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SISTEMA DE GESTIÓN PLUVIAL DE LA ZONA METROPOLITANA DE QUERÉTARO 2008-2025

IMPLAN – CIAQ

Lineamientos básicos para la elaboración de Estudios Hidrológicos

30 de Julio del 2010

I. INTRODUCCIÓN

3

1. CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DESTUDIO 1.1 LOCALIZACIÓN 1.2 USO DE SUELO 1.3 EDAFOLOGÍA 1.4 TOPOGRAFÍA y GEOMORFOLOGÍA 1.5 CLIMA

4

2. PRECIPITACIÓN 3. DELIMITACIÓN DE LA CUENCA 4. ESCORRENTIA SUPERFICIAL

4 5 5

4.1 Método de la SCS y utilización del CN 5. CORRIDAS DEL MODELO 6. CONCLUSIONES 7. NORMATIVA

15 15 15

III. REFERENCIAS

16

2

INTRODUCCIÓN El objetivo de realizar un estudio o modelación hidrológica, en este caso específico para cuencas urbanas, es para caracterizar y obtener parámetros aproximados como lo son precipitación, escorrentía, transito de avenidas, etc. Las cuencas urbanas varían en el espacio debido al cambio en la pendiente de la superficie del suelo, tipo de cubierta y tipo de suelo; además estas también varían con el tiempo ya que las características hidrológicas cambian con el proceso de urbanización. Es por ello que es de suma importancia realizar una valoración cualitativa y cuantitativa del área que se pretenda estudiar, puesto que los parámetros obtenidos en una modelación hidrológica son los datos de entrada para el diseño hidrológico en lo que se refiere al control de los recursos hídricos y mitigación de los efectos adversos

producidos por caudales altos o crecientes. La

información hidrológica juega un papel vital en el manejo del balance entre la oferta y la demanda de los recursos hídricos para la planeación de proyectos de desarrollo en este tipo de recursos.

3

1. CARACTERIZACIÓN DE LA ZONA DESTUDIO

1.1

LOCALIZACIÓN

En este apartado se describe la ubicación geográfica con coordenadas UTM y la localización en un mapa, donde se incluyan los límites municipales e infraestructura de referencia. La ubicación debe de darse en referencia a la colonia, localidad o municipio al que pertenece. Se debe también mencionar la extensión de la zona de estudio. 1.2

USO DE SUELO

Se entiende como uso de suelo al tipo de utilización humana que se le da al terreno, incluido el subsuelo, y en particular su urbanización y edificación. La condición actual de la superficie del suelo en la zona de estudio debe ser especificada. 1.3

EDAFOLOGÍA

Se refiera a la caracterización del suelo presente en la zona de estudio. Incluye perfil y horizontes. Esta caracterización deberá de ser considerada de acuerd o a la cartografía de la INEGI. 1.4

TOPOGRAFÍA y GEOMORFOLOGÍA

En este apartado se deben mencionar las principales características de la configuración topográfica de los terrenos y su geomorfología. Se deben de describir los rasgos característicos del terreno y las elevaciones de importancia en la zona de estudio. Se deben presentar los mapas con curvas de nivel y/o el modelo digital de elevaciones (MDE). 1.5

CLIMA

Se debe especificar la clasificación del clima de acuerdo a la Clasificación de Koppen, y se debe de describir los aspectos generales de precipitación y temperatura, y otras descripciones que pudieran generalizar la caracterización del clima. 2. PRECIPITACIÓN Para la determinación del evento o eventos de lluvia que deben usarse en el diseño, es necesario utilizar una tormenta que involucre una relación entre la intensidad de la lluvia (o profundidad),

la duración y las 4

frecuencias o periodos de retornos apropiados para la obra y el sitio. En algunos casos existen las curvas (IDF) para varios periodos de retorno, pero en caso contrario se presenta el procedimiento para su cálculo. La fórmula que relaciona simultáneamente las tres variables es:

k Tm i (d c) n

(1.1)

donde: i

Intensidad de la precipitación en mm/h

T

Periodo de retorno en años.

d

Duración en minutos

k, m, n, c

Parámetros que se calculan a partir de los datos mediante un análisis de correlación lineal múltiple.

También se menciona la estación o estaciones meteorológicas utilizadas para la obtención de los valores de precipitación así como también su localización geográfica y espacial. 3. DELIMITACION DE LA CUENCA O ÁREA DE APORTACION La delimitación de la cuenca se realizará de acuerdo al modelo digital de elevaciones (MDE) y verificada con un recorrido en campo, esto para considerar la modificación de la dirección de flujo superficial en presencia de elementos que pudiesen intervenir en las condiciones de flujo, estos elementos pueden ser cauces, drenes, vialidades, edificaciones en general, etc.

