lineamientos para estudios hidrologicos

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SISTEMA DE GESTIÓN PLUVIAL DE LA ZONA METROPOLITANA DE QUERÉTARO 2008-2025 IMPLAN CIAQ Lineamientos básicos para la elaboración de Estudios Hidrológicos 30 de Julio del 2010

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Page 1: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

SISTEMA DE GESTIÓN PLUVIAL

DE LA ZONA METROPOLITANA

DE QUERÉTARO 2008-2025

IMPLAN – CIAQ

Lineamientos básicos para la elaboración de

Estudios Hidrológicos

30 de Julio del 2010

Page 2: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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I. INTRODUCCIÓN 3

1. CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DESTUDIO 4

1.1 LOCALIZACIÓN

1.2 USO DE SUELO

1.3 EDAFOLOGÍA

1.4 TOPOGRAFÍA y GEOMORFOLOGÍA

1.5 CLIMA

2. PRECIPITACIÓN 4

3. DELIMITACIÓN DE LA CUENCA 5

4. ESCORRENTIA SUPERFICIAL 5

4.1 Método de la SCS y utilización del CN

5. CORRIDAS DEL MODELO 15

6. CONCLUSIONES 15

7. NORMATIVA 15

III. REFERENCIAS 16

Page 3: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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INTRODUCCIÓN

El objetivo de realizar un estudio o modelación hidrológica, en este caso específico para cuencas urbanas, es

para caracterizar y obtener parámetros aproximados como lo son precipitación, escorrentía, transito de avenidas,

etc. Las cuencas urbanas varían en el espacio debido al cambio en la pendiente de la superficie del suelo, tipo

de cubierta y tipo de suelo; además estas también varían con el tiempo ya que las características hidrológicas

cambian con el proceso de urbanización. Es por ello que es de suma importancia realizar una valoración

cualitativa y cuantitativa del área que se pretenda estudiar, puesto que los parámetros obtenidos en una

modelación hidrológica son los datos de entrada para el diseño hidrológico en lo que se refiere al control de los

recursos hídricos y mitigación de los efectos adversos producidos por caudales altos o crecientes. La

información hidrológica juega un papel vital en el manejo del balance entre la oferta y la demanda de los

recursos hídricos para la planeación de proyectos de desarrollo en este tipo de recursos.

Page 4: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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1. CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DESTUDIO

1.1 LOCALIZACIÓN

En este apartado se describe la ubicación geográfica con coordenadas UTM y la localización en un mapa, donde

se incluyan los límites municipales e infraestructura de referencia. La ubicación debe de darse en referencia a la

colonia, localidad o municipio al que pertenece. Se debe también mencionar la extensión de la zona de estudio.

1.2 USO DE SUELO

Se entiende como uso de suelo al tipo de utilización humana que se le da al terreno, incluido el subsuelo, y en

particular su urbanización y edificación. La condición actual de la superficie del suelo en la zona de estudio

debe ser especificada.

1.3 EDAFOLOGÍA

Se refiera a la caracterización del suelo presente en la zona de estudio. Incluye perfil y horizontes. Esta

caracterización deberá de ser considerada de acuerdo a la cartografía de la INEGI.

1.4 TOPOGRAFÍA y GEOMORFOLOGÍA

En este apartado se deben mencionar las principales características de la configuración topográfica de los

terrenos y su geomorfología. Se deben de describir los rasgos característicos del terreno y las elevaciones de

importancia en la zona de estudio. Se deben presentar los mapas con curvas de nivel y/o el modelo digital de

elevaciones (MDE).

1.5 CLIMA

Se debe especificar la clasificación del clima de acuerdo a la Clasificación de Koppen, y se debe de describir los

aspectos generales de precipitación y temperatura, y otras descripciones que pudieran generalizar la

caracterización del clima.

2. PRECIPITACIÓN

Para la determinación del evento o eventos de lluvia que deben usarse en el diseño, es necesario utilizar una

tormenta que involucre una relación entre la intensidad de la lluvia (o profundidad), la duración y las

Page 5: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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frecuencias o periodos de retornos apropiados para la obra y el sitio. En algunos casos existen las curvas (IDF)

para varios periodos de retorno, pero en caso contrario se presenta el procedimiento para su cálculo.

La fórmula que relaciona simultáneamente las tres variables es:

donde:

i Intensidad de la precipitación en mm/h

T Periodo de retorno en años.

d Duración en minutos

k, m, n, c Parámetros que se calculan a partir de los datos mediante un análisis de

correlación lineal múltiple.

