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Modelo HEC-HMS de la Cuenca del Punxsutawney en la cuenca del río Allegheny, Pennsylvania

Taller de Introducción a HEC-HMS

Antecedentes

La Cuenca del Punxsutawney, parte de la cuenca del río Allegheny, localizado al oeste de Pensilvania, se utiliza para este y los siguientes talleres de este curso. El sistema de conducción principal de esta cuenca de 400 km2 incluye los siguientes arroyos: Stump Creek, East Branch Mahoning Creek y Mahoning Creek. La confluencia de Stump Creek y East Branch Mahoning Creek está ubicada al este del enclave de Big Run. Mahoning Creek está aguas abajo de la confluencia.

Eventos de tormenta en abril de 1994, mayo de 1995 y mayo de 1996 en esta región se consideran en este modelo. Un número de registro de precipitación y medidores de caudal en la región será útil en la modelización de la respuesta de la cuenca a diversos rangos de intensidad de las precipitaciones. La cuenca se modela como 3 subcuencas con precipitaciones adicionales de grabación de medidores de lluvia; se utilizarán la ponderación del medidor especificado por el usuario y los métodos de ponderación distancia- inversa. La subcuenca inicial y los parámetros de corriente se calculan sobre la base de los parámetros físicos medidos y mapas, si fuese posible, y criterios técnicos cualitativos, con énfasis en los conocimientos locales de la región.

Los parámetros iniciales de modelado se perfeccionarán a través de varios procesos de calibración. Después de la etapa de calibración, el modelo adoptará parámetros hidrológicos sobre la base de lo bien que los resultados simulados reconstituyann los hidrogramas de flujo observados. El cuadro rectangular en la Figura 1 muestra la ubicación del área de estudio. La figura 2 muestra el área de estudio incluyendo Stump Creek, East Branch Mahoning Creek y Mahoning Creek en el pueblo de Punxsutawney.

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Figura 1. Mapa de la ubicación del área de estudio.

Figura 2. Mapa detallado del área de estudio. Mahoning Creek en la ciudad de Punxsutawney.

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Objetivos. En este taller usted aprenderá como HEC-HMS está estructurado y va a adquirir experiencia en la mecánica fundamental de utilización del programa: la creación de conjuntos de datos, la ejecución de cálculos de simulación y la visualización de resultados. Este taller le ofrece los antecedentes necesarios para los talleres posteriores que se centran en el análisis hidrológico de la escorrentía de las inundaciones. Información general. En este taller usted:

Creará un nuevo proyecto. Creará un modelo de cuenca que consiste en tres subcuencas, dos

uniones y una corriente de enrutamiento; introducirá datos de los parámetros de estos elementos hidrológicos.

Creará un modelo meteorológico que permita la importación de hietogramas de precipitación para las tres subcuencas.

Creación de especificaciones de control que establezcan la ventana de tiempo y el intervalo de tiempo para una simulación.

Creación y cálculo de una corrida de simulación. Visualizará los resultados.

Tareas 1. Haga doble clic en el icono de HEC-HMS para iniciar el programa. 2. La ventana principal del programa aparecerá, fíjese en la barra de menús en la parte superior de la ventana con las entradas, empezando con Archivo y terminando con Ayuda. También forman parte de la ventana la barra de herramientas justo debajo de la barra de menú, el explorador de las cuencas hidrográficas, el editor de componentes, el registro de mensajes y el escritorio. Para crear un nuevo proyecto, haga clic en el menú Archivo y seleccione el comando Nuevo. 3. Se abrirá la ventana de Creación de un Nuevo Proyecto, pulse Intro Taller para el nombre del proyecto, e Introducción al uso de HEC-HMS para la descripción. Usted debe seleccionar C: \ class como el directorio donde se almacena el proyecto. Asegúrese de seleccionar Métrico como el sistema de unidad por defecto. Haga clic en el botón OK cuando toda la información esté correcta y el programa creará el nuevo proyecto. 4. De Componentes en la barra de menú, seleccione el comando Administrador de Modelo de Cuenca, la ventana del Administrador de Modelo de Cuenca se abrirá. Pulse el botón Nuevo... para iniciar el proceso de creación de un modelo de cuenca. La ventana de Creación de un Nuevo Modelo de Cuenca se abrirá. Cambie el nombre del modelo de cuenca prederminado (Cuenca 1) a Punxsutawney y añada las descripciones Headwaters to the city of Punxsutawney - Condiciones actuales. Haga clic en el botón Crear, cuando toda la información esté correcta, el nuevo modelo de cuenca vacía se añadirá al explorador de las cuencas hidrográficas.

