CARACTERIZACIÓN MORFOMÉTRICA, … · MODELACION HIDRAULICA ... 7.2 Modelación de la Sección de...
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FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS BOGOTÁ D.C – 2015 CARACTERIZACIÓN MORFOMÉTRICA, MODELACIÓN HIDROLÓGICA Y MODELACIÓN HIDRÁULICA PARA LA CUENCA DEL CAUCE EN LA URBANIZACIÓN CIUDAD BLANCA, DEL MUNICIPIO SAN GIL, DEPARTAMENTO DE SANTANDER, MEDIANTE EL USO DE LAS HERRAMIENTAS HEC-GEOHMS Y HEC-GEORAS EDWIN ANTONIO ORTIZ HIGUERA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
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FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS
BOGOTÁ D.C – 2015
CARACTERIZACIÓN MORFOMÉTRICA, MODELACIÓN HIDROLÓGICA Y
MODELACIÓN HIDRÁULICA PARA LA CUENCA DEL CAUCE EN LA
URBANIZACIÓN CIUDAD BLANCA, DEL MUNICIPIO SAN GIL, DEPARTAMENTO
DE SANTANDER, MEDIANTE EL USO DE LAS HERRAMIENTAS
HEC-GEOHMS Y HEC-GEORAS
EDWIN ANTONIO ORTIZ HIGUERA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS
BOGOTÁ D.C – 2015
CARACTERIZACIÓN MORFOMÉTRICA, MODELACIÓN HIDROLÓGICA Y
MODELACIÓN HIDRÁULICA PARA LA CUENCA DEL CAUCE EN LA
URBANIZACIÓN CIUDAD BLANCA, DEL MUNICIPIO SAN GIL, DEPARTAMENTO
DE SANTANDER, MEDIANTE EL USO DE LAS HERRAMIENTAS
HEC-GEOHMS Y HEC-GEORAS
EDWIN ANTONIO ORTIZ HIGUERA
Trabajo de grado para obtener el título de especialista en Recursos Hídricos.
ASESOR: JORGE VALERO FANDIÑO
INGENIERO CIVIL, MSC.
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
Nota de aceptación
Presidente del Jurado
Jurado
Jurado
Bogotá D.C., Junio de 2015.
Dedicatoria
Dedico este trabajo en primer lugar a Dios quien me fortaleció y me permitió con su bendición
sacar adelante este proyecto. A mi familia Sammy, Evoleth y Emmanuel quienes con su apoyo y
colaboración hicieron posible la finalización de esta etapa de mi vida.
Agradecimientos
Especial agradecimiento al Ingeniero Jorge Alberto Valero Fandiño, por su valiosa instrucción y
asistencia, con las cuales fue posible el desarrollo y presentación del presente trabajo de
grado.
A la Universidad Católica de Colombia, donde se recibió los conocimientos y asesoría, a través
de sus reconocidos educadores quienes nos dedicaron su valioso tiempo durante la etapa de
formación académica.
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 14
1. GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO ................................................ 15
1.1 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ............................................................................... 15
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................ 15
1.2.1 Antecedentes del problema ................................................................................. 15
1.2.2 Pregunta de investigación ................................................................................... 15
1.3 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................... 15
1.4 HIPÓTESIS ............................................................................................................ 16
1.5 OBJETIVOS ........................................................................................................... 16
1.5.1 Objetivo general ................................................................................................. 16
1.5.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 16
2. MARCOS DE REFERENCIA ................................................................................ 17
2.1 MARCO CONCEPTUAL ....................................................................................... 17
2.1.1 Cuenca Hidrográfica ........................................................................................... 17
2.1.2 Longitud del flujo superficial ............................................................................. 17
2.1.3 Longitud de la corriente ...................................................................................... 18
2.1.4 Pendiente del canal ............................................................................................. 18
2.1.5 Método Racional ................................................................................................ 18
2.1.6 Curvas de intensidad-duración-frecuencia .......................................................... 21
2.1.7 Cálculo de curvas IDF por el método simplificado .............................................. 22
2.2 MARCO GEOGRÁFICO ....................................................................................... 23
2.2.1 Localización físico-espacial del Municipio de San Gil, Santander ....................... 23
2.3 MARCO DEMOGRÁFICO .................................................................................... 24
2.3.1 Determinación del Nivel de Complejidad ........................................................... 24
2.3.2 Horizonte de Diseño del Periodo de Retorno ...................................................... 24
2.3.3 Proyecciones de Población ................................................................................. 24
2.4 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................. 26
3. METODOLOGÍA ................................................................................................... 29
3.1 FASES DEL TRABAJO DE GRADO .................................................................... 29
3.1.1 FASE I: Recopilación de Datos .......................................................................... 29
3.1.2 FASE II: Procesamiento de datos ....................................................................... 29
3.1.3 FASE III: Modelacion con Programa HEC-HMS y Programa HEC-RAS ........... 29
4. ANÁLISIS HIDROLÓGICO E HIDRAULICO .......................................................... 30
4.1 Información Hidrometeorológica .............................................................................. 30
4.2 Precipitación ............................................................................................................. 30
4.3 Análisis de Datos Dudosos ........................................................................................ 31
4.4 Análisis de la Variación Temporal de la Precipitación ............................................... 33
4.5 Parámetros de Diseño ................................................................................................ 34
4.6 Áreas de drenaje........................................................................................................ 34
4.7 Caudal de diseño ....................................................................................................... 34
4.9 Hietograma de Diseño ............................................................................................... 36
4.9.1 Incrementos Arreglados de Lluvias Puntuales ..................................................... 36
4.9.2 Precipitaciones Totales del Área de Diseño ........................................................ 37
4.9.3 Tormenta de Diseño para diferentes Periodos de Retorno ................................... 38
4.10 Calculo de Caudal ................................................................................................... 38
4.10.1 Tiempos de Concentración ............................................................................... 38
4.10.2 Caudal de Diseño ............................................................................................. 39
5. MODELACION HIDROLOGICA .............................................................................. 41
5.1 Área de studio ........................................................................................................... 41
5.2 Aplicación del sistema de información geográfica Arcgis .......................................... 41
5.3 Aplicación Modelo HEC – HMS ............................................................................... 42
5.4 Resultado de la modelación programa HEC – HMS .................................................. 42
6. MODELACION HIDRAULICA................................................................................. 45
6.1 Area de studio ........................................................................................................... 45
6.2 Aplicación del sistema de información geográfica Arcgis .......................................... 45
6.3 Aplicación Modelo HEC – RAS ................................................................................ 46
7. CANALIZACION DEL CAUCE ................................................................................ 49
7.1 Diseño Económico por Caudal .................................................................................. 49
7.2 Modelación de la Sección de Máxima Eficiencia en H-CANALES ........................... 50
7.3 Modelación de la Sección de para un régimen de flujo sub critico en H-CANALES .. 51