También se menciona la estación o estaciones meteorológicas utilizadas para la obtención de los valores de

precipitación así como también su localización geográfica y espacial.

3. DELIMITACION DE LA CUENCA O ÁREA DE APORTACION

La delimitación de la cuenca se realizará de acuerdo al modelo digital de elevaciones (MDE) y verificada con

un recorrido en campo, esto para considerar la modificación de la dirección de flujo superficial en presencia de

elementos que pudiesen intervenir en las condiciones de flujo, estos elementos pueden ser cauces, drenes,

vialidades, edificaciones en general, etc.

4. ESCORRENTÍA SUPERFICIAL.

En este apartado se presenta los procedimientos para el cálculo de escorrentía superficial así como también de

gastos máximos de salida, hidrogramas y volúmenes de almacenamiento requeridos en estructuras de retención.

4.1 Método de la SCS y utilización del CN

Para la estimación de la escorrentía superficial, el método de la SCS utiliza la función del número de curva

(CN). La determinación del CN depende del tipo y condición del suelo en la microcuenca, según sea el tipo de

n

m

c)(d

Tki )1.1(

Page 6: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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cobertura, uso de suelo, condición hidrológica del terreno y grupo hidrológico de suelo perteneciente, es

seleccionado un valor de CN de acuerdo a las tablas en el anexo A.

4.1.1 Ecuación

El Soil Conservation Service, de los Estados Unidos, actualmente NRCS, desarrolló un método para calcular las

abstracciones de una precipitación durante una tormenta. Estas abstracciones incluyen la intercepción de la

precipitación por la vegetación del terreno, el almacenamiento en depresiones de la superficie del suelo a

medida que el agua se acumula y la infiltración de agua en el suelo. La ecuación general del método es

mostrada a continuación:

S)I(P

)I(PQ

a

2

a

Donde:

Q escorrentía superficial (mm)

P precipitación (mm)

S potencial máximo de almacenamiento una vez iniciado el escurrimiento (mm)

Ia abstracciones iniciales (mm)

En el parámetro Ia se consideran las pérdidas relacionadas con el agua almacenada en vegetación, infiltración

y evaporación. El valor de Ia resulta ser muy variable pero generalmente es correlacionado con el suelo y

condiciones de cobertura. A través de varios estudios empíricos en microcuencas agrícolas, se ha encontrado un

valor aproximado de Ia el cual es mostrado en la siguiente ecuación:

)2.1(

Page 7: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

7

Ia = 0.2S

Sustituyendo el valor de Ia en la ecuación general se obtiene una función compuesta solamente por los

parámetros S y P, resultando en la siguiente ecuación:

S0.8)(P

0.2S)(PQ

2

El parámetro S está relacionado con el suelo y las condiciones de cobertura de la microcuenca a través del

Número de Curva (CN). El valor del CN tiene un rango de 0 a 100 y es relacionado con S mediante la siguiente

ecuación:

4.1.2 Cálculo y criterios considerados para la determinación de los CN´s

Los principales factores involucrados en la determinación del CN son:

- Grupo Hidrológico del Suelo

- Tipo de cobertura presente

- Condición hidrológica

- Humedad Antecedente

Otro factor a considerar, son las áreas impermeables que están conectadas directamente a un sistema de drenaje

o aquellas en las cuales el flujo se disipa en áreas permeables antes de entrar a un sistema de drenaje.

)3.1(

)4.1(

10CN

1000S )5.1(

Page 8: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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Cuadro 4.1. Grupos Hidrológicos de Suelos

GRUPO DESCRIPCIÓN

A Bajo potencial de escorrentía : Arena profunda, suelos profundos depositados por el vientos, limos agregados

B Moderado bajo potencial de escurrimiento: Suelos poco profundos

depositados por el viento, arcilla arenosa.

C Moderado alto potencial de escurrimiento: Margas arcillosas, margas

arenosas poco profundas, suelos con bajo contenido orgánico y suelos con alto contenido de arcillas.

D

Alto potencial de escorrentía: Suelos con infiltración muy lenta cuando están muy húmedos. Consisten de suelos arcillosos con alto potencial de expansión;

suelos con nivel freático alto permanente; suelos con estrato arcilloso superficial; suelos con infiltración muy lenta suelos poco profundos sobre

materiales casi impermeable.

Una vez que se ha caracterizado el suelo de acuerdo los factores mencionados anteriormente, se procede a la

selección de los CN´s y al cálculo del valor ponderado según sea el caso de estudio, es decir si el área es de un

solo tipo de cobertura y condición o si son áreas múltiples de condiciones diferentes pero que se encuentran en

la misma área de aportación. Los valores de los CN´s vienen descritos en las tablas A1, A2, A3 y A3 del

documento, cabe mencionar que estos valores fueren obtenidos empíricamente y tienden a generalizar el

escurrimiento en condiciones similares.

