Simplificando los clculos hidrolgicos con HidroEsta 2 Autor: M.Sc. Mximo Villn Bjar Post Catedrtico, paso 3, Escuela de Ingeniera Agrcola Instituto Tecnolgico de Costa Rica

Resumen Este trabajo de investigacin se orient a la elaboracin de una herramienta computacional bajo el ttulo HidroEsta, software para clculos hidrolgicos, utilizando Visual Basic. El cual pretende ser una aplicacin que permita facilitar y simplificar los clculos laboriosos, que se deben realizar en los estudios hidrolgicos. El software permite el clculo de los parmetros estadsticos, clculos de regresin lineal, no lineal, simple y mltiple as como regresin polinomial, evaluar si una serie de datos se ajustan a una serie de distribuciones, calcular a partir de la curva de variacin estacional o la curva de duracin, eventos de diseo con determinada probabilidad de ocurrencia, realizar el anlisis de una tormenta y calcular intensidades mximas, a partir de datos de pluviogramas, los clculos de aforos realizados con molinetes o correntmetros, el clculo de caudales mximos, con mtodos empricos y estadsticos, clculos de la evapotranspiracin y clculo del balance hdrico. Permite generar con modelos Markovianos series sintticas de datos anuales. Tambin puede calcular Imx a partir de datos diarios anuales, utilizando los criterios de Grobe, conocido como de Dyck y Peschke y el criterio de Bell. Puede calcular Qmx con los mtodos Racional y Mac Math, calculando los Imx con el criterio de Dyck y Peschke. Permite cargar datos desde Excel, 97, 2003, 2010 y 2013. La aplicacin se instala en Windows 7 y Windows 8 de 32 y 64 bits. En la investigacin se probaron diferentes mtodos numricos para la solucin de las ecuaciones, seleccionndose el ms adecuado para cada situacin.

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El producto del trabajo proporciona al ingeniero civil, agrcola, agrnomo, hidrlogos y otros especialistas que trabajen en este campo, una herramienta que permite realizar clculos, simulaciones rpidas, y determinar los caudales o precipitaciones de diseo. Palabras claves: 1. Agua. 2. Precipitacin 3. Caudales. 4. Intensidad mxima 5. Estadstica 6. Hidrologa 7. Evapotranspiracin

1. Introduccin Los estudios hidrolgicos requieren del anlisis de cuantiosa informacin hidrometeorolgica; esta informacin puede consistir de datos de precipitacin, caudales, temperatura, evaporacin, etc. Los datos recopilados, solo representan una informacin en bruto, pero si stos se organizan y analizan en forma adecuada, proporcionan al hidrlogo una herramienta de gran utilidad, que le permite tomar decisiones en el diseo de estructuras hidrulicas. Para realizar los clculos, los hidrlogos tienen que enfrentarse a una serie de problemas, debido a que: El procesamiento de la informacin que se tienen que realizar son bastante

laboriosos. Las ecuaciones que se tienen que solucionar, en la mayora de los casos son muy

complejas, y para su solucin se requiere del uso de mtodos numricos. Las simulaciones que se realizan manualmente consumen mucho tiempo, debido a

los clculos que se requieren. Por lo laborioso del proceso de la informacin y de los clculos se puede incurrir en errores, por lo que se requiere de un software que brinde al hidrlogo de una herramienta que le permita simplificar todos estos procesos, e inclusive permitirle simular sus resultados, permitiendo con esto optimizar su diseo. HidroEsta 2, es una herramienta que facilita y simplifica los clculos laboriosos, y el proceso del anlisis de la abundante informacin que se deben realizar en los estudios hidrolgicos.

2. Importancia HidroEsta, representa una contribucin de suma importancia a los clculos hidrolgicos. Su importancia radica en que: Proporciona una herramienta novedosa y fcil de utilizar para el ingeniero agrcola,

ingeniero civil, ingeniero agrnomo, hidrlogos y otros especialistas que trabajen en el campo de los clculos hidrolgicos.

Permite clculos estadsticos con mucha informacin para el uso en hidrologa y clculos hidrolgicos en general.

Permite calcular los parmetros estadsticos, para datos agrupados y no agrupados, tanto con los momentos ordinarios como con momentos lineales (L-Moments).

Permite clculos de regresin lineal, no lineal, simple y mltiple as como regresin polinomial de 2 y 3er orden.