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 52
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 54
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Localización General ............................................................................................ 23
Figura 2.2 Comportamiento de las Proyecciones de Población Para la Urbanizacion Ciudad
Blanca. .......................................................................................................................... 25
Figura 4.1 Análisis de Datos Dudosos de la Estación Mamonal ............................................. 33
Figura 4.2 Histograma de Precipitación-Estación EL MAMONAL ....................................... 33
Figura 4.3 Grafica de las Curvas IDF Sintéticas. ................................................................... 36
Figura 4.4 Tormenta de Diseño. ............................................................................................ 37
Figura 5.1. Área seleccionada para realización de modelación............................................... 41
Figura 5.2 Hidrógrafa de salida para el área de estudio. ......................................................... 43
Figura 5.3 Caudal Punta de salida para el área de estudio. ..................................................... 43
Figura 6.1 Área seleccionada para realización de modelación................................................ 46
Figura 6.2 Flujo a través de las secciones transversales. ........................................................ 47
Figura 6.3 Flujo a través del perfil longitudinal desde la sección 250 hasta la sección 50. ..... 47
Figura 7.1 Geometría de Sección Trapezoidal Resultante. ..................................................... 49
Figura 7.2 Geometría de Sección Rectangular Resultante. ..................................................... 49
Figura 7.3 Geometría de Sección Triangular Resultante ........................................................ 50
Figura 7.4 Geometría de Sección de Máxima Eficiencia ........................................................ 50
Figura 7.5 Geometría de la Sección Definitiva ...................................................................... 51
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Valores del coeficiente de escorrentía en áreas rurales .......................................... 19
Tabla 2.2 Valores del coeficiente de escorrentía en áreas urbanas .......................................... 20
Tabla 2.3 Ecuaciones Utilizadas ............................................................................................ 21
Tabla 2.4 Lineamientos para Obtencion Minima de las Curvas IDF. ..................................... 22
Tabla 2.5 Valores de los coeficientes a, b, c y d para el cálculo de las curvas Intensidad –
Duración – Frecuencia, IDF para Colombia. .................................................................. 23
Tabla 2.6 Periodos de retorno de diseño en obras de drenaje vial. .......................................... 24
Tabla 2.7 Proyecciones de Población Para la Urbanizacion Ciudad Blanca. ......................... 25
Tabla 2.8 Asignación del Nivel de Complejidad según el RAS.............................................. 26
Tabla 4.1 Estaciones utilizadas para caracterizar la precipitación en el área de estudio. ......... 30
Tabla 4.2 Datos Pluviométricos............................................................................................. 31
Tabla 4.3 Análisis de Datos Dudosos de la Estación El Mamonal. ......................................... 32
Tabla 4.4 Resumen deDatos de la Precipitación Histórica Disponible ................................... 35
Tabla 4.5 Parámetros Obtenidos para la Región del área de Estudio. ..................................... 35
Tabla 4.6 Datos Obtenidos para la Gráfica de las Curvas IDF Sintéticas. .............................. 35
Tabla 4.7 Condiciones Morfológicas – Cuenca en Estudio .................................................... 39
Tabla 4.8 Tiempos de Concentración – Diferentes Métodos .................................................. 39
Tabla 4.9 Caudales Calculados. ............................................................................................. 40
12
RESUMEN
En este trabajo se presentan los resultados obtenidos del caudal pico y cotas de inundación
teniendo en cuenta las características morfométricas de la cuenca de la Cauce seco en la
Urbanizacion Ciudad Blanca, del municipio de San Gil del departamento de Santander cuya área
es de 145.9 Ha, aplicando las herramientas HEC – GEOHMS y HEC-GEORAS.
El estudio ha sido abordado teniendo en cuenta los aspectos referidos a la hidrometereología,
relieve, morfometría, clima y disponibilidad del agua. Estos datos se tomaran de información
del I n s t i t u t o d e H i d r o l o g í a , M e t e o r o l o g í a y E s t u d i o s A m b i e n t a l e s
( IDEAM) y un levantamiento topografico de la zona de estudio.
Palabras clave:
Caracterización Morfométrica, Cuencas Hidrográficas, HEC-GEOHMS,
H E C - G E O R A S Precipitación, Caudal Pico, cotas de inundación.
13
ABSTRACT
In this paper the results of peak flow and flood levels are presented taking into
account the morphometric characteristics of the watershed of the Cauce seco in the
urbanization Ciudad Blanca , municipality of San Gil Santander department whose
area is 145.9 ha, applying GEOHMS and HEC- GEORAS
The study has been approached considering matters relating to the
Hydrometeorology, relief, morphometry , climate and water availability. These data
were taken from Institute of Hydrology, Meteorology and Environmental Studies
(IDEAM) information and topographic survey of the area studio .
Keywords:
Morphometric characterization , Watershed , HEC - GEOHMS , HEC - GEORAS
rainfall , peak flow , flood levels .
14
INTRODUCCIÓN
En el caso del presente trabajo, se muestra una caracterización hidrológica y una
caracterización hidráulica del cau ce en donde se evidenció zonas afectadas en el
municipio de San Gil, específicamente en el barrio ciudad blanca, donde en la temporada
de lluvias, éstas escurren y se dirijen a las viviendas que se encuentran aguas abajo de la
corriente en estudio, él cual termina en un punto de control muy estrecho, con aumento
de la velocidad y de la profundidad, ocasionando una potencial erosión lateral y de esta
manera se ponga en riesgo las zonas de conservación de suelo dispuestas.
15
1. GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO
1.1 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
Esta temática se inscribe en la línea de “Saneamiento de comunidades”, avalada por la
Universidad Católica de Colombia, toda vez que al realizar este estudio, se pueden
caracterizar e identificar diferentes variables de la zona con respecto de recursos hídricos.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.1 Antecedentes del problema
Ha habido una atención nula a juzgar por la aparente escasez de trabajos publicados
sobre esta cuenca en específico.
1.2.2 Pregunta de investigación
¿Cuáles son las consideraciones a tener en cuenta para determinar el caudal pico y las cotas
de inundacion en la Cauce de la Urbanizacion Ciudad Blanca del municipio de San Gil del
departamento de Santander, si se utilizan las herramientas HEC – GEOHMS y HEC-
GEORAS?
1.3 JUSTIFICACIÓN
El uso de las herramientas HEC-GEOHMS y HEC-GEORAS, en la caracterización
morfométrica en el Cauce de la Urbanizacion Ciudad Blanca del municipio de San Gil
del departamento de Santander, son las más adecuadas para para determinar el caudal
pico y las cotas de inundación, lo que es la base de una planificación en aras de obtener
mejoras en el manejo del recurso hídrico de la cuenca, debido a que posibilita la
cuantificación de los diversos procesos que tienen lugar en el ciclo del agua teniendo
en consideración las características fisiográficas.
16
De acuerdo a lo anterior, para el cauce se toman datos de precipitación de estaciones
ubicadas en el área, luego se hace un análisis de confiabilidad de estos, obteniendo una
caracterización en el régimen de precipitación de la zona, para finalmente llegar a la
obtención del caudal y las cotas de una posible inundación en el punto de control
seleccionado.
1.4 HIPÓTESIS
Una vez aplicadas las herramientas HEC–GEOHMS y HEC-GEORAS, en la
caracterización morfométrica en la Cauce seco de la Urbanizacion Ciudad Blanca del
municipio de San Gil del departamento de Santander, se podrá determinar cuál es el
Caudal Pico y las cotas de una possible inundacion en la cuenca.
1.5 OBJETIVOS
1.5.1 Objetivo general
Determinar el caudal pico y las cotas de inundacion en la Cauce seco de la Urbanizacion
Ciudad Blanca del municipio de San Gil del departamento de Santander aplicando las
herramientas HEC – GEOHMS y HEC-GEORAS, con base a varias de sus
características morfológicas y topograficas.