A continuación se muestra una hoja de cálculo con la descripción y procedimiento para el cálculo de la

escorrentía superficial de acuerdo al manual TR-55. En el primer apartado se procede al cálculo del CN general

y en el segundo al cálculo de la escorrentía.

Page 9: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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Proyecto: Realizó: Fecha:

Ubicación: Supervisó: Fecha:

1. Número de curva (CN)

Tipo de Suelo y

Grupo

Hidrológico

Descripción de la

Cobertura

( tipo de cobertura, condición

hidrológica, porcentaje de

impermeabilidad; proporción de área

impermeable conectada o no

conectada)

CN

Área

□ ha

□ km2

□ %

Producto

CN x área

Totales

areas

totalproductoCN calculado ; CN

2. Escorrentía

Periodo de retorno ………………………… años

Precipitación pluvial, P (24 hr) ..…………..

mm

Escorrentía superficial, Q …………………. mm

Tormenta no. 1

Tormenta no. 2

Tormenta no. 3

Fig.4.2 Hoja de cálculo para la determinación del CN y escorrentía

Page 10: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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TABLAS DE VALORES CN

TABLA A.1 ZONAS URBANAS

A B C D

Áreas urbanas plenamente desarrolladas

1. Áreas abiertas ( parques, campos de golf, cementerios, etc.)3

Cobertura de pastizales y áreas verdes

-Baja (menor al 50 %) 68 79 86 89

-Media (entre el 50 y 75 %) 49 69 79 84

-Alta (mayor al 50 %) 39 71 74 80

2. Áreas impermeables

-Estacionamientos pavimentados, banquetas, techos, etc. 98 98 98 98

3. Carreteras y vialidades

-Pavimento con alcantarillado 98 98 98 98

-Pavimento con zanjas

-Empedradado 76 85 89 91

-Terracerías 72 82 87 89

4. Áreas urbanas de zonas áridas

Paisajismo natural sin remoción de vegetación ( solamente áreas permeables) 63 77 85 88

Paisajismo artificial ( con presencia de maleza y arbustos) 96 96 96 96

5. Zonas urbanas

- Áreas comerciales 85 89 92 94 95

- Áreas Industriales 72 81 88 91 93

6. Zonas Residenciales por porcentaje y tamaño del lote

-0.05 ha 65 77 85 90 92

-0.10 ha 38 61 75 83 87

-0.13 ha 30 57 72 81 86

-0.20 ha 25 54 70 80 85

-0.40 ha 20 51 68 79 84

-0.80 ha 12 46 65 77 82

Áreas urbanas en desarrollo

-Áreas recién limpiadas y niveladas 77 86 91 94

1. Condición de escorrentía promedio y considerando que Ia = 0.2S

2.El porcentaje promedio de área impermeable mostrada fue utilizada para calcular CN´s compuestos. Algunas otras hipótesis consideradas son:

Áreas impermeables directamente conectadas al sistema de drenaje, áreas impermeables con un CN de 98 y áreas permeables son

consideradas como un espacio abierto con buenas condiciones hidrológicas.

3.Los CN´s mostrados son equivalentes a los utilizados para pastizales. En CN´s compuestos deberán de ser analizados para distintas combinaciones

y tipos de cobertura.

Tipo de cobertura y Condición hidrológica(1)

% promedio de

area

impermeable3

Número de Curva (CN)

Grupo Hidrológico

Page 11: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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TABLA A.2 ZONAS AGRÍCOLAS