Permite la generacin de datos anuales, con el modelo Markoviano o autorregresivo de primer orden AR(1) y guardar stos datos generados, tanto en un archivo aleatorio, como en un archivo en Excel.

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Permite evaluar si una serie de datos se ajustan a una serie de distribuciones: normal, log-normal con 2 y 3 parmetros, gamma con 2 y 3 parmetros, log-Pearson tipo III, Gumbel y log-Gumbel, tanto con momentos ordinarios, como con momentos lineales. Si la serie de datos se ajusta a una distribucin, permite calcular por ejemplo caudales o precipitaciones de diseo, con un perodo de retorno dado o con una determinada probabilidad de ocurrencia.

Permite calcular a partir de la curva de variacin estacional o la curva de duracin, eventos de diseo con determinada probabilidad de ocurrencia.

Permite realizar el anlisis de una tormenta y calcular intensidades mximas, a partir de datos de pluviogramas, as como la intensidad mxima de diseo para una duracin y periodo de retorno dado, a partir del registro de intensidades mximas. Tambin permite el clculo de la precipitacin promedio por los mtodos promedio aritmtico, polgono de Thiessen e isoyetas.

Permite generar la ecuacin de Imx y las curvas de Intensidad-Duracin-Periodo de retorno (curvas IDT), cuando no se dispone de informacin pluviogrfica, a partir de informacin pluviomtrica, con datos de precipitaciones mximas diarias, utilizando el mtodo de Grobe, conocido como el mtodo de Dyck y Peschke y como tambin usando el mtodo de Frederich Bell.

Permite los clculos de aforos realizados con molinetes o correntmetros. Permite el clculo de caudales mximos, con mtodos empricos (racional y Mac

Math) y estadsticos (Gumbel y Nash). Permite clculos de la evapotranspiracin con los mtodos de Thorthwaite, Blaney-

Criddle, Penman, Hargreaves y clculo del balance hdrico. Permite reducir enormemente el tiempo de clculo, por que en todos los casos, se

tiene que trabajar con el procesamiento de mucha informacin. Permite realizar simulaciones rpidas, variando cualquier parmetro en las frmulas

de las diferentes opciones ofrecidas en la aplicacin Es posible almacenar la informacin de entrada en archivos aleatorios y Excel, a fin

de repetir los clculos las veces que se desee. Permite la lectura de datos almacenados en archivos aleatorios o en Excel,

guardados en las versiones, 97-2003, o en la versiones 2007, 2010 y 2013 Los datos procesados y resultados obtenidos, se almacenan en archivos de textos en

formato .RTF, de donde se puede agregar a un documento .DOC cuando se quiera elaborar un informe.

3. Descripcin del sistema El sistema permite resolver los problemas ms frecuentes que se presentan en los clculos hidrolgicos. La solucin a estos problemas requiere de clculos mediante el uso de mtodos numricos, y desarrollo de series, por lo que en la investigacin se probaron diferentes mtodos numricos para la solucin de las ecuaciones, seleccionndose el ms adecuado para cada situacin. La aplicacin, proporciona una ayuda para que el usuario pueda usar sin ninguna dificultad el software, y tambin donde se da explicacin de los conceptos y ecuaciones utilizadas. Con HidroEsta, es posible almacenar la informacin de entrada en archivos, a fin de repetir los clculos las veces que se desee. Los datos procesados y resultados obtenidos, se almacenan en archivos de textos en formato .RTF, de donde se puede agregar a un documento .DOC cuando se quiera elaborar un informe.

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4. Men principal El sistema HidroEsta, tiene un Men Principal, como el que se muestra en la Figura 1, el cual permite al usuario elegir la opcin deseada segn el clculo que tenga que realizar.

Figura. 1 Men Principal de HidroEsta Las opciones del men principal son:

Opciones

Descripcin

Parmetros Estadsticos

Permite el clculo de los parmetros estadsticos, para datos agrupados y no agrupados, tanto con los momentos tradicionales como con momentos lineales (L-moments).

Regresin Permite el clculo de las ecuaciones de regresin lineal, no lineal, simple y mltiple as como la regresin polinomial, tambin la generacin de datos anuales, con el modelo Markoviano o autorregresivo de primer orden AR(1)

Distribuciones Permite evaluar si una serie de datos se ajustan a una serie de distribuciones: normal, log-normal con 2 y 3 parmetros, gamma con 2 y 3 parmetros, log-Pearson tipo III, Gumbel y log-Gumbel, tanto con momentos ordinarios, como con momentos lineales. Si la serie de datos se ajusta a una distribucin, permite calcular por ejemplo caudales o precipitaciones de diseo, con un perodo de retorno dado o con una determinada probabilidad de ocurrencia.