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Usted puede dejar al Administrador de Modelo de Cuenca abierto y colóquelo a un lado, o ciérrelo. 5. Establezca los métodos por defecto para subcuencas y corrientes que se utilizarán al crear nuevos elementos. En el menú Herramientas, seleccione el comando Configuración del Proyecto... Seleccione la etiqueta Valores Predeterminados y defina el método de pérdida por defecto: Número de Curva SCS, el método de transformada por defecto: Hidrograma Unitario de Snyder, el método de flujo de base por defecto: Recesión y el método de ruteo por defecto: Lag. Haga clic en el botón OK cuando haya terminado de realizar las selecciones. 6. Abra el modelo de cuencas haciendo clic en el explorador de cuencas hidrográficas. 7. Haga clic en la herramienta de subcuenca en la barra de herramientas. Haga clic en el mapa de la cuenca para crear el primer elemento de subcuenca. Usted puede utilizar el nombre predeterminado. Agregue dos elementos más de subcuenca. Cambie a la herramienta de corriente y haga clic en el mapa de cuenca para crear un elemento de corriente. Cambie a la herramienta de unión y agregue dos elementos de unión al mapa de la cuenca. Los elementos deben ser colocados como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Creación de elementos en el modelo de cuenca.

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8. Conectar los elementos en una red de corriente (Figura 4). Haga clic derecho sobre cada elemento y seleccione el comando Conectar Aguas Abajo. Use el ratón para identificar el elemento que debe estar aguas abajo. Una línea de conexión se dibuja para mostrar los elementos están conectados.

Figura 4. Elementos conectados de un modelo de cuenca. 9. Haga clic en el ícono Subcuenca-1 en el explorador de cuencas hidrográficas y cámbiele el nombre a Stump Cr. Del mismo modo, haga clic en los otros elementos de subcuenca y cámbieles el nombre a ellos también; Subcuenca-2 se convierte en E H. Mahoning Cr y Subcuenca-3 se convierte en Punxsutawney Local. 10. Ingrese los datos de área de cada una de las subcuencas. Haga clic en el menú Parámetros y seleccione el comando Área de Subcuenca. Ingrese el dato de área como se muestra en la Tabla 1. 11. En el menú Parámetros, seleccione el commando Flujo Base Recesión. Introduzca los valores de la Tabla 2, a continuación, haga clic en el botón Cerrar cuando haya terminado. Asegúrese de seleccionar el tipo correcto de las condiciones iniciales: Descarga. También asegúrese de seleccionar el tipo correcto de umbral: Proporción de pico.

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Nombre Predeterminado Nuevo nombre

Área

(sq km)

Subcuenca-1 Stump Cr 75

Subcuenca-2 E Br Mahoning Cr 106

Subcuenca-3 Punxsutawney Local 228

Tabla 1. Información de nombre y área para cada subcuenca mostrada en la Figura 4.

Nombre de Subcuenca

Q Inicial

(cms)

Recesión

Constante

Proporción de Pico

Stump Cr 2 0.80 0.1

E Br Mahoning Cr 3 0.80 0.1

Punxsutawney Local

5 0.80 0.1

Tabla 2. Parámetros de recesión del flujo base.

Subbasin Name Initial Abstraction

(mm)

SCS Curve Number Imperviousness

(%)

Stump Cr 77 0.0

E Br Mahoning Cr 75 0.0

Punxsutawney Local

79 0.0

Tabla 3. Parámetros de número de curva SCS. 12. En el menú de Parámetros, seleccione el comando Pérdida Número de Curva SCS. Introduzca los valores de la Tabla 3, a continuación, haga clic en el botón Cerrar cuando haya terminado. Tenga cuidado de dejar en blanco las celdas Abstracción Inicial. Las celdas en blanco le dicen al programa que calcule automáticamente el valor como 0.2S. 13. En el menú de Parámetros, seleccione el comando Transformada Unidad del Hidrograma de Snyder. Introduzca los valores de la Tabla 4, a continuación, haga clic en el botón Cerrar cuando haya terminado. 14. En el mapa de cuencas en el área del escritorio, haga clic en el elemento Corriente-1 para abrir su editor de componentes. Haga clic en la etiqueta de "Ruta" y luego introduzca un valor de retraso de 300 minutos.