A B C D

Tipo Condición del terreno2

Condición Hidrológica3

Barbecho Terrenos limpio - 77 86 91 94

Terreno con residuos de cosecha (CR) pobre 76 85 90 93

buena 74 83 88 90

Cultivos en hilera Surcos rectos (SR) pobre 72 81 88 91

buena 67 78 85 89

SR + CR pobre 71 80 87 90

buena 64 75 82 85

Surcado al Contorno (C) pobre 70 79 84 88

buena 65 75 82 86

C + CR pobre 69 78 83 87

buena 64 74 81 85

Surcado al Contorno y Terraceado (C&T) pobre 66 74 80 82

buena 62 71 78 81

C&T + CR pobre 65 73 79 81

buena 61 70 77 80

Granos pequeños SR pobre 65 76 84 88

buena 63 75 83 87

SR + CR pobre 64 75 83 86

buena 60 72 80 84

C pobre 63 74 82 85

buena 61 73 81 84

C + CR pobre 62 73 81 84

buena 60 72 80 83

C&T pobre 61 72 79 82

buena 59 70 78 81

C&T + CR pobre 60 71 78 81

buena 58 69 77 80

Leguminosas incorporadas o SR pobre 66 77 85 89

al voleo, o praderas de rotación buena 58 72 81 85

C pobre 64 75 83 85

buena 55 69 78 83

C&T pobre 63 73 80 83

buena 51 67 76 80

1.Condición de escorrentía promedio y considerando que Ia = 0.2S

2.Cobertura con residuos de cosechas aplican solamente si esta es al menos el 5 % del área durante todo el año.

3. La condición hidráulica está asociada a la combinación de factores que influyen en la infiltración y escorrentía incluyendo (a) densidad de la cosecha

y áreas vegetativas, (b) porción de cobertura en el año, (c) porción de pastizal o legumbres, (d) porcentaje de cobertura residual en la superficie de terreno

( buena ≥ 20 %) y e condición de rugosidad en la superficie.

Pobre: Factores que impidan la infiltración e incrementan la escorrentía superficial.

Buena: Factores que favorezcan la infiltración y tiendan a decrecer las condiciones de escurrimiento

Número de Curva (CN)

Grupo HidrológicoDescripción de la cobertura

Page 12: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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TABLA A.3 ZONAS FORESTALES

A B C D

Tipo Condición Hidrológica

pobre 68 79 86 89

moderada 49 69 79 84

buena 39 61 74 80

- 30 58 71 78

pobre 48 67 77 83

moderada 35 56 70 77

buena 30 48 65 73

Bosques con presencia de pasto pobre 57 73 82 86

moderada 43 65 76 82

buena 32 58 72 79

Bosques pobre 45 66 77 83

moderada 36 60 73 79

buena 30 55 70 77

- 59 74 82 86

1. Condición de escorrentía promedio y considerando que Ia = 0.2S

2. Pobre: < 50 % de cobertura en el terreno o pastoreo en extensión

Moderada: 50 al 75 % de cobertura en el terreno y pastizales de poco grosor.

Buena: > 75% de cobertura en el terreno con poca presencia de pastura.

3. Pobre: < 50 % de cobertura en el terreno

Moderada: 50 al 75 % de cobertura en el terreno

Buena: > 75% de cobertura en el terreno

4. Curva actual menor a 30; utilizar CN = 30 para corridas en modelos

5. Los CN´s mostrados fueron utilizados para áreas con 50 % de bosques y 50 % de pastizales. Otras combinaciones de

condición deberán de ser realizadas a partir de CN´s para bosques y pastizales.

6. Pobre: Lechos de bosque , arbustos y maleza destruidas por el pastoreo en extensión o por quema regular.

Moderada: Los arboles son talados pero no quemados y con poca presencia de lechos de bosque.

Buena: > Los árboles son protegidos de la tala, maleza y lecho de bosque cubren adecuadamente al suelo.

Instalaciones agrícolas: Establos, veredas, caminos

en los alrededores de una granja

Descripción de la cobertura(1)

Número de Curva (CN)

Grupo Hidrológico

Praderas, pastizales o agostaderos-para pastoreo

continuo

Praderas-pastizales sin pastoreo, para corte

Matorral-Maleza, pastizales, hierbas o áreas

mixtas con arbustos

Page 13: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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TABLA A.4 ZONAS DE PASTIZALES ARIDOS Y SEMIARIDOS

A B C D

Tipo Condición Hidrológica

pobre 80 87 93

moderada 71 81 89

buena 62 74 85

pobre 66 74 79

moderada 48 57 63

buena 30 41 48

pobre 75 85 89

moderada 58 73 80

buena 35 47 55

Chamizo con pastizal pobre 67 80 85

moderada 51 63 70

buena 35 47 55

pobre 63 77 85 88

moderada 55 72 81 86

buena 49 68 79 84

1. Condición de escorrentía promedio y considerando que Ia = 0.2S

2. Pobre: < 30 % de cobertura en el terreno (lecho de bosque,pasto y maleza)

Moderada: 30 al 70 de cobertura en el terreno.

Buena: > 75% de cobertura en el terreno.

