180 m3/s; hidráulico porque reduce las velocidades en algunos tramos de hasta el 60 % (de 8.8 m/s a 3 m/s) y topográfico por presentarse en sitios cerrados para la ubicación de los muros de contención, denominados en algunos casos como “gargantas”.

Las obras de contención no logran disminuir las velocidades de manera óptima, la velocidad disminuye a un promedio de 3 m3/s, velocidad que sigue siendo erosiva para lechos de río.

La topografía del curso principal presenta secciones en algunos casos, muy anchas, por lo que económicamente no es factible realizar obras de contención en sobre mencionados tramos, se menciona éste aspecto puesto que se quiso ubicar un número mayor de sitios de emplazamiento, para lograr menores velocidades; pero, por el aspecto topográfico no fue posible. Por tal motivo, solo pudieron ser ubicados 3 puntos críticos “gargantas”, para el emplazamiento obras de contención; si se desea emplazar mayor cantidad de obras de contención, no es aconsejable ubicarlas en el lecho del curso principal, debido que la topografía no es apta, por presentarse secciones demasiadas anchas.

El emplazamiento de las 3 obras de contención, logrará retener un volumen máximo de casi 9000 m3, dando lugar a que los caudales pico para tormentas de periodo de retorno de más de 50 años y menores a los 75 años no sobrepasen los 180 m3/s, evitando que se produzca una situación como la ocurrida en abril 2006.

45

Las zonas donde se evidenciaron exposición de tubería fueron 3, según la respuesta del modelo hidrológico, en dichos tramos se produjeron velocidades de 5.8 y 5.7 m/s, con el emplazamiento de las obras de contención se llegará a alcanzar velocidades de 3.3 y 3.8 m/s, respectivamente.

7. Recomendaciones

El presente trabajo es un modelo que fue calibrado con un registro de precipitaciones de solo dos años, por lo tanto se recomienda que se realice un seguimiento continuo para ir calibrando con nuevos registros de precipitaciones y aforo de caudales.

Para reducir un poco más las velocidades del caudal, con el fin proteger los ductos, se puede realizar el diseño de obras que generen rugosidad artificial para disminuir la fuerza por corte del flujo de agua.

46


8. Referencias Bibliográficas

APARICIO, F. 1996. Fundamentos de hidrología de superficie, México.

AUZA, M. 2006. Determinación del caudal pico a través del método área-pendiente. Cochabamba.

AUZA, M. 2008. Tránsito de hidrogramas.

AUZA, M. 2010. Precipitación.

BURKE LAURETTA y ZACHARY., S. 2006. Modelamiento hidrológico de la descarga de las cuencas hidrológicas en el Arrecife Mesoamericano.

CAMPOS, A. 1998. Procesos del ciclo hidrológico, México, Editorial Universitaria Potosina.

CHOW, V. T. 1987. Hidrología aplicada, MacGRAW-HILL INTERAMERICANA, S.A.

GUERRA, F. y GONZÁLEZ, J. 2002. Caracterización morfométrica de la cuenca de la quebrada La Bermeja, San Cristobal, Estado Táchira, Venezuela.

ILWIS 2007. DEM Hydroprocessing. 3.3 ed. Enshede, Holanda.

IPE, B. 2006a. Estudios para la producción de ductos en la Quebrada Los Monos, Ingeniería básica.

IPE, B. 2006b. Estudios para la protección de ductos en Quebrada Los Monos, Ingeniería Básica. Cochabamba.

IPE, B. 2007. Estudios para la protección de ductos en la Quebrada Los Monos - Ingeniería Conceptual.

JARDÍ, M. 1985. Forma de una cuenca de drenaje. Análisis de las variables morfométricas que nos la definen. Revista de Geografía [Online], XIX.

OLAYA, V. 2004. Hidrología computacional y Modelos Digitales del Terreno. Chile.

OMM. 1999. Guía para medir el caudal por el método área pendiente en ríos de montaña. Available: http://www.wmo.int/pages/prog/hwrp/homs/Components/Spanish/e70207.htm.

SECRETARIA DE AGRICULTURA Y RECURSOS HIDRÁULICOS, S. 1982. Manual para la estimación de avenidas máximas en Cuencas y Presas pequeñas, México.

SIMON, G. y FREUND, J. 1994. Estadística elemental, Mexico.

SOLIS, H., OREAMUNO, R., MURILLO, W. y CHACON, J. 1993. Modelación hidrológica e hidráulica para el control de inundaciones en Centroamérica, Turrialba.

VIESSMAN, W., LEWIS, G. y KNAPP, J. 1992. Introduction to Hydrology, New York, Harper and Row Publishers.

VILLÓN, M. 2002. Hidrología, Costa Rica.

VILLÓN, M. 2008. HEC-HMS, Costa Rica.

WENDOR, C. 1991. HIDROLOGIA, Lima, Peru, CONCYTEC.

47

http://www.wmo.int/pages/prog/hwrp/homs/Components/Spanish/e70207.htm

Ubicación de obras de contención hídrica para el … · mediante la construcción de curvas...

Documents

Transcript of Ubicación de obras de contención hídrica para el … · mediante la construcción de curvas...