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Nombre de Subcuenca

Demora Estándar de Snyder

(hrs)

Coeficiente de Pico de Snyder

(cp)

Stump Cr 8 0.4

E Br Mahoning Cr 8 0.4

Punxsutawney Local

12 0.4

Tabla 4. Parámetros de Unidad del Hidrograma de Snyder. Ya ha completado el modelo de cuencas para este proyecto. 15. Crear un nuevo medidor de precipitaciones. Ir al menú Componentes y seleccionar el comando Administrador de Datos de Tiempo-Serie. En la ventana del administrador, pulse el botón Nuevo... para crear un medidor; la ventana para la creación de un medidor se abrirá. 16. En la ventana del medidor nuevo, cambie el nombre por defecto (Medidor 1) a DUJP. Pulse el botón Crear para crear el medidor nuevo, se agregará automáticamente al explorador de cuencas hidrográficas. Usted puede dejar abierta la ventana del administrador, ya que será utilizada de nuevo en breve. 17. Vaya al explorador de cuencas hidrográficas y haga clic en el medidor nuevo que acaba de crear. Cambie el origen de datos de Entrada Manual a Sistema de Datos de Almacenamiento. 18. Seleccione la fuente correcta de datos externos. Puede hacer clic en el botón de selección junto campo de nombre del archivo para desplazarse al archivo. El archivo se denomina C:\class\Data\observe.dss. 19. Seleccione la ruta de acceso correcta. Haga clic en el botón de selección junto al campo de entrada de ruta para ir al acceso de ruta. Use la parte B del filtro en el área de Búsqueda por piezas en la parte superior de la pantalla. Seleccione la entrada DUJP en la parte B del filtro para mostrar sólo los nombres de ruta con la parte de ruta correcta (Figura 5). Seleccione cualquiera de las filas después de ajustar la parte B del filtro. 20. Cambie la ventana de tiempo predeterminado para inspeccionar algunos de los datos. En el explorador de cuencas hidrográficas, haga clic en la ventana de tiempo bajo el icono del medidor DUJP. En el editor de componentes, cambie la fecha de inicio al 28Abr1996, la hora de inicio a las 01:00, la fecha de finalización al 04may1996 y la hora de finalización a las 00:00. Haga clic en las etiquetas de "Tabla " y "Gráfica" en el editor de componentes para ver los datos. 21. Ha terminado de configurar el la serie de tiempo del medidor de precipitación DUJP.

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Vamos a utilizar el medidor más tarde refiriéndose a él por su nombre. Ahora repita los pasos 15-20 para crear los medidores PNXP y MFFP. Todos los datos de precipitación están listos para ser usados. Usted puede comenzar con la construcción del modelo meteorológico y las especificaciones de control.

Figura 5. Selección de una ruta de acceso para el medidor DUJP. 22. Cree un modelo meteorológico nuevo. Haga clic en el menú de Componentes y seleccione el comando Administrador de Modelo Meteorológico, la ventana del administrador del modelo meteorológico se abrirá. Pulse el botón Nuevo... para crear un modelo meteorológico nuevo. 23. Cambie el nombre por defecto (Met 1) a 1 de mayo de 1996 e introduzca una descripción de la Precipitación durante la tormenta del 1 de mayo de 1996. Pulse el botón Crear para crear el modelo meteorológico nuevo. 24. Vaya al explorador de cuencas hidrológicas y haga clic en el modelo meteorológico nuevo. Cambie al editor de componentes y asegúrese de que el método de precipitación se establece en Hietograma Especificado. Los métodos de la evapotranspiración y la nieve derretida se deben apagar.