3. Números de curva para grupo A obtenidos solamente para arbustos desérticos.

Arbustos y matorrales deserticos ( incluye mesquites,

gobernadora, candelilla y cáctus, entre otros)

Áreas con presencia de árboles y arbustos de piñon y

enebro; presencia de pasto

Descripción de la cobertura(1)

Número de Curva (CN)

Grupo Hidrológico

Herbácea: Mezlca de pasto, hierba y maleza siendo ésta

última la de menor presencia

Áreas con presencia de árboles y arbustos de roble, álamo

Page 14: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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4.1.3 Cálculo del Gasto Pico

Para determinar este tipo de escurrimiento se utilizará la fórmula Racional, la cual es uno de los modelos lluvia

escurrimiento más antiguos (1889), y de los más utilizados en la actualidad. Se considera que el gasto máximo o

pico se alcanza cuando la precipitación se mantiene con una intensidad constante durante un tiempo igual al

tiempo de concentración. La fórmula Racional es:

α1ciAQ

donde:

Q = gasto en m3/s

i = intensidad de lluvia en mm/hr

A=Área en ha

α = factor de conversión ( 360 )

Tabla A5 Coeficientes de Escurrimiento

Tipo de área Coeficiente “C”Residencial

Áreas unifamiliares 0.30 – 0.50

Unidades múltiples separadas 0.40 – 0.60

Unidades múltiples conectadas 0.60 – 0.75

Áreas departamentales 0.50 – 0.70

Techos 0.75 – 0.95

Casa habitación 0.50 – 0.70

Comercial

Centro de la ciudad 0.70 – 0.95

Fuera del centro de la ciudad 0.50 – 0.70

Techos 0.75 – 0.95

Industrial

Ligera 0.50 – 0.80

Pesada 0.60 – 0.90

Techos 0.75 – 0.95

Calles

Asfalto 0.70 – 0.95

Concreto 0.80 – 0.95

Adoquín 0.70 – 0.85

Aceras y andadores 0.75 – 0.85

Terracerías 0.25 – 0.60

Parques, jardines, prados

Suelo arenoso plano < o = a 2% 0.05 - 0.10

Suelo arenoso pendiente de 2 a 7% 0.10 – 0.15

Suelo arenoso pendiente de 7% o mayor 0.15 – 0.20

Suelo arcilloso plano < o = a 2% 0.13 – 0.17

Suelo arcilloso pendiente 2 a 7% 0.18 – 0.22

Suelo arcilloso pendiente de 7% o mayor 0.25 – 0.35

Áreas no urbanizadas 0.10 – 0.30

Áreas de monte o bosque según su

pendiente y características del suelo

0.01 – 0.20

)6.1(

Page 15: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

15

5. CORRIDAS DEL MODELO

Una vez realizados los cálculos correspondientes, se procede al análisis y discusión de los resultados obtenidos

con el escenario actual y proyectado. También se describe el cambio en las condiciones de escurrimiento y el

diferencial de gastos.

Cuadro 5.1. Resultados

Parámetro SIN PROYECTO CON PROYECTO DIFERENCIAL

Q

Qp

6. CONCLUSIONES

Es la evaluación general de los resultados obtenidos en base a una modelación lluvia – escurrimiento, con el

objetivo de determinar la modificación en las condiciones hidrológicas del terreno a partir del cambio de uso de

suelo, ya sea para urbanización o cualquier otro tipo de proyección a futuro en el terreno. También se

mencionan las zonas susceptibles a presentar problemas relacionados al aumento en las crecientes, los cuales

pueden ser inundaciones, encharcamientos, desbordamiento en estructuras de retención o conducción, falla de

talud debido al reblandecimiento del terreno en laderas de cerros o cualquier otro tipo de efectos adversos

relacionados a los fenómeno de precipitación pluvial.

7. NORMATIVA

El estudio hidrológico deberá de someterse a una validación técnica por parte de las instancias competentes en

el uso y gestión de los recursos hídricos en la Zona Metropolitana de Querétaro, las cuales son la Comisión

Estatal de Aguas (CEA) y la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA). Estas tendrán la facultad de realizar

recomendaciones en dicho documento. Sin embargo será necesario considerar los convenios

interinstitucionales a nivel municipal, estatal y federal en lo que respecta a los términos de referencia para su

uso en obras públicas o privadas.

Page 16: Lineamientos Para Estudios Hidrologicos

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REALIZADO POR:

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO

FACULTAD DE INGENIERÍA

POSGRADO EN INGENIERÍA DE RECURSOS

HÍDRICOS Y AMBIENTAL

Dr. Eusebio Jr. Ventura Ramos

Ing. David Hernández Castrejón

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

-Urban Hydrology for Small Watersheds-(TR-55), Natural Resources Conservation Service- Conservation Engineering

Division, 1986