1.5.2 Objetivos específicos
• Analizar temporal y espacialmente el comportamiento de la precipitación en el
cauce seco, ubicado en la ciudad de San Gil en el departamento de Santander.
• Establecer el potencial hidrológico, en cuanto a caudales máximos para diferentes
periodos de retorno.
• Realizar con el programa HEC-HMS la modelación de caudales, a partir de una
tormenta de diseño creada con datos de precipitación en la cuenca.
17
2. MARCOS DE REFERENCIA
2.1 MARCO CONCEPTUAL
En el estudio cuantitativo de una cuenca hidrográfica, las características morfometricas se
analizan desde aspectos como la longitud del cauce principal, la pendiente, el desnivel entre el
punto mas alto y el mas bajo, lo que lleva a la estimación numérica del tiempo de concentración.
Los parámetros morfométricos se obtuvieron con el programa ARCGIS 10.2, haciendo uso de la
extencion HEC-GEO HMS para el preprocesamiento del terreno y además se utilizo la extencion
HEC-GEORAS para establecer las secciones trasversales del cauce.
2.1.1 Cuenca Hidrográfica
Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de
lluvia que caen sobre ella tienden a ser drenadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto
de salida.
Desde el punto de vista de su salida, existen fundamentalmente dos tipos de cuencas: endorreicas y
exorreicas. En las primeras el punto de salida está dentro de los límites de la cuenca y generalmente
es un lago; en las segundas, el punto de salida se encuentra en los límites de la cuenca y está en otra
corriente o en el mar (Aparicio Mijares, 1992).
2.1.2 Longitud del flujo superficial
Es la longitud del recorrido del flujo no canalizado desde un punto sobre la divisoria del drenaje
hasta un punto del cauce adyacente, proyectado sobre la horizontal (Solorzano, 2010).
18
2.1.3 Longitud de la corriente
La longitud promedio de un segmento de cauce de orden u es una propiedad dimensional
reveladora del tamaño característico de los componentes de una red de drenaje y de las
superficies de sus cuencas contribuyentes (Solorzano, 2010).
2.1.4 Pendiente del canal
La velocidad de escurrimiento de las corrientes de agua depende de la pendiente de sus
canales fluviales. A mayor pendiente mayor velocidad. Los perfiles típicos de los cauces
naturales son cóncavos hacia arriba; además, todas las cuencas, exceptuando las más pequeñas,
tienen varios canales cada uno con un perfil diferente (Solorzano, 2010).
2.1.5 Método Racional
Para estimar el caudal de diseño de la cuenca de estudio es aceptado implementar el
método racional ya que la cuenca en estudio está en el rango de menor a 250 Ha.
El método racional tiene como variable el coeficiente de escorrentía superficial, la intensidad de
precipitación y el área de influencia.
Qp es el caudal de escorrentía superficial, en metros cúbicos por segundo (m3/s).
La primera variable que se presenta es el coeficiente de escorrentía, el cual es variable a lo largo de
la Cuenca. Debido a si el sector es rural o urbano y el uso del suelo actual (Flórez - Bolaños, 2009).
19
Para determinar el valor del coeficiente de escorrentía se presentan a continuación para diferentes
sectores de cuenca ya sea rural y urbano. (Ver Tabla 2.1 y Tabla 2.2)
Tabla 2.1 Valores del coeficiente de escorrentía en áreas rurales
Fuente: (Flórez - Bolaños, 2009)
20
Tabla 2.2 Valores del coeficiente de escorrentía en áreas urbanas
Fuente: (Flórez - Bolaños, 2009)
21
La segunda variable que presenta el método racional para el cálculo del caudal máximo de
escorrentía superficial es la intensidad de Precipitación (i).
Para el cálculo de la intensidad (i), es necesario la estimación de las curvas de Intensidad -
Duración - Frecuencia (IDF), para las condiciones de precipitación del área de drenaje.
El Tiempo de concentración, se define como el tiempo que tarda en llegar a la sección de salida
de interés la gota de lluvia caída en el extremo hidráulicamente más alejado de la cuenca o como
el tiempo que toma el agua en llegar desde un punto de diseño hasta el punto de interés de la
Cuenca y se determina mediante fórmulas experimentales (Flórez - Bolaños, 2009).
Tabla 2.3 Ecuaciones Utilizadas
2.1.6 Curvas de intensidad-duración-frecuencia
Las curvas de intensidad-duración-frecuencia (IDF) constituyen la base climatológica para la
estimación de los caudales de diseño. Estas curvas sintetizan las características de los eventos
extremos máximos de precipitación de una determinada zona y definen la intensidad media de
lluvia para diferentes duraciones de eventos de precipitación con periodos de retorno específicos.
Es necesario verificar la existencia de curvas IDF para la localidad. Si existen, éstas deben ser
analizadas para establecer su validez y confiabilidad para su aplicación al proyecto. Si no existen,
es necesario obtenerlas a partir de información existente de lluvias.
La obtención de las curvas IDF debe realizarse con información pluviográfica de estaciones
ubicadas en la localidad, derivando las curvas de frecuencia correspondientes mediante análisis
puntuales de frecuencia de eventos extremos máximos. La distribución de probabilidad de Gumbel
se recomienda para estos análisis, aunque otras también pueden ser ajustadas. Eventualmente, es
Tc = ((4*A^0,5)+(1,5*L)) /(0,8*H^(0,5)) ; Ec. Giandotti A< 2 Km² Con 0.43 ≥ tc ≥ 0.28
Tc = 0,95 * (L³/ H)^0,385 ; Ec. Kirpich (California Highways and Public Works)
Tc = (0,108 (AL)^1/3) / S^(0,5) ; Ec. Passini
Tc = 13,548*(L²/H)^0,77; Ec. Pizarro
A> 2 Km²
ECUACIONES
Tc = 0,3 * (L / S^0,25)^0,76 ; Ec. Témez (1978)
Tc = 0,335 * (A / S^0,5)^0,593 ; Ec. Clark
Tc = 0,0662 * (L^0,77 / S^0,385) ; Ec. Kirpich (1990)
Tc = (162,63 L³ / H)^0,385 ; Ec. California Culvert Practice (1942)
Tc = (0,87 L³ / H)^0,385 ; Ec. California Culvert Practice (Laderas de Cerros o Quebradas)
22
posible hacer análisis regionales de frecuencia en caso de disponer de más de una estación
pluviográfica. Si no existe información en la población, debe recurrirse a estaciones localizadas en
la zona lo más cercanas a la población. Si esto no permite derivar curvas IDF aceptables para el
proyecto, deben ajustarse curvas IDF por métodos sintéticos, preferencialmente derivados con
información pluviográfica colombiana. De acuerdo con el nivel de complejidad del sistema, la
manera mínima permitida de obtención de las curvas IDF se define en la siguiente Tabla 2.4
(Flórez - Bolaños, 2009).
Tabla 2.4 Lineamientos para Obtencion Minima de las Curvas IDF.
Fuente: (RAS, 2000)
2.1.7 Cálculo de curvas IDF por el método simplificado
La metodología aproximada de cálculo de las curvas intensidad duración frecuencia se debe
llevar a cabo siempre y cuando no se disponga de datos históricos de precipitación de corta
duración (datos pluviograficos).
En este estudio se dedujeron curvas intensidad-duración-frecuencia por correlación con la
precipitación máxima promedio anual en 24 horas, el número promedio de días de lluvia al año,
la precipitación total media anual y la elevación de la estación.
La expresion resultante esta dada por:
Dónde:
i: Intensidad de precipitación, en milímetros pro hora (mm/h).
T: Periodo de retorno, en años.
M: Precipitación máxima promedio anual en 24 h a nivel multianual.
a,b,c,d: Parámetros de ajuste de la regresión. Estos parámetros fueron
regionalizados y sus valores se presentan en la Tabla 2.5 (Flórez - Bolaños, 2009).
23
Tabla 2.5 Valores de los coeficientes a, b, c y d para el cálculo de las curvas
Intensidad – Duración – Frecuencia, IDF para Colombia.
Fuente: (Flórez - Bolaños, 2009)
2.2 MARCO GEOGRÁFICO
A continuación se presenta la descripción detallada del área de estudio y sus principales
características.
2.2.1 Localización físico-espacial del Municipio de San Gil, Santander
El cauce por donde fluye el caudal producto de las precipitaciones en el barrio ciudad blanca, esta
referenciado con un punto de coordenadas E: 1102705 N: 1217808 (Figura 2.1).
Figura 2.1 Localización General Fuente: (ORTIZ HIGUERA, 2015)
24
2.3 MARCO DEMOGRÁFICO
2.3.1 Determinación del Nivel de Complejidad
Para determinar el nivel de complejidad se debe conocer el horizonte de diseño y una proyección
de la población en donde se ubica el proyecto.
2.3.2 Horizonte de Diseño del Periodo de Retorno
Para el periodo de retorno de diseño en obras de drenaje se tiene como criterio el Manual de
Drenaje para Carreteras de INVIAS, de acuerdo a la Tabla 2.6, considerando el hecho de que se
planea construer un boxcoulver en el punto de control de la cuenca en estudio.
Tabla 2.6 Periodos de retorno de diseño en obras de drenaje vial.
Fuente: (Flórez - Bolaños, 2009)
Luego se estima conveniente escoger un periodo de retorno de 50 años.
2.3.3 Proyecciones de Población
Para determinar el nivel de complejidad del proyecto en la cauce, se procede a hacer una
proyección de población por los métodos considerados en el Reglamento Técnico para el sector de
Agua Potable y Saneamiento Básico – RAS.
25
Tabla 2.7 Proyecciones de Población Para la Urbanizacion Ciudad Blanca.
Para observar el comportamiento de cada uno de los métodos, se muestra la Figura 2.2
Figura 2.2 Comportamiento de las Proyecciones de Población Para la
Urbanizacion Ciudad Blanca. Fuente: (ORTIZ HIGUERA, 2015)
Metodo Geometrico de Proyeccion 790
Metodo Aritmetico de Proyeccion 1333
Metodo Exponencial de Proyeccion 1403
Metodo Wappaus de Proyeccion 995
Promedio de los Metodos 1176
Poblacion (habitantes)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
2015 2025 2035 2045 2055 2065
Nu
me
ro d
e P
ers
on
as
Horizonte de Diseño
Proyecciones de Poblacion
Metodo Geometrico de Proyeccion
Metodo Aritmetico de Proyeccion
Metodo Exponencial de Proyeccion
Metodo Wappaus de Proyeccion
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Tabla 2.8 Asignación del Nivel de Complejidad según el RAS.
Fuente: (RAS, 2000)
De acuerdo a las proyecciones de población solo para la Urbanizacion Ciudad Blanca, en el
horizonte de diseño de 50 años, se obtiene que el Nivel de Complejidad del Sistema es Bajo.
2.4 ESTADO DEL ARTE
La investigación sobre aplicaciones de los computadores en Hidrología comenzó a mediados de
la década de 1950, es decir, los desarrollos de sistemas para la simulación hidrológica continua
se remontan desde mediados del siglo XX hasta hoy; se han propuesto diferentes sistemas
que van desde muy simples hasta los complejos que manejan numerosas variables (Droop-
Boughton , 2003).
Adicionalmente, los desarrollos en los sistemas de información (SIG) han facilitado la
incorporación de datos topográficos, geográficos y morfológicos, conociendo la distribución
espacial de estos en la cuenca. Esto es particularmente significativo para el caso de ciertas zonas
en las cuales las condiciones de cobertura presente una dinámica considerable (Maidment, 2002).
De igual forma, mediante la modelacion hidrológica con HEC-HMS y la modelación
hidráulica con HEC-RAS, (Hydrologic Engineering Center), desarrollados por el Centro de
Ingeniería Hidrológica de los Estados Unidos, el primero para simular el proceso de precipitación
– escurrimiento o de transformación lluvia-escorrentía en cuencas dendríticas o exorreicas, el
cual reúne una colección de modelos hidrológicos determinísticos que permite su aplicación en
un alto rango de regiones geográficas; y el segundo para simular flujos en cauces naturales o
canales artificiales para determinar el nivel del agua, por lo que su objetivo principal es realizar
estudios de inundabilidad y determinar las zonas inundables de una creciente (Engineers, 2009).
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La evolución de estos métodos indirectos de evaluación de los recursos hídricos, sumado a los
avances computacionales y a la masificación de los sistemas de información geográfica
(SIG), han permitido el análisis de los procesos hidrológicos, considerando intervalos de tiempos
más cortos y con un mayor detalle espacial en la cuenca. Numerosos estudios en países como
Australia, Estados Unidos, Sudáfrica y otros, cuyo objetivo era determinar los caudales que
presenta una determinada fuente, han utilizado el software HEC-HMS para la modelación
continua de la escorrentía; entre estos estudios se puede citar el realizado por el departamento de
ciencias geológicas de la Universidad de Texas, en el cual, mediante el uso de HEC-HMS,
modelaron los caudales máximos medios y mínimos que presentaba el río San Antonio que
presenta un área de captación de aproximadamente 10.000 km2, para posteriormente regionalizar
las relaciones lluvia-escorrentía en esta cuenca. Para esto utilizaron información geográfica
topográfica y morfológica analizada por medio de un SIG, así como información de lluvias de
estaciones con influencia en la cuenca del río San Antonio. La calibración de los resultados se
realizó por medio de información de caudales de una estación limnigráfica ubicada dentro del
área de la cuenca del río en estudio. Los resultados mostraron una calibración aceptable con
respecto a los valores observados (Knebl, 2002).
En Colombia, a mediados de la década del ochenta, se comenzó a implementar la modelación
hidrológica con programas como el Linear Perturbation Model; más tarde, a finales de la década
del noventa, se realizaron trabajos con modelación hidrológica continua para el cálculo de
caudales medios. Sin embargo, la experiencia demuestra que los resultados no fueron los
mejores debidos, por un lado, al mal cálculo de las variables de entrada que pedían los modelos
y, por otro lado, al desconocimiento de la formulación matemática de éstos (Lizarazo, 2004).
El estudio de las características morfométricas de una cuenca, fue iniciado originalmente por el
padre de la hidrología moderna en los Estados Unidos de Norte América: Robert Ermer Horton, a
través de sus dos artículos de referencia internacional “Drainage basin characteristics”
(1932) y “Erosional development of streams and their drainage basins: hydrophysical
approach to quantitative morphology” del año 1945.
Especialistas cubanos en los últimos años han dado pasos en la aplicación del HEC-HMS para
obtener hidrogramas de avenidas en algunas zonas del país, pero la experiencia de
aplicación alcanzada es insuficiente. En las investigaciones se han tenido en cuenta las
28
particularidades físico-geográficas y climáticas de las cuencas montañosas orientales y el estado
de la información hidrometeorológica en las mismas (Estrada, 2009).
La modelación hidrológica y la modelacion hidraulica son una herramienta de gran importancia
para el estudio de avenidas que se ha extendido por todo el mundo, fundamentalmente en países
desarrollados. En la actualidad, con el empleo de estos modelos, se realiza el análisis y la
prevención de las inundaciones; además, es posible manejar hipótesis suficientemente realistas
o previsibles que ofrezcan un cierto grado de confianza para la toma de decisiones, ya sea en
la ordenación del territorio en torno a los ríos o para exigir criterios de diseño de obras e
infraestructuras capaces de soportar y funcionar adecuadamente en situaciones de emergencia.
Incluso, alertar a los servicios de protección civil y establecer protocolos de actuación ante
posibles situaciones de peligro por intensas lluvias (Dueñas, 1997).
29
3. METODOLOGÍA
3.1 FASES DEL TRABAJO DE GRADO
3.1.1 FASE I: Recopilación de Datos
En esta fase se seleccionó la zona correspondiente a la Cauce seco de la Urbanizacion Ciudad
Blanca del municipio de San Gil del departamento de Santander, haciendo uso de el
Levantamiento batimétrico existente, de un Modelo de Elevación Digital - DEM 30 x 30. Y de
la Cartografía base del 2007 del Instituto Geográfico Agustín Codazzi.
3.1.2 FASE II: Procesamiento de datos
Esta fase consta de la secuencia de actividades ejecutadas durante la aplicación de los programas
para determinar los valores necesarios para los calculos del caudal pico a la salida de la Cuenca
y el nivel de la lámina de agua para este, en un periodo de retorno definido. Las cuales se pueden
resumir así:
1- Uso de el programa ARCGIS 10.2 utilizando la extension HEC-GEOHMS para la
delimitacion de la Cuenca en el punto seleccionado, que para este caso hace referencia a una
futura cosntruccion de un Boxcoulver.
2- Calculo de los valores morfometricos de la Cuenca correspondiente a la Cauce seco de la
Urbanizacion Ciudad Blanca.
3- Determinacion de los caudales pico a la salida de la Cuenca a traves de diferentes metodos,
para diferentes periodos de retorno.
4- Uso de el programa ARCGIS 10.2 utilizando la extension HEC-GEORAS Para determinar
las cotas de inundación con base en el levantamiento batimetrico que se tiene.
3.1.3 FASE III: Modelacion con Programa HEC-HMS y Programa HEC-RAS
Esta fase hace referencia a los calculos necesarios para determinar las curvas IDF y la
posterior Tormenta de Diseño.
30
4. ANÁLISIS HIDROLÓGICO E HIDRAULICO
4.1 Información Hidrometeorológica
Sobre la base cartográfica se ubicó la red hidrometeorológica utilizada. La estación de la cual se
obtuvo información y el periodo de registro.
4.2 Precipitación
La consecución de la información de precipitación se encamino a conocer su distribución espacial y
temporal en, por lo que la estación fue seleccionada por su representatividad en cuanto a su
distribución en el área.
Se utilizó información suministrada por el IDEAM correspondiente a la estación cercana a la zona,
su descripción se presenta a continuación en la Tabla 4.1 y el periodo de registro analizado en la
Figura 4.1
Tabla 4.1 Estaciones utilizadas para caracterizar la precipitación en el área de
estudio.
CÓDIGO TE ESTACIÓN
COORDENADAS GEOGRÁFICAS
DPTO ELEVACION LATITUD LONGITUD
(N) (E)
24020150
PM EL MAMONAL SANTANDER 1100 6° 34’ 36’’ 73° 06’ 22.2’’
Fuente: (IDEAM, 2012)
Con el fin de representar de manera más acertada los datos y el comportamiento de la precipitación
sobre la cuenca, los registros de precipitación total mensual, fueron contemplados para un periodo
de registro de 27 años entre 1980 y 2012, periodo suficiente para obtener un análisis acertado del
comportamiento de la precipitación en la zona y teniendo en cuenta que en este periodo de tiempo
es donde se tienen franjas de datos más homogéneas. Luego la razón de que algunos años no se
tuvieron en cuenta, es que el IDEAM no los entrego por estar incompletos y/o dudosos.
31
Tabla 4.2 Datos Pluviométricos
Fuente: (IDEAM, 2012)
4.3 Análisis de Datos Dudosos
Se suprimieron los datos obtenidos de registros insuficientes y/o dudosos utilizando la prueba
estadística para datos dudosos, la cual es una metodología del Wáter Resources Council de los
Estados Unidos, recomienda para detectar los puntos que se alejan de las decisiones de retención o
eliminación de datos que puedan afectar, significativamente la magnitud de los parámetros
estadísticos. Esta metodología determina los valores de los límites superior e inferior a partir de los
cuales se eliminan los valores que no se consideran estadísticamente aceptables. En la Figura 4.1
se muestran los resultados de la aplicación de esta metodología a los datos anuales de la estación.
FECHA DE PROCESO : 22/11/2012 ESTACION : 24020150 EL MAMONAL
LATITUD 0634 N TIPO DE ESTACION: PM DEPTO: SANTANDER
LONGITUD 7306 W ENTIDAD: 01 IDEAM MUNICIPIO: SAN GIL
ELEVACION 1100 m.s.n.m. REGIONAL: 08 SANTANDERES CORRIENTE: FONCE
AÑO ENERO FEBRE MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOST SEPTI OCTUB NOVIE DICIE VALOR MAXIMO
1980 * 7 23 24 28 16 30 * 2 30
1987 21 14 21 33 46 25 26 41 22 36 30 24 46
1988 7 10 10 24 42 18 54 31 14 26 31 9 54
1989 30 9 21 20 38 26 41 26 40 16 19 12 41
1990 6 6 59 29 57 36 59 32 36 68 17 45 68
1991 4 29 13 20 25 15 44 50 40 39 25 2 50
1992 16 15 1 21 38 22 31 20 40 13 23 7 40
1993 10 3 37 42 29 23 30 83 30 21 23 9 83
1994 29 22 21 55 43 14 66 40 33 20 66
1995 0 6 15 38 31 56 39 51 60 40 18 12 60
1996 6 10 49 40 25 18 65 20 27 29 25 15 65
1997 11 19 24 35 36 39 13 19 16 28 17 0 39
1998 7 65 21 30 59 23 50 46 45 27 16 22 65
1999 22 * 30 18 10 * 5 6 6 10 30
2000 14 16 8 30 9 8 9 9 51 36 51 16 51
2001 3 9 8 25 28 35 30 28 32 23 8 16 35
2002 15 27 49 36 80 30 9 25 23 30 15 17 80
2003 5 31 14 50 43 37 30 70 40 30 30 15 70
2004 11 9 45 50 40 40 28 20 50 45 15 18 50
2005 35 35 0 20 28 16 19 27 40 13 41 13 41
2006 8 9 41 31 48 37 23 26 15 35 24.3 14 48
2007 4.1 10.6 38.3 21.4 44.7 27 39.2 29.8 26.7 43.3 18.2 9.5 44.7
2008 2.8 * 9.5 12.7 15 20.2 15.5 16.1 13.4 10.5 20.2
2009 40.6 42.6 40.3 32.8 26.5 21.4 23.2 13.8 26.2 42.6
2010 0 18 18
2011 * 16.4 36.3 23 30.7 37.7 36.6 18.8 37.7
2012 2.7 1.3 28.8 28.8
MEDIOS 11.2 16.9 23.5 31.6 37.6 26.7 32.6 32.9 31.2 30.2 22.8 14.8 26
MAXIMOS 35 65 59 55 80 56 66 83 60 68 51 45 83
MINIMOS 0 1.3 0 12.7 9 8 9 9 5 6 6 0 0
I D E A M - INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES
VALORES MAXIMOS MENSUALES DE PRECIPITACION (mms) EN 24 HORAS
32
Tabla 4.3 Análisis de Datos Dudosos de la Estación El Mamonal.
Fuente: (IDEAM, 2012)
Con base a la precipitacion maxima presentada en la tabla anterior, se halla su logaritmo para ser
graficado en dispersion junto con los limites inferiores y superiores obtenidos a partir del numero
de datos, la media.la desviacion estandar y el numero kn asignado, como se indica en la Figura 4.1.
(Chow, 1994).
1980 30 1.48 1.24 2.07
1987 46 1.66 1.24 2.07
1988 54 1.73 1.24 2.07
1989 41 1.61 1.24 2.07
1990 68 1.83 1.24 2.07
1991 50 1.70 1.24 2.07
1992 40 1.60 1.24 2.07
1993 83 1.92 1.24 2.07
1994 66 1.82 1.24 2.07
1995 60 1.78 1.24 2.07
1996 65 1.81 1.24 2.07
1997 39 1.59 1.24 2.07
1998 65 1.81 1.24 2.07
1999 30 1.48 1.24 2.07
2000 51 1.71 1.24 2.07
2001 35 1.54 1.24 2.07
2002 80 1.90 1.24 2.07
2003 70 1.85 1.24 2.07
2004 50 1.70 1.24 2.07
2005 41 1.61 1.24 2.07
2006 48 1.68 1.24 2.07
2007 44.7 1.65 1.24 2.07
2008 20.2 1.31 1.24 2.07
2009 42.6 1.63 1.24 2.07
2010 18 1.26 1.24 2.07
2011 37.7 1.58 1.24 2.07
2012 28.8 1.46 1.24 2.07
AÑOSPrecipitacion Maxima
Mensual Multianual (mm) Y=log x Limite Inferior Limite Superior
33
Figura 4.1 Análisis de Datos Dudosos de Precipitacion de la Estación Mamonal
4.4 Análisis de la Variación Temporal de la Precipitación
El primer análisis realizado corresponde a la evaluación de la precipitación anual, en el tiempo
durante el cual se presenta el periodo más homogéneo, con el fin de establecer los ciclos de años
húmedos y secos.
Figura 4.2 Histograma de Precipitación-Estación EL MAMONAL
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27
Log
P
Años
Analisis de Datos Dudosos
Series1
Series2
Series3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
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
Pre
cip
itac
ion
Max
ima
(mm
)
Años Seleccionados
Precipitacion Maxima en 24 Horas Mensual Multianual (mm)
34
4.5 Parámetros de Diseño
Los parámetros de diseño constituyen los elementos básicos para el desarrollo del diseño de una
obra dentro de la zona. A continuación se establecen las condiciones para su definición y
estimación. Es función de la Junta Técnica Asesora del Reglamento establecer los mecanismos,
procedimientos y metodologías para la revisión, actualización y aceptación de los parámetros y
valores para el diseño de sistemas de recolección y evacuación de aguas pluviales.
4.6 Áreas de drenaje
El trazado de un canal de drenaje de aguas lluvias debe, en general, seguir el cauce original.
4.7 Caudal de diseño
Para la estimación del caudal de diseño puede utilizarse el método racional, el cual calcula el
caudal pico de aguas lluvias con base en la intensidad media del evento de precipitación con una
duración igual al tiempo de concentración del área de drenaje y un coeficiente de escorrentía. La
ecuación del método racional es Q = 0.278 ×C × i × A para obtener un caudal en m^3/s
Para la construcción de las curvas IDF en el presente análisis, se tuvo en cuenta el manual de
drenaje para carreteras del INVIAS, año 2009. En el cual se propone utilizar la media de los datos
de precipitacion particulares, como los de la Tabla 4.4, para que luego se apliquen los parámetros
especificados en la Tabla 4.5 y finalmente con diferentes valores de tiempo y periodos de retorno
se puedan obtener las diferentes intensidades de precipitación para la región de estudio, como lo
describe la Tabla 4.6
35
Tabla 4.4 Resumen deDatos de la Precipitación Histórica Disponible
Tabla 4.5 Parámetros Obtenidos para la Región del área de Estudio.
Tabla 4.6 Datos Obtenidos para la Gráfica de las Curvas IDF Sintéticas.
27
48.30
16.96
0.28Coeficiente de Asimetría
Número de Datos
Desviación Típica
Media
a= 0.94
b= 0.18
c= 0.66
d= 0.83
M= 48.30
Parametros Para la Region 1:
TIEMPO
(min) 2 5 10 20 50 100
10 86.8 102.4 116.0 131.4 154.9 175.5
20 54.9 64.8 73.4 83.1 98.1 111.1
30 42.0 49.6 56.2 63.6 75.0 85.0
40 34.8 41.0 46.5 52.6 62.1 70.3
50 30.0 35.4 40.1 45.4 53.6 60.7
60 26.6 31.4 35.5 40.3 47.5 53.8
70 24.0 28.3 32.1 36.4 42.9 48.6
80 22.0 25.9 29.4 33.3 39.3 44.5
90 20.4 24.0 27.2 30.8 36.3 41.2
100 19.0 22.4 25.4 28.7 33.9 38.4
110 17.8 21.0 23.8 27.0 31.8 36.1
120 16.8 19.9 22.5 25.5 30.1 34.0
130 16.0 18.8 21.3 24.2 28.5 32.3
140 15.2 17.9 20.3 23.0 27.1 30.8
150 14.5 17.1 19.4 22.0 25.9 29.4
160 13.9 16.4 18.6 21.1 24.9 28.2
170 13.4 15.8 17.9 20.3 23.9 27.1
180 12.9 15.2 17.2 19.5 23.0 26.1
ESTACIÓN PUVIOMETRICA MAMONAL
INTENSIDAD - DURACIÓN - FRECUENCIA
(valores en mm/h)
PERÍODO DE RETORNO (Años)
36
Figura 4.3 Grafica de las Curvas IDF Sintéticas.
4.9 Hietograma de Diseño
4.9.1 Incrementos Arreglados de Lluvias Puntuales
Posterior a la obtención de las curvas IDF se puede calcular un hietograma por el método de bloque
alterno, siendo este el correspondiente a la Tormenta de Diseño para varios periodos de retorno,
que para nuestro caso es de 50 años.
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
180,0
200,0
0 50 100 150 200
INTE
NSI
DA
D (
mm
/h)
TIEMPO (min)
ESTACIÓN PLUVIOMETRICA EL MAMONALCURVAS INTENSIDAD - DURACIÓN - FRECUENCIA
T = 2 años
T = 5 años
T = 10 años
T = 20 años
T = 50 años
T = 100 años
37
Figura 4.4 Tormenta de Diseño.
4.9.2 Precipitaciones Totales del Área de Diseño
Existen diversos métodos para calcular la precipitación promedio en una cuenca entre los que se
destacan:
1. Aritmético.
2. Polígonos de Thiessen.
3. Isolíneas de igual precipitación o isohietas.
Luego en este caso se cuenta con precipitaciones puntuales limitadas que no permitan hacer análisis
de la deducción de la lluvia por espacialidad en la hoya, tipo curvas PADF (Precipitación-Área-
Duración-Frecuencia), es necesario calcular la precipitación espacial promedio en la hoya de
manera empírica, mediante la siguiente expresión:
PPromHoya= f(a) Ppuntual
Para los valores de f(a) se pueden utilizar las siguientes ecuaciones:
1) Ecuación de Fhrüling
f(a) =1.0 - 0.0054 x A0.25
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
0-10
10-2
0
20-3
0
30-4
0
40-5
0
50-6
0
60-7
0
70-8
0
80-9
0
90-1
00
100-
110
110-
120
120-
130
130-
140
140-
150
150-
160
160-
170
170-
180
PR
ECIP
ITA
CIO
N (
mm
)
INTERVALO DE TIEMPO (min)
TORMENTA DE DISEÑO ESTIMADA POR EL METODO DE BLOQUE ALTERNO
T = 2 años
T = 5 años
T = 10 años
T = 20 años
T = 50 años
T = 100 años
38
Donde:
A: Área de drenaje de la hoya, en metros cuadrados (m2).
2) Ecuación presentada para Inglaterra por el Institution of Civil Engineers, Proceedings, 2nd Part,
“Flood Studies Report”, Volume 65, Research and Theory, june 1978
f(a) =1.0 - 0.0268 x tc x A
Donde:
A: Área de drenaje de la hoya, en kilómetros cuadrados
(km2).
tc: Tiempo de concentración de la hoya, en horas (h).
3) Según datos en Norteamérica
f(a) =1.0 - 0.05 x tc x A
Donde: A: Área de drenaje de la hoya, en kilómetros cuadrados (km2).
tc: Tiempo de concentración de la hoya, en horas (h)
(Flórez - Bolaños, 2009)
4.9.3 Tormenta de Diseño para diferentes Periodos de Retorno
Con todos los datos de la Tabla 3.10 se construye la gráfica de la tormenta de diseño.
4.10 Calculo de Caudal
Se procedio al cálculo del caudal por el método racional porque el area de la cuenca es se encuentra dentro
del rango de aplicación de la formula, que se considera inferior a 2.5 km^2. Sin embargo para tener otros
criterios de decision se utilizan adicionalmente el metodo de BURKLI ZIEGLER y el metodo de MC
MATH que tambien son utiles para cuencas pequeñas.
4.10.1 Tiempos de Concentración
El tiempo de concentración (Tc) en horas, es el tiempo que tarda una gota de agua en trasladarse
desde el punto más alejado de la cuenca hasta la salida, y se calculó con las formulaciones
propuestas por Bransby, Snyder, Kirpich y Temez entre otras. En la Tabla 4.9 se presentan las
características morfológicas de la cuenca en estudio y en la Tabla 4.10 los resultados de estas
fórmulas.
39
Tabla 4.7 Condiciones Morfológicas – Cuenca en Estudio
Tabla 4.8 Tiempos de Concentración – Diferentes Métodos
METODO HORAS MINUTOS
Ec. Témez (1978) 0.67 40.47
Ec. Clark 0.89 53.67
Ec. Kirpich (1990) 0.25 14.76
Ec. California (1942) 1.85 110.82
Ec. California (Laderas) 0.25 14.79
Ec.Passini 0.51 30.42
Ec.Pizarro 0.01 0.66
Ec.Giandotti 0.82 49.03
Ec. Kirpich (C.H.P.W.) 0.25 14.83
4.10.2 Caudal de Diseño
Se procedio a calcular el caudal teniendo en cuenta otros método sutilizados para cuencas
pequeñas.
L= 1.53
S= 0.078
Desnivel Existente entre punto mas alto y punto de desague (m)= H= 119
A= 1.46
Datos:
Pendiente de la Cuenca (m/m)=
Longitud del Cauce Principal (Km)=
Area de la Cuenca (Km^2)=
40
Tabla 4.9 Caudales Calculados.
Caudal (m^3/s)
PERÍODO DE
RETORNO (Años)
Intensidad de Precipitacion
(mm/h)
MÉTODO RACIONAL
MÉTODO DE
BURKLI ZIEGLER
MÉTODO DE
MC MATH PROMEDIO
2 36.9 4.488 1.71 8.17 4.79
5 43.5 5.293 2.01 9.64 5.65
10 49.3 5.996 2.28 10.92 6.40
20 55.8 6.793 2.58 12.37 7.25
50 65.8 8.011 3.04 14.58 8.55
100 74.5 9.076 3.45 16.52 9.68
41
5. MODELACION HIDROLOGICA
5.1 Área de studio
El área seleccionada para el desarrollo del modelo se localiza en una zona sub urbana del municipio
de San Gil.
5.2 Aplicación del sistema de información geográfica Arcgis
Se realizó el corte de la cuenca teniendo como base el Modelo de Elevación Digital - DEM - de 30
m, luego se realizó la vinculación de atributos al SIG, y finalmente se obtuvieron datos
morfométricos para calculo de tiempos de concentracion y demás parámetros hidrológicos.
Figura 5.1. Área seleccionada para realización de modelación.
42
5.3 Aplicación Modelo HEC – HMS
Se tuvo en cuenta en la simulación del proceso lluvia - escorrentía la delimitación de la cuenca,
segmentación en subcuencas, interconexión de cauces principales y esquema de simulación
(confluencias, sumas y traslado de caudales). Se selecciona tormenta de diseño con un periodo de
retorno de 50 años, duración de 180 minutos e intervalos cada 10 minutos.
Se aplica Método Soil Conservatión Service (SCS, 1972) ¨que consiste en el cálculo del llamado
número de curva que sintetiza las características del terreno con relación a la incidencia que tiene
sobre el escurrimiento del agua precipitada ¨ para el área se tomo un número de curva de 69 de
acuerdo a la clasificación de la SCS, teniendo en cuenta que son suelos con condición regular (del
50% al 75% cubierto de pasto). Se utilizaron hidrogramas y se traslado caudales hasta la salida de
la cuenca mediante método Lag, siendo necesario conocer el tiempo de letardo que se considera
como el 60% del tiempo concentración.
5.4 Resultado de la modelación programa HEC – HMS
La hidrógrafa final de salida que combina y traslada los caudales pico de todas las subcuencas y
teniendo como punto de control (salida) el punto donde se planea construir el boxcoulver, produce
un caudal pico de 6.7 (M^3/S), ver Figura 5.3
43
Figura 5.2 Hidrógrafa de salida para el área de estudio.
Figura 5.3 Caudal Punta de salida para el área de estudio.
44
Al comparar los datos obtenidos tanto por el método teórico como por el modelo lluvia escorrentía,
se aprecia que los resultados si se asemejan, lo anterior, debido probablemente a que el área de
cuenca es pequeña y con el HEC - HMS se tuvo en cuenta toda el área de modelación en el tiempo
de corrida del modelo.
45
6. MODELACION HIDRAULICA
HEC-RAS, es un modelo de dominio público desarrollado del Centro de Ingeniería Hidrológica
(Hydrologic Engineering Center) del cuerpo de ingenieros de la armada de los EE.UU. (US Army
Corps of Engineers), surge como evolución del conocido y ampliamente utilizado HEC-2, con
varias mejoras con respecto a éste, entre las que destaca la interfase gráfica de usuario que facilita
las labores de preproceso y postproceso, así como la posibilidad de intercambio de datos con el
sistema de información geográfica ArcGIS mediante HEC-GeoRAS. El modelo numérico incluido
en este programa permite realizar análisis del flujo permanente unidimensional gradualmente
variado en lámina libre (Engineers, 2009).
6.1 Area de studio
El área seleccionada para el desarrollo del modelo se localiza en una zona sub urbana del municipio
de San Gil.
6.2 Aplicación del sistema de información geográfica Arcgis
Se realizó la obtención de la superficie tridimensional, teniendo como base el levantamiento
topográfico que incluye secciones transversales cada 10 metros y el perfil longitudinal
correspondiente. Posteriormente se realizó la base de datos con atributos vinculados espacialmente
al SIG y se obtuvieron datos para la exportación al programa HEC-RAS para determinar el
comportamiento de la cauce seco para diferentes caudales en diferentes periodos de retorno.
46
Figura 6.1 Área seleccionada para realización de modelación.
6.3 Aplicación Modelo HEC – RAS
Se tuvo en cuenta en la simulación de la inundación la delimitación de la cuenca, el caudal
obtenido para varios periodos de retorno, las secciones transversales, el perfil longitudinal, el
régimen de flujo y los pendientes gobernantes aguas arriba y aguas abajo, y la condición de cálculo
de un flujo permanente.
47
Figura 6.2 Flujo a través de las secciones transversales.
Figura 6.3 Flujo a través del perfil longitudinal desde la sección 250 hasta la
sección 50.
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Con estos cálculos se demuestra que NO existe riesgo a causa de la inundabilidad por la crecida en
un periodo de retorno de 50 años. Luego la mancha de agua no llega a nivel de la zona de
protección referenciada, que en HEC-RAS se ilustran como las bancas del rio. Por otro lado para
determinar el tipo de flujo se requiere una condición de contorno y/o de cierre para determinar el
tipo de flujo, que en este caso es en la sección 50.
49
7. CANALIZACION DEL CAUCE
Se procede a calcular la sección necesaria para la canalización de la cauce seco en estudio, si por
razones de estética y futuras problemáticas, fuera necesario. La geometría fue calculada para
garantizar la conducción del caudal máximo probable, es decir, 8.55 m^3/seg, que seria la media
entre el método racional, el método de Burkli Ziegler y el método de Mc Math. Como consecuencia
se plantea la construcción de un canal trapezoidal en concreto (n=0,012), con una pendiente
longitudinal mínima del 6.8% (según levantamiento topográfico) y para la sección hidráulica de
máxima eficiencia. También se calculó la sección rectangular y triangular que igualmente satisfaga
las condiciones de flujo.
La utilización de una u otra sección obedecerá principalmente a las características geotécnicas y
áreas disponibles en la zona. Sin embargo, en términos de eficiencia hidráulica, operación y
mantenimiento, se recomienda la construcción de la sección trapezoidal.
7.1 Diseño Económico por Caudal
Según los parámetros de caudal máximo de 8.55 m^3/seg, material de concreto con n=0.012 y
pendiente minima de 0.068.
Figura 7.1 Geometría de Sección Trapezoidal Resultante.
Figura 7.2 Geometría de Sección Rectangular Resultante.
50
Figura 7.3 Geometría de Sección Triangular Resultante
7.2 Modelación de la Sección de Máxima Eficiencia en H-CANALES
Como se dijo anteriormente el mejor funcionamiento hidráulico se obtiene con la sección
trapezoidal se modela con el programa H-CANALES.
Figura 7.4 Geometría de Sección de Máxima Eficiencia
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7.3 Modelación de la Sección de para un régimen de flujo sub critico en H-CANALES
Luego de observar el resultado de la sección de máxima eficiencia, se concluye que no es el más
recomendado por el régimen de flujo que esta implica supercritico con velocidades excesivamente
altas, por lo que se procede a redimensionar la geometría de tal forma que una posible conducción
de este rio pueda ser más estable y en un régimen de flujo sub crítico.
Figura 7.5 Geometría de la Sección Definitiva
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8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1- Se Caracterizó la morfometría del Cauce seco de la Urbanizacion Ciudad Blanca del
municipio de San Gil del departamento de Santander mediante la herramienta HEC –
GEOHMS, con base a varias de sus características morfológicas.
2- El modelo HEC- HMS permitió establecer el funcionamiento hidrológico de la cuenca,
obteniendo la zonificación espacial de la lámina de escorrentía, los hidrogramas caudales pico y
volumen total de escorrentía para la condición actual y para las medidas propuestas, ante eventos
de precipitación.
3- Se logro obtener un modelo de inundacion para el Cauce de la Urbanizacion Ciudad Blanca del
municipio de San Gil del departamento de Santander mediante la herramienta HEC-GEORAS, con
base a las secciones transversales que se encontraron en el levantamiento batimetrico existente.
4- El caudal pico obtenido con el modelo lluvia-escorrentia escogido evidencio que esta muy
cercano a los resultados del metodo racional, del metodo de Burkli Ziegler y del metodo de Mc
Math que se utilizan para cuencas pequeñas. Sin embargo el promedio de estos tres ultimos
métodos (8.55 m^3/seg) es más crítico que el arrojado por el programa HEC-HMS (6.7 m^3/seg),
por lo que este es el que se escoge para dimensionar el canal revestido en concreto.
5- De acuerdo a los resultados evidenciados en la modelacion hidraulica para un caudal en un periodo
de retorno de 50 años no se evidencia un riesgo probable de inundacion de las zonas de proteccion
aledañas al cauce, luego no es necesaria una canalizacion de esta.
6- Se han podido establecer las cotas de la lamina de agua, que en general se conocen como las
cotas de inundacion, luego todas estas se pueden obtener en el perfil longitudinal que arroja la
modelacion en HEC-RAS y ademas se pueden determinar tambien en todas y cada una de las
secciones transversales del cauce.
7- Se recomienda que si por alguna razon ajena a los resultados evidenciados en este trabajo se
quiere canalizar el cauce en estudio, lo primero que se ha de tener en cuenta es que este futuro
canal tenga un regimen de flujo subcritico y un número de Froude inferior a 0.9. Por lo que al final
53
de este trabajo de grado se plantea una seccion definitiva para un canal revestido en concreto que
cumpliria con los requerimientos de una posible canalizacion.
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BIBLIOGRAFÍA
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