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25. Conecte el modelo meteorológico a las subcuencas en el modelo de cuencas. Vaya a la etiqueta "Cuenca" en el editor de componentes. Para el modelo de cuencas Punxsutawney, cambie la opción "Incluir subcuencas" a Sí. 26. Seleccione el medidor de precipitación para cada subcuenca. Vuelva al explorador de cuencas hidrológicas y haga clic en el nodo de precipitación debajo del modelo meteorológico. Seleccione el medidor correcto para cada subcuenca con el editor de componentes: DUJP para Stump Creek, MFFP para Mahoning Creek y PNXP para Punxsutawney Local. No es necesario introducir los valores totales de la profundidad para las subcuencas. 27. Cree una nueva especificación de controles. Haga clic en el menú Componentes y seleccione el comando Administrador de Especificaciones de Control, el administrador de ventanas se abrirá. Pulse el botón Nuevo... para crear una nueva especificación de control. 28. Cambie el nombre por defecto (Control 1) a 1 de mayo de 1996 e introduzca una descripción de la Tormenta del 1 de mayo de 1996. Pulse el botón Crear para crear las nuevas especificaciones de control. 29. En el explorador de cuencas hidrográficas, haga clic en las especificaciones de control que acaba de crear. Introduzca los tiempos correctos de inicio y fin en el editor de componentes. La fecha de inicio debe ser 28Apr1996 a las 01:00. La fecha final debe ser 03May1996 a las 24:00. Seleccione 15 Minutos para el intervalo de tiempo. Ahora ha terminado el modelo de cuencas, el modelo meteorológico y las especificaciones de control. Ahora va a crear una ejecución de simulación y calculará la misma. 30. Haga clic en el menú Cálculo y seleccione el comando Crear Ejecución de Simulación. Una ventana se abrirá para asistirlo en la creación de una ejecución nueva de simulación. Como primer paso debe elegir un nombre, puede utilizar Mayo 1996 en lugar del predeterminado. 31. En el Paso 2, seleccione el modelo de cuencas Punxsutawney. En el Paso 3, elija el modelo meteorológico del 01 de mayo 1996. En el Paso 4, elija las especificaciones de control del 01 de mayo 1996. Pulse el botón Finalizar para completar el proceso de creación de una corrida de simulación. 32. Calcule la ejecución de la simulación. Una corrida de simulación se debe seleccionar antes de que pueda ser computada. Haga clic en el menú Cálculo y mueva el ratón al submenú Seleccionar Ejecutar. Un submenú se abrirá, que muestra la lista de todas las corridas de simulación del proyecto. Haga clic en la corrida de simulación que desea calcular. Una vez que una ejecución de simulación ha sido seleccionada, haga clic en el menú Cálculo y seleccione el comando Calcular Ejecución en la parte

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inferior del menú (el nombre de la corrida seleccionada se muestra entre paréntesis al lado de la opción del menú Calcular Ejecución). Una ventana de progreso del cálculo se abrirá para mostrar el avance de la simulación. La simulación puede suspenderse si se encuentran errores. Si esto sucede, lea los mensajes y solucione los problemas, y luego calcule la ejecución de la simulación de nuevo. Cierre la ventana de progreso cuando la ejecución se calcule con éxito. Ahora verá los diferentes resultados y responderá a algunas preguntas. 33. Vea la tabla de resumen global. Haga clic en el menú Resultados y seleccione el comando Tabla de Resumen Global. Alternativamente, usted puede hacer clic en el botón de la tabla de resumen global sobre la barra de herramientas, el botón muestra una tabla con un mundo superpuesto sobre él. 34. Vea los resultados para cada elemento del modelo de cuenca. Haga clic en un elemento en el mapa de la cuenca con el botón derecho del ratón, un menú contextual se muestra con varias opciones incluyendo Ver Resultados. Bajo Ver Resultados se puede ver un gráfico, un cuadro sinóptico o una tabla de series de tiempo. Usted puede obtener los mismos resultados mediante la selección del elemento, a continuación, haciendo clic en el menú de Resultados y seleccionando el comando apropiado. Pregunta 1 ¿Qué series de tiempo se muestran en el gráfico de la subcuenca Stump Cr? Pregunta 2 ¿Cuál es el caudal máximo (cm) a la salida de la subcuenca de Stump Cr? ¿Cuándo ocurrió? ¿Cuál es el volumen de descarga total en mm y mil metros cúbicos? Pregunta 3 ¿Cuál es la descarga calculada a la salida de la subcuenca de Stump Cr a las 12:00 horas del 01 de mayo 1996?

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Pregunta 4 ¿Qué series de tiempo se muestran en el gráfico de Corriente-1 (Reach-1)? Pregunta 5 ¿Qué series de tiempo se muestran en el gráfico de Unión-2 (Junction-2)?