4. ESCORRENTÍA SUPERFICIAL. En este apartado se presenta los procedimientos para el cálculo de escorrentía superficial así como también de gastos máximos de salida, hidrogramas y volúmenes de almacenamiento requeridos en estructuras de retención. 4.1

Método de la SCS y utilización del CN

Para la estimación de la escorrentía superficial, el método de la SCS utiliza la función del número de curva (CN). La determinación del CN depende del tipo y condición del suelo en la microcuenca, según sea el tipo de

5

cobertura, uso de suelo, condición hidrológica del terreno y grupo hidrológico de suelo perteneciente, es seleccionado un valor de CN de acuerdo a las tablas en el anexo A.

4.1.1 Ecuación

El Soil Conservation Service, de los Estados Unidos, actualmente NRCS, desarrolló un método para calcular las abstracciones de una precipitación durante una tormenta. Estas abstracciones incluyen la intercepción de la precipitación por la vegetación del terreno, el almacenamiento en depresiones de la superficie del suelo a medida que el agua se acumula y la infiltración de agua en el suelo. La ecuación general del método es mostrada a continuación:

Q

(P I a ) 2 (P I a ) S

(1.2)

Donde: Q

escorrentía superficial (mm)

P

precipitación (mm)

S

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

Ia

abstracciones iniciales (mm)

En el parámetro Ia se consideran las pérdidas relacionadas con el agua almacenada en vegetación, infiltración y evaporación. El valor de Ia resulta ser muy variable pero generalmente es correlacionado con el suelo y condiciones de cobertura. A través de varios estudios empíricos en microcuencas agrícolas, se ha encontrado un valor aproximado de Ia el cual es mostrado en la siguiente ecuación:

6

Ia = 0.2S

(1.3)

Sustituyendo el valor de Ia en la ecuación general se obtiene una función compuesta solamente por los parámetros S y P, resultando en la siguiente ecuación:

(P 0.2S) 2 (P 0.8) S

Q

(1.4)

El parámetro S está relacionado con el suelo y las condiciones de cobertura de la microcuenca a través del Número de Curva (CN). El valor del CN tiene un rango de 0 a 100 y es relacionado con S mediante la siguiente ecuación:

S

1000 10 CN

(1.5)

4.1.2 Cálculo y criterios considerados para la determinación de los CN´s Los principales factores involucrados en la determinación del CN son:

-

Grupo Hidrológico del Suelo

-

Tipo de cobertura presente

-

Condición hidrológica

-

Humedad Antecedente

Otro factor a considerar, son las áreas impermeables que están conectadas directamente a un sistema de drenaje o aquellas en las cuales el flujo se disipa en áreas permeables antes de entrar a un sistema de drenaje. 7

Cuadro 4.1. Grupos Hidrológicos de Suelos GRUPO

DESCRIPCIÓN

A

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

B

Moderado bajo potencial de escurrimiento: Suelos poco profundos depositados por el viento, arcilla arenosa.

C

Moderado alto potencial de escurrimiento: Margas arcillosas, margas arenosas poco profundas, suelos con bajo contenido orgánico y suelos con alto contenido de arcillas.

D

Alto potencial de escorrentía: Suelos con infiltración muy lenta cuando están muy húmedos. Consisten de suelos arcillosos con alto potencial de expansión; suelos con nivel freático alto permanente; suelos con estrato arcilloso superficial; suelos con infiltración muy lenta suelos poco profundos sobre materiales casi impermeable.

Una vez que se ha caracterizado el suelo de acuerdo los factores mencionados anteriormente, se procede a la selección de los CN´s y al cálculo del valor ponderado según sea el caso de estudio, es decir si el área es de un solo tipo de cobertura y condición o si son áreas múltiples de condiciones diferentes pero que se encuentran en la misma área de aportación. Los valores de los CN´s vienen descritos en las tablas A1, A2, A3 y A3 del documento, cabe mencionar que estos valores fueren obtenidos empíricament e y tienden a generalizar el escurrimiento en condiciones similares. A continuación se muestra una hoja de cálculo con la descripción y procedimiento para el cálculo de la escorrentía superficial de acuerdo al manual TR-55. En el primer apartado se procede al cálculo del CN general y en el segundo al cálculo de la escorrentía.

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Proyecto:

Realizó:

Fecha:

Ubicación:

Supervisó:

Fecha:

1. Número de curva (CN) Descripción de la Cobe rtura Tipo de Suelo y Grupo Hidrológico

( tipo de cobertura, condición hidrológica, porcentaje de impermeabilidad; proporción de área impermeable conectada o no conectada)

CN

Área

Producto

□ ha □ km2 □%

CN x área

Totales 

CN calculado

producto total areas

CN 

;

2. Escorrentía Tormenta no. 1

Tormenta no. 2

Tormenta no. 3

Periodo de retorno ………………………… años Precipitación pluvial, P (24 hr) ..………….. mm Escorrentía superficial, Q …………………. mm Fig.4.2 Hoja de cálculo para la determinación del CN y escorrentía

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TABLAS DE VALORES CN

TABLA A.1

ZONAS URBANAS

Tipo de cobertura y Condición hidrológica

(1)

% promedio de area impermeable3

Número de Curva (CN) Grupo Hidrológico A

B

C

D

68 49 39

79 69 71

86 79 74

89 84 80

98

98

98

98

98

98

98

98

76 72

85 82

89 87

91 89

63 96

77 96

85 96

88 96

85 72

89 81

92 88

94 91

95 93

65 38 30 25 20 12

77 61 57 54 51 46

85 75 72 70 68 65

90 83 81 80 79 77

92 87 86 85 84 82

77

86

91

94

Áreas urbanas plenamente desarrolladas 1. Áreas abiertas ( parques, campos de golf, cementerios, etc.) 3 Cobertura de pastizales y áreas verdes -Baja (menor al 50 %) -Media (entre el 50 y 75 %) -Alta (mayor al 50 %) 2. Áreas impermeables -Estacionamientos pavimentados, banquetas, techos, etc. 3. Carreteras y vialidades -Pavimento con alcantarillado -Pavimento con zanjas -Empedradado -Terracerías 4. Áreas urbanas de zonas áridas Paisajismo natural sin remoción de vegetación ( solamente áreas permeables) Paisajismo artificial ( con presencia de maleza y arbustos) 5. Zonas urbanas - Áreas comerciales - Áreas Industriales 6. Zonas Residenciales por porcentaje y tamaño del lote -0.05 ha -0.10 ha -0.13 ha -0.20 ha -0.40 ha -0.80 ha Áreas urbanas en desarrollo

-Áreas recién limpiadas y niveladas

1. Condición de escorrentía promedio y considerando que I a = 0.2S 2.El porcentaje promedio de área impermeable mostrada fue utilizada para calcular CN´s compuestos. Algunas otras hipótesis consideradas son: Áreas impermeables directamente conectadas al sistema de drenaje, áreas impermeables con un CN de 98 y áreas permeables son consideradas como un espacio abierto con buenas condiciones hidrológicas. 3.Los CN´s mostrados son equivalentes a los utilizados para pastizales. En CN´s compuestos deberán de ser analizados para distintas combinaciones y tipos de cobertura.

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TABLA A.2

ZONAS AGRÍCOLAS

Número de Curva (CN) Grupo Hidrológico

Descripción de la cobertura A

B

C

D

Condición del terreno 2

Condición Hidrológica 3

Barbecho

Terrenos limpio Terreno con residuos de cosecha (CR)

pobre buena

77 76 74

86 85 83

91 90 88

94 93 90

Cultivos en hilera

Surcos rectos (SR)

pobre buena

72 67

81 78

88 85

91 89

SR + CR

pobre buena

71 64

80 75

87 82

90 85

Surcado al Contorno (C)

pobre buena

70 65

79 75

84 82

88 86

C + CR

pobre buena

69 64

78 74

83 81

87 85

Surcado al Contorno y Terraceado (C&T)

pobre buena

66 62

74 71

80 78

82 81

C&T + CR

pobre buena

65 61

73 70

79 77

81 80

SR

pobre buena

65 63

76 75

84 83

88 87

SR + CR

pobre buena

64 60

75 72

83 80

86 84

C

pobre buena

63 61

74 73

82 81

85 84

C + CR

pobre buena

62 60

73 72

81 80

84 83

C&T

pobre buena

61 59

72 70

79 78

82 81

C&T + CR

pobre buena

60 58

71 69

78 77

81 80

pobre buena

66 58

77 72

85 81

89 85

C

pobre buena

64 55

75 69

83 78

85 83

C&T

pobre buena

63 51

73 67

80 76

83 80

Tipo

Granos pequeños

Leguminosas incorporadas o SR al voleo, o praderas de rotación

1.Condición de escorrentía promedio y considerando que Ia = 0.2S 2.Cobertura con residuos de cosechas aplican solamente si esta es al menos el 5 % del área durante todo el año. 3. La condición hidráulica está asociada a la combinación de factores que influyen en la infiltración y escorrentía incluyendo (a) densidad de la cosecha y áreas vegetativas, (b) porción de cobertura en el año, (c) porción de pastizal o legumbres, (d) porcentaje de cobertura residual en la superficie de terreno ( buena ≥ 20 %) y e condición de rugosidad en la superficie. Pobre: Factores que impidan la infiltración e incrementan la escorrentía superficial. Buena: Factores que favorezcan la infiltración y tiendan a decrecer las condiciones de escurrimiento

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TABLA A.3

ZONAS FORESTALES

Número de Curva (CN) Descripción de la cobertura(1)

Grupo Hidrológico A

B

C

D

Tipo

Condición Hidrológica

Praderas, pastizales o agostaderos-para pastoreo continuo

pobre moderada buena

68 49 39

79 69 61

86 79 74

89 84 80

-

30

58

71

78

Matorral-Maleza, pastizales, hierbas o áreas mixtas con arbustos

pobre moderada buena

48 35 30

67 56 48

77 70 65

83 77 73

Bosques con presencia de pasto

pobre moderada buena

57 43 32

73 65 58

82 76 72

86 82 79

Bosques

pobre moderada buena

45 36 30

66 60 55

77 73 70

83 79 77

-

59

74

82

86

Praderas-pastizales sin pastoreo, para corte

Instalaciones agrícolas: Establos, veredas, caminos en los alrededores de una granja

1. Condición de escorrentía promedio y considerando que Ia = 0.2S 2. Pobre: < 50 % de cobertura en el terreno o pastoreo en extensión Moderada: 50 al 75 % de cobertura en el terreno y pastizales de poco grosor. Buena: > 75% de cobertura en el terreno con poca presencia de pastura. 3. Pobre: < 50 % de cobertura en el terreno Moderada: 50 al 75 % de cobertura en el terreno Buena: > 75% de cobertura en el terreno 4. Curva actual menor a 30; utilizar CN = 30 para corridas en modelos 5. Los CN´s mostrados fueron utilizados para áreas con 50 % de bosques y 50 % de pastizales. Otras combinaciones de condición deberán de ser realizadas a partir de CN´s para bosques y pastizales. 6. Pobre: Lechos de bosque , arbustos y maleza destruidas por el pastoreo en extensión o por quema regular. Moderada: Los arboles son talados pero no quemados y con poca presencia de lechos de bosque. Buena: > Los árboles son protegidos de la tala, maleza y lecho de bosque cubren adecuadamente al suelo.

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TABLA A.4

ZONAS DE PASTIZALES ARIDOS Y SEMIARIDOS

Número de Curva (CN) Descripción de la cobertura(1)

Grupo Hidrológico A

B

C

D

pobre moderada buena

80 71 62

87 81 74

93 89 85

pobre moderada buena

66 48 30

74 57 41

79 63 48

Áreas con presencia de árboles y arbustos de piñon y enebro; presencia de pasto

pobre moderada buena

75 58 35

85 73 47

89 80 55

Chamizo con pastizal

pobre moderada buena

67 51 35

80 63 47

85 70 55

Arbustos y matorrales deserticos ( incluye mesquites, gobernadora, candelilla y cáctus, entre otros)

pobre moderada buena

77 72 68

85 81 79

88 86 84

Tipo Herbácea: Mezlca de pasto, hierba y maleza siendo ésta última la de menor presencia

Áreas con presencia de árboles y arbustos de roble, álamo

Condición Hidrológica

63 55 49

1. Condición de escorrentía promedio y considerando que Ia = 0.2S 2. Pobre: < 30 % de cobertura en el terreno (lecho de bosque,pasto y maleza) Moderada: 30 al 70 de cobertura en el terreno. Buena: > 75% de cobertura en el terreno. 3. Números de curva para grupo A obtenidos solamente para arbustos desérticos.

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4.1.3 Cálculo del Gasto Pico Para determinar este tipo de escurrimiento se utilizará la fórmula Racional, la cual es uno de los modelos lluvia escurrimiento más antiguos (1889), y de los más utilizados en la actualidad. Se considera que el gasto máximo o pico se alcanza cuando la precipitación se mantiene con una intensidad constante durante un tiempo igual al tiempo de concentración. La fórmula Racional es:

Q

ciA α1

(1.6)

donde: Q = gasto en m3 /s i = intensidad de lluvia en mm/hr A=Área en ha α = factor de conversión ( 360 ) Tipo de área Residencial Áreas unifamiliares Unidades múltiples separadas Unidades múltiples conectadas Áreas departamentales Techos Casa habitación Comercial Centro de la ciudad Fuera del centro de la ciudad Techos Industrial Ligera Pesada Techos Calles Asfalto Concreto Adoquín Aceras y andadores Terracerías Parques, jardines, prados Suelo arenoso plano < o = a 2% Suelo arenoso pendiente de 2 a 7% Suelo arenoso pendiente de 7% o mayor Suelo arcilloso plano < o = a 2% Suelo arcilloso pendiente 2 a 7% Suelo arcilloso pendiente de 7% o mayor Áreