metodologia de estudio hidrologico

Antigua Guatemala, del 5 al 9 de Junio de 2006Antigua Guatemala, del 5 al 9 de Junio de 2006 11

Metodología de Estudio Hidrológico para Metodología de Estudio Hidrológico para ElaborarElaborar

Mapas de Amenazas por Inundación.Mapas de Amenazas por Inundación.

En casos en los que no se tiene datos En casos en los que no se tiene datos hidrométricos en el sitio de estudio.hidrométricos en el sitio de estudio.

Jornadas Iberoamericanas sobre Jornadas Iberoamericanas sobre Inundaciones y Desastres NaturalesInundaciones y Desastres Naturales

Miguel Blanco ChávezMiguel Blanco ChávezUniversidad Nacional de Ingeniería, Nicaragua.Universidad Nacional de Ingeniería, Nicaragua.

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IntroducciónIntroducción En los proyectos de elaboración de En los proyectos de elaboración de

mapas de amenazas naturales, en los mapas de amenazas naturales, en los cuales se incluye amenazas por cuales se incluye amenazas por inundación, se requiere hacer el inundación, se requiere hacer el estudio hidrológico de los cursos de estudio hidrológico de los cursos de agua que están en el área de interés.agua que están en el área de interés.

La profundidad del estudio estará en La profundidad del estudio estará en función del área de interés, que para el función del área de interés, que para el caso de áreas urbanas, es necesario el caso de áreas urbanas, es necesario el máximo detalle posible por las vidas máximo detalle posible por las vidas humanas y la posible afectación de la humanas y la posible afectación de la infraestructura .infraestructura .

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IntroducciónIntroducción La metodología que se presenta se La metodología que se presenta se

propone para ser aplicada en los sitios propone para ser aplicada en los sitios donde no se dispone de información donde no se dispone de información hidrométrica de los cursos de agua que hidrométrica de los cursos de agua que están en el área de interés.están en el área de interés.

Esta fue aplicada en el “Proyecto Esta fue aplicada en el “Proyecto Elaboración de Mapas de Riesgos Elaboración de Mapas de Riesgos Naturales en Tres Zonas de Naturales en Tres Zonas de Intervención del PRRAC”, en Nicaragua Intervención del PRRAC”, en Nicaragua en el año 2002, ejecutado por la Unión en el año 2002, ejecutado por la Unión Europea y el INETER.Europea y el INETER.

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IntroducciónIntroducciónEsta metodología también ha sido Esta metodología también ha sido

incluida en la publicación “Mapas incluida en la publicación “Mapas de Amenazas por Inundaciones de Amenazas por Inundaciones Fluviales, Recomendaciones Fluviales, Recomendaciones Técnicas para su elaboración”, del Técnicas para su elaboración”, del proyecto MET-ALARN ejecutado proyecto MET-ALARN ejecutado por INETER/COSUDE y publicadas por INETER/COSUDE y publicadas en Agosto del año 2005.en Agosto del año 2005.

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Estudio HidrológicoEstudio Hidrológico Las etapas del estudio comprenden:Las etapas del estudio comprenden: Definición del área de estudioDefinición del área de estudio Recopilación de la información Recopilación de la información

necesarianecesaria Análisis de la información Análisis de la información

meteorológicameteorológica Análisis de la información hidrométricaAnálisis de la información hidrométrica Calibración de un modelo para las Calibración de un modelo para las

cuencas en estudio.cuencas en estudio. Simulación de los hidrogramas de Simulación de los hidrogramas de

crecidascrecidas

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Estudio HidrológicoEstudio Hidrológico Objetivo del Estudio Hidrológico:Objetivo del Estudio Hidrológico: Calcular los caudales para cada uno de Calcular los caudales para cada uno de

los cauces y tramos considerados en el los cauces y tramos considerados en el área de estudio, a partir de datos de área de estudio, a partir de datos de precipitación existentes.precipitación existentes.

Los caudales calculados están asociados a Los caudales calculados están asociados a los eventos de lluvia utilizados para su los eventos de lluvia utilizados para su cálculo y pueden, por lo tanto, clasificarse cálculo y pueden, por lo tanto, clasificarse en función de su probabilidad de en función de su probabilidad de ocurrencia.ocurrencia.

Este estudio es una Modelación Este estudio es una Modelación Hidrológica.Hidrológica.

77

Definición del área de estudioDefinición del área de estudio El área de estudio de un proyecto de El área de estudio de un proyecto de

mapas de amenazas comprende las mapas de amenazas comprende las áreas de interés para los municipios, áreas de interés para los municipios, en las cuales hay zonas pobladas o en las cuales hay zonas pobladas o existen zonas de desarrollo poblacional existen zonas de desarrollo poblacional de alguna actividad económica.de alguna actividad económica.

Desde el punto de vista hidrológico, el Desde el punto de vista hidrológico, el área de estudio se extiende a toda la área de estudio se extiende a toda la cuenca hidrográfica de los cauces de cuenca hidrográfica de los cauces de los ríos que afectan de alguna forma el los ríos que afectan de alguna forma el área de interés.área de interés.

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Definición del área de estudioDefinición del área de estudio En el caso que los ríos de interés que En el caso que los ríos de interés que

no tengan información hidrométrica, se no tengan información hidrométrica, se deberá ampliar la zona de estudios deberá ampliar la zona de estudios hidrológicos a otros ríos cercanos a hidrológicos a otros ríos cercanos a nuestra zona, con el objeto de que nuestra zona, con el objeto de que sirvan para extrapolar la información sirvan para extrapolar la información obtenida de ellos.obtenida de ellos.

Las cuencas de estos ríos deberán Las cuencas de estos ríos deberán tener características hidrográficas y tener características hidrográficas y climáticas similares, para que esta climáticas similares, para que esta extrapolación sea válida.extrapolación sea válida.

99

Recolección de la información necesariaRecolección de la información necesaria

Una vez definida las zonas de interés, se Una vez definida las zonas de interés, se buscan y recolectan los datos buscan y recolectan los datos meteorológicos e hidrométricos en forma meteorológicos e hidrométricos en forma de series de tiempo. de series de tiempo.

Esta información esta disponible en el Esta información esta disponible en el INETER, pero no siempre es continua en INETER, pero no siempre es continua en el tiempo. el tiempo.

Se buscan los mapas topográficos, de Se buscan los mapas topográficos, de usos de suelo y fotografías aéreas de la usos de suelo y fotografías aéreas de la zona de estudio para definir la extensión zona de estudio para definir la extensión del área de estudio.del área de estudio.

1010


Los datos meteorológicos comprenden:Los datos meteorológicos comprenden: Precipitación diaria, mensual y anual.Precipitación diaria, mensual y anual. Precipitación máxima diariaPrecipitación máxima diaria Precipitación de corta duración Precipitación de corta duración

(Intensidades máximas anuales para (Intensidades máximas anuales para diferentes duraciones)diferentes duraciones)

Para eventos extremos precipitación Para eventos extremos precipitación horariahoraria

Evaporación Evaporación TemperaturaTemperatura

1111


Los datos hidrométricos comprenden:Los datos hidrométricos comprenden: Caudales diarios, mensuales y anuales.Caudales diarios, mensuales y anuales. Caudales máximos instantáneos anualesCaudales máximos instantáneos anuales Para eventos extremos caudales horariosPara eventos extremos caudales horarios

Estos datos corresponden a los ríos de las Estos datos corresponden a los ríos de las cuencas vecinas de la cuenca de estudio.cuencas vecinas de la cuenca de estudio.

1212

Análisis de la información meteorológicaAnálisis de la información meteorológica

El objetivo del análisis de la El objetivo del análisis de la información meteorológica es información meteorológica es determinar las características determinar las características climáticas de la zona en estudio, climáticas de la zona en estudio, principalmente la pluviométrica, principalmente la pluviométrica, que es el factor mas relevante.que es el factor mas relevante.

1313


Precipitación AnualPrecipitación Anual:: A las estaciones que A las estaciones que registran precipitación se les estima los registran precipitación se les estima los valores de precipitación anual con el valores de precipitación anual con el objeto de observar y establecer los objeto de observar y establecer los periodos lluviosos y secos que se han periodos lluviosos y secos que se han presentado en el registro. presentado en el registro.

Esto se hace graficando la lluvia anual Esto se hace graficando la lluvia anual contra el tiempo (años), en estos contra el tiempo (años), en estos gráficos se pueden observar los años gráficos se pueden observar los años secos y los húmedos y estimar cada secos y los húmedos y estimar cada cuanto se repiten estos periodos (ciclos cuanto se repiten estos periodos (ciclos multi-anuales).multi-anuales).

1414


Esos ciclos se comparan con los ciclos Esos ciclos se comparan con los ciclos del fenómeno El Niño para establecer si del fenómeno El Niño para establecer si hay coincidencia, aunque no siempre hay coincidencia, aunque no siempre es así.es así.

Estación Managua (ACS) 69027

0200

400600800

1000

120014001600

18002000

1960

1962

1964

1966

1968

1970

1972

1974

1976

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1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

Años

Prec

ipita

cion

Anu

al (m

m) Serie Anual

1515


La precipitación anual de cada estación La precipitación anual de cada estación se compara con las curvas Isoyetas se compara con las curvas Isoyetas Medias Anuales disponibles en el Medias Anuales disponibles en el INETER (Atlas Climático) para controlar INETER (Atlas Climático) para controlar la calidad de la información adquirida.la calidad de la información adquirida.

Dichas curvas muestran la variación Dichas curvas muestran la variación espacial de la precipitación media espacial de la precipitación media anual sobre el área del proyecto, anual sobre el área del proyecto, indicando los sitios con mayor indicando los sitios con mayor precipitación. Esta variación puede precipitación. Esta variación puede obedecer a los efectos ortográficos.obedecer a los efectos ortográficos.

1616


Precipitación MensualPrecipitación Mensual: Los datos de : Los datos de precipitación media mensual indican la precipitación media mensual indican la distribución de las lluvias en el año, distribución de las lluvias en el año, cuales son los meses más lluviosos y cuales son los meses más lluviosos y los menos lluviosos. los menos lluviosos.

Nos permiten comparar el régimen de Nos permiten comparar el régimen de lluvia en los diferentes puntos de la lluvia en los diferentes puntos de la zona o región estudiada.zona o región estudiada.

1717


1818


Precipitación Máxima DiariaPrecipitación Máxima Diaria:: de de la serie la serie de precipitación diaria se obtiene la de precipitación diaria se obtiene la serie máxima diaria.serie máxima diaria.

A estas series se les hace un análisis A estas series se les hace un análisis de frecuencia, con el objeto de estimar de frecuencia, con el objeto de estimar los valores de precipitación máxima los valores de precipitación máxima diaria (24 horas) para diferentes diaria (24 horas) para diferentes periodos de retorno.periodos de retorno.

El análisis se puede hacer con la El análisis se puede hacer con la función de distribución Gumbel o con la función de distribución Gumbel o con la Pearson, la que mejor se ajuste a los Pearson, la que mejor se ajuste a los datos.datos.

1919


Esta estimación permite comparar los Esta estimación permite comparar los valores de precipitación máxima diaria valores de precipitación máxima diaria de las diferentes estaciones y de las diferentes estaciones y determinar si hay diferencias en dicho determinar si hay diferencias en dicho valor entre una estación y otra. valor entre una estación y otra.

También se pueden trazar isolíneas de También se pueden trazar isolíneas de precipitación máxima diaria, con las precipitación máxima diaria, con las que se obtendría la distribución que se obtendría la distribución espacial de la misma.espacial de la misma.

2020


Intensidades máximasIntensidades máximas:: Es necesario el análisis de frecuencias de Es necesario el análisis de frecuencias de

las series de intensidades máximas las series de intensidades máximas anuales de precipitación. anuales de precipitación.

Los datos se agrupan para diferentes Los datos se agrupan para diferentes duraciones de lluvia (15, 30, 60, 90, 120 duraciones de lluvia (15, 30, 60, 90, 120 y 360 minutos) y se analizan con la y 360 minutos) y se analizan con la función de distribución de probabilidad función de distribución de probabilidad Gumbel, para obtener las intensidades Gumbel, para obtener las intensidades máximas de precipitación con diferentes máximas de precipitación con diferentes periodos de retorno.periodos de retorno.

2121

Análisis de la información meteorológicaAnálisis de la información meteorológica A partir de ellos se obtienen las curvas A partir de ellos se obtienen las curvas

IDF (intensidad, duración, frecuencia), IDF (intensidad, duración, frecuencia), como las mostradas en la figura.como las mostradas en la figura.

Curvas IDF EstacionPeriodo 1970 -2000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 3 6 9 12

Duracion (h)

Inte

nsid

ad (m

m/h

)

T = 10 T = 20 T = 50 T = 100 T = 200

2222


Las IDF sirven para obtener las curvas Las IDF sirven para obtener las curvas PDF (profundidad, duración, PDF (profundidad, duración, frecuencia) de la estación limnigráfica, frecuencia) de la estación limnigráfica, como las mostradas en la figura.como las mostradas en la figura.

Curvas PDF EstacionPeriodo 1970 -2000

020406080

100120140160180200

0 3 6 9 12

Duracion (h)

Prec

ipita

cion

(mm

)

T = 10 T = 20 T = 50 T = 100 T = 200

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Análisis de la información meteorológicaAnálisis de la información meteorológica Estas últimas permiten estimar el Estas últimas permiten estimar el

hietograma para tormentas hipotéticas de hietograma para tormentas hipotéticas de diferentes duraciones y con periodos de diferentes duraciones y con periodos de retorno dado. La figura muestra un retorno dado. La figura muestra un hietograma para una lluvia de 12 horas hietograma para una lluvia de 12 horas de duración y un T = 200 años.de duración y un T = 200 años.

Tormenta T =100

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5Tiempo(h)

Prec

ipita

ción

(mm

)

2424

Análisis de la información hidrométricaAnálisis de la información hidrométrica

Dado que en el sitio de estudio no hay Dado que en el sitio de estudio no hay información hidrométrica, se deberá información hidrométrica, se deberá estudiar los registros de caudales de estudiar los registros de caudales de los ríos de cuencas vecinas, los que los ríos de cuencas vecinas, los que servirán para hacer la extrapolación de servirán para hacer la extrapolación de los parámetros de calibración los parámetros de calibración hidrológica, a la cuenca de estudio. hidrológica, a la cuenca de estudio.

El análisis a realizar es el descrito a El análisis a realizar es el descrito a continuación.continuación.

2525


Cuando en un sitio de estudio exista la Cuando en un sitio de estudio exista la serie de caudales máximos anuales, los serie de caudales máximos anuales, los caudales del estudio se obtienen por caudales del estudio se obtienen por medio del análisis de frecuencia con medio del análisis de frecuencia con una función teórica como la de Gumbel una función teórica como la de Gumbel (EVI) o la Pearson, la que mejor se (EVI) o la Pearson, la que mejor se ajuste a los datos de la serie.ajuste a los datos de la serie.

2626


Se obtienen los caudales máximos que Se obtienen los caudales máximos que se pueden presentar con diferentes se pueden presentar con diferentes periodos de retorno.periodos de retorno.

Tomando en cuenta que la longitud del Tomando en cuenta que la longitud del registro de caudales en nuestras zonas registro de caudales en nuestras zonas es corto, hay que tener precaución en es corto, hay que tener precaución en los valores estimados.los valores estimados.

Estos pueden ser comparados con los Estos pueden ser comparados con los caudales de curvas envolventes caudales de curvas envolventes regionales.regionales.

2727


La figura muestra una curva envolvente La figura muestra una curva envolvente de caudales máximos instantáneos, con la de caudales máximos instantáneos, con la cual se podría tener una idea del caudal cual se podría tener una idea del caudal según el tamaño de la cuenca.según el tamaño de la cuenca.

2828


Es posible establecer relaciones entre Es posible establecer relaciones entre los caudales máximos registrados en los caudales máximos registrados en las diferentes cuencas vecinas con las las diferentes cuencas vecinas con las áreas de drenaje. áreas de drenaje.

Se construyen graficas caudal versus Se construyen graficas caudal versus área de drenaje , obteniendo las curvas área de drenaje , obteniendo las curvas envolventes de caudales, para envolventes de caudales, para diferentes periodos de retorno.diferentes periodos de retorno.

2929


Con estas graficas se puede hacer un Con estas graficas se puede hacer un estimado preliminar de las crecidas estimado preliminar de las crecidas probables (instantáneas) esperadas en probables (instantáneas) esperadas en la misma región geográfica para la la misma región geográfica para la zona de estudio.zona de estudio.

3030


La comparación de los caudales La comparación de los caudales registrados en estaciones de registrados en estaciones de aforos de cuencas sobre el mismo aforos de cuencas sobre el mismo río y en ríos de la región, nos río y en ríos de la región, nos permiten visualizar la consistencia permiten visualizar la consistencia de los datos obtenidos.de los datos obtenidos.

3131

Calibración de un modelo para las cuencas Calibración de un modelo para las cuencas en estudio.en estudio.

Del análisis de las características de las Del análisis de las características de las cuencas vecinas al sitio de estudio, se cuencas vecinas al sitio de estudio, se seleccionan aquellas que tengan seleccionan aquellas que tengan registros hidrométricos y tamaño de registros hidrométricos y tamaño de cuenca similares a la del sitio de cuenca similares a la del sitio de estudio. estudio.

Estas cuencas deberán tener Estas cuencas deberán tener condiciones climáticas, uso de suelo y condiciones climáticas, uso de suelo y tipo de suelo similar a la del estudio. tipo de suelo similar a la del estudio. Así el régimen de flujo será consistente Así el régimen de flujo será consistente con la del río del estudio.con la del río del estudio.

3232


La calibración del modelo hidrológico La calibración del modelo hidrológico se realiza para eventos extremos, dado se realiza para eventos extremos, dado que son los que producen que son los que producen desbordamiento e inundaciones.desbordamiento e inundaciones.

Se requiere seleccionar los eventos que Se requiere seleccionar los eventos que tengan disponibles los datos de lluvia tengan disponibles los datos de lluvia (tormenta extrema) y los datos de (tormenta extrema) y los datos de caudal (hidrograma de crecidas).caudal (hidrograma de crecidas).

3333


Los datos de precipitación consisten en Los datos de precipitación consisten en precipitación horaria (hietograma) obtenida precipitación horaria (hietograma) obtenida de los pluviogramas y la precipitación diaria de los pluviogramas y la precipitación diaria obtenida de los pluviómetros de la zona o obtenida de los pluviómetros de la zona o cercanos a la cuenca en estudio.cercanos a la cuenca en estudio.

Los datos de caudal consisten en caudales Los datos de caudal consisten en caudales horarios del hidrograma de crecida del evento horarios del hidrograma de crecida del evento extremo. Se obtienen a partir de los niveles extremo. Se obtienen a partir de los niveles registrados por los limnigrafos en las registrados por los limnigrafos en las estaciones de aforo y su curva de descarga.estaciones de aforo y su curva de descarga.

3434


Se determinan las características Se determinan las características físicas de la cuenca: área de drenaje, físicas de la cuenca: área de drenaje, longitud y pendiente del río hasta la longitud y pendiente del río hasta la estación de aforos, tiempo de estación de aforos, tiempo de concentración, etc.concentración, etc.

Con el hietograma de la tormenta Con el hietograma de la tormenta extrema, su hidrograma de crecida y extrema, su hidrograma de crecida y las características físicas de la cuenca las características físicas de la cuenca se procede a la calibración del modelo se procede a la calibración del modelo hidrológico.hidrológico.

3535


Esta consiste en determinar los Esta consiste en determinar los parámetros del modelo que parámetros del modelo que reproduce un hidrograma similar reproduce un hidrograma similar al hidrograma observado, dando al hidrograma observado, dando mayor énfasis al caudal máximo.mayor énfasis al caudal máximo.

Un modelo que puede ser utilizado Un modelo que puede ser utilizado es el HMS, que presenta varios es el HMS, que presenta varios métodos para la calibración.métodos para la calibración.

3636


Una vez calibrado el modelo, se procede a la Una vez calibrado el modelo, se procede a la verificación de la calibración, que consiste en verificación de la calibración, que consiste en simular otro evento extremo observado en la simular otro evento extremo observado en la misma cuenca, con los datos de precipitación misma cuenca, con los datos de precipitación registrados.registrados.

3737


Si el hidrograma simulado se ajusta bastante Si el hidrograma simulado se ajusta bastante bien al hidrograma observado, el modelo ha sido bien al hidrograma observado, el modelo ha sido bien calibrado, de lo contrario deberá regresarse bien calibrado, de lo contrario deberá regresarse a la calibración y repetir el proceso.a la calibración y repetir el proceso.

La verificación se puede hacer, si hay datos La verificación se puede hacer, si hay datos disponibles, para dos o tres eventos extremos.disponibles, para dos o tres eventos extremos.

Deben tomarse en cuenta las condiciones Deben tomarse en cuenta las condiciones antecedentes de humedad del suelo en el proceso antecedentes de humedad del suelo en el proceso de calibración y verificación.de calibración y verificación.

La calibración del modelo se concluye cuando se La calibración del modelo se concluye cuando se obtienen resultados satisfactorios.obtienen resultados satisfactorios.

3838

Simulación de los hidrogramas de crecidasSimulación de los hidrogramas de crecidas

Una vez calibrado el modelo Una vez calibrado el modelo hidrológico se procede a la hidrológico se procede a la simulación del caudal máximo simulación del caudal máximo asociado a una tormenta hipotética asociado a una tormenta hipotética para diferentes periodos de para diferentes periodos de retorno, en la cuenca del sitio de retorno, en la cuenca del sitio de estudio.estudio.

3939


El hietograma de la tormenta El hietograma de la tormenta hipotética se construye a partir de las hipotética se construye a partir de las curvas PDF obtenidas en el análisis de curvas PDF obtenidas en el análisis de frecuencia de las intensidades máximas frecuencia de las intensidades máximas anuales.anuales. Tormenta T =100

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5

Tiem po(h)

Prec

ipita

ción

(mm

)

4040

Simulación de los hidrogramas de crecidasSimulación de los hidrogramas de crecidas Este histograma es el perfil critico de la Este histograma es el perfil critico de la

lluvia, representa las condiciones más lluvia, representa las condiciones más extremas que podrían presentarse en extremas que podrían presentarse en el sitio y es utilizado en la simulación el sitio y es utilizado en la simulación de los caudales máximos.de los caudales máximos.

Se definen diferentes duraciones de la Se definen diferentes duraciones de la tormenta hipotética, para simular los tormenta hipotética, para simular los caudales máximos, la duración de la caudales máximos, la duración de la lluvia que de el máximo caudal es el lluvia que de el máximo caudal es el seleccionado como la duración de la seleccionado como la duración de la tormenta hipotética.tormenta hipotética.

4141


El periodo de retorno de la El periodo de retorno de la tormenta hipotética se define en tormenta hipotética se define en función de la importancia del función de la importancia del estudio. Para el estudio de áreas estudio. Para el estudio de áreas de inundación se toman los de inundación se toman los periodos de retorno de 10, 50 y periodos de retorno de 10, 50 y 200 años (El PRRAC tomó 10, 100 200 años (El PRRAC tomó 10, 100 y 500 años).y 500 años).

4242


Los caudales Los caudales simulados con el simulados con el modelo hidrológico modelo hidrológico calibrado se utilizan calibrado se utilizan posteriormente en la posteriormente en la simulación hidráulica simulación hidráulica para obtener las para obtener las áreas inundadas y áreas inundadas y los niveles de los niveles de amenazas.amenazas.

4343

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