Curvas caractersticas

Permite calcular a partir de la curva de variacin estacional o la curva de duracin, eventos de diseo con determinada probabilidad de ocurrencia.

Precipitacin Permite realizar el anlisis de una tormenta y calcular intensidades mximas, a partir de datos de pluviogramas, as como la intensidad mxima de diseo para una duracin y periodo de retorno dado, a partir del registro de intensidades mximas. Permite generar la ecuacin de Imx y las curvas de Intensidad-Duracin-Periodo de retorno (curvas IDT), cuando no se dispone de informacin pluviogrfica, a partir de informacin pluviomtrica, con datos de precipitaciones mximas diarias, utilizando el mtodo de Grobe, conocido como el mtodo de Dyck y Peschke y el tambin con el mtodo de Frederich Bell. Adems permite el clculo de la precipitacin promedio por los mtodos promedio aritmtico, polgono de Thiessen e isoyetas.

Aforo Permite los clculos de aforos realizados con molinetes o correntmetros.

Caudales mximos Permite el clculo de caudales mximos, con mtodos empricos (racional y Mac Math) y estadsticos (Gumbel y Nash).

Evapotranspiracin Permite clculos de la evapotranspiracin con los mtodos de Thorthwaite, Blaney-Criddle, Penman, Hargreaves y clculo del balance hdrico.

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Ayuda Permite que el usuario pueda utilizar la aplicacin y pueda consultar las ecuaciones que se utilizan en los clculos.

5. Pantallas de trabajo Se presenta como ejemplo las pantallas para el: Ajuste de una serie de datos a una distribucin log-Normal de 2 parmetros Anlisis de una tormenta Clculo de las curvas IDT utilizando el criterio de Dyck y Peschke

5.1 Ajuste de una serie de datos a una distribucin log-Normal de 2 parmetros La pantalla para el clculo del ajuste de una serie de datos a una distribucin log-Normal de 2 parmetros, se muestra en la figura 2. En la opcin del ajuste a la distribucin log-Normal de 2 parmetros, el usuario debe ingresar una serie de datos, por ejemplo de caudales mximo y el programa: Calcula sus parmetros estadsticos tanto con momentos ordinarios como con los

momentos lineales. Realiza la prueba de bondad de ajuste con el mtodo de Smirnov-Kolmogorov para

ver si los datos de la serie se ajustan a la distribucin terica normal.

Figura 2. Pantalla para el clculo de la distribucin log-Normal de 2 parmetros

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Si el ajuste es bueno, permite el clculo del caudal de diseo para un perodo de retorno dado.

Permite tambin el clculo de la probabilidad de que un evento sea menor que ste, o que sea igualado o superado.

Permite guardar la serie de datos ingresados. Permite generar un reporte en formato RTF, con los datos ingresados y los resultados

obtenidos

5.2 Anlisis de una tormenta La pantalla para el clculo del anlisis de una tormenta obtenida de un pluviograma, se muestra en la figura 3. El usuario debe ingresar los datos de los tiempos parciales y lluvias parciales, obtenidas de un pluviograma. En la opcin anlisis de una tormenta, el programa: Calcula las intensidades para cada perodo Calcula el valor de la intensidad mxima e indica su duracin Grafica el histograma o la curva masa

Figura 3. Anlisis de un pluviograma

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5.3 Clculo de las curvas IDT utilizando el criterio de Dyck y Peschke La pantalla para el clculo de la ecuacin de las curvas IDF, se muestra en la figura 4. El usuario debe ingresar la serie de datos de las precipitaciones mximas diarias (24 horas) anuales, obtenidas de un pluvimetro. En la opcin clculo de la ecuacin de las curvas IDF, el programa: Calcula la ecuacin de I, en funcin de D y T Calcula el valor de la intensidad mxima para un D y T dados Grafica las curvas IDT

Figura 4. Clculo de las curvas IDT Para cada una de las pantallas de clculo, en la investigacin se probaron diferentes mtodos numricos para la solucin de las ecuaciones a resolver, seleccionndose el ms adecuado para cada situacin.

6. Impacto HidroEsta es una tecnologa computacional que no existe en el mercado, por lo que llena un vaco que exista en los clculos, a los que se dedican a los estudios hidrolgicos, su uso se ha popularizado tanto en Costa Rica, como en Nicaragua, Guatemala, Honduras, Mxico, Per, Chile, Cuba, Colombia, Ecuador, Bolivia, Argentina, Paraguay y Uruguay, a travs de la divulgacin que se ha realizado.

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Hidroesta, se han presentado en los siguientes congresos: XI Encuentro Cientfico Internacional (ENCI2005), organizado por la Universidad de

Ingeniera, del 2 al 5 de enero del 2005. Lima- Per. VIII Congreso Internacional y del Caribe de Ingeniera Agrcola, organizado por la

Universidad de Ingeniera Agrcola y la Asociacin Latinoamericana y del Caribe de Ingeniera Agrcola, del 07 al 09 de mayo del 2008. Managua-Nicaragua.

VI Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniera Agrcola, organizado por la

Escuela Profesional de Ingeniera Agrcola de la Universidad Santiago Antunez de Mayolo, del 12 al 16 de octubre del 2009. Huaraz Per.

VI Congreso Internacional Ingeniera Agrcola (CIIACH), organizado por la

Universidad de Concepcin, del 11 al 13 de enero del 2010. Chilln Chile. 21st Century Watershed Technology Conference 2010, organizado por la ASABE y

la EARTH, del 21 al 24 de febrero del 2010. Gucimo - Costa Rica I Congreso Latinoamericano y del Caribe de Estudiantes de Ingeniera Agrcola,

organizado por la Facultad de Ingeniera Agrcola de la Universidad Nacional Agraria la Molina, del 9 al 13 de agosto del 2010. Lima-Per.

XVIII Congreso Nacional de Estudiantes de Ingeniera Civil, organizado por la

Facultad de Ingeniera Civil de la Universidad Privada Antenor Orrego, del 23 al 28 de agosto del 2010. Trujillo-Per.

5 Congreso Centroamericano de Fondos Viales, organizado por el Fondo de

Mantenimiento Vial (FOMAV) de Nicaragua, del 4 al 6 de mayo del 2011. Managua-Nicaragua.

II Encuentro sobre Didctica de la estadstica, la Probabilidad y el Anlisis de

Datos (II EDEPA), organizado por el Instituto Tecnolgico de Costa Rica, del 28 al 29 de setiembre del 2011. Cartago - Costa Rica.

V Congreso Nacional de Ingeniera agrcola, organizado por la facultad de la

Tecnologa de la Construccin de la Universidad Nacional de Ingeniera, del 20 al 21 de setiembre del 2012. Managua Nicaragua.

Tambin se han dado cursos de capacitacin, dirigida a profesionales en el diseo de canales: Colegio de Ingenieros Civiles 17, 24 setiembre, 01, 08 octubre del 2005,

organizado por el Colegio de Ingenieros Electricistas, Mecnicos e Industriales, San Jos - Costa Rica.

Universidad Nacional del Altiplano y El Colegio de Ingenieros del Per CD Puno,

11 al 13 de Setiembre del 2006, organizado por la Facultad de Ingeniera Agrcola. Puno-Per.

Plan Meriss Inka, del 05 al 08 de setiembre del 2007, organizado y patrocinado por

Nicoll Per S.A. Cusco-Per. Universidad Agraria del Ecuador, organizado la Facultad de Ciencias Agrarias, del

7 al 11 de julio del 2008. Guayaquil-Ecuador.

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Universidad Santo Toms, organizado por la Facultad de Ingeniera Ambiental, del

01 al 02 de diciembre del 2011, Bogot - Colombia. Universidad Nacional del Altiplano, 11 al 15 de agosto del 2013, organizado por la

Escuela de Posgrado de Ingeniera Agrcola. Puno-Per. Sirve como material didctico, a travs de la Ayuda que tiene el software y de su Manual del Usuario, y como herramienta de clculo para los estudiantes de la Escuela de Ingeniera Agrcola, en los cursos de Estadstica Aplica e Hidrologa. Es una tecnologa computacional de clculo que se pone a disposicin de los Ingenieros Agrcolas, Civiles, Agrnomos, hidrlogos y dems profesionales relacionados con los estudios hidrolgicos, de los diferentes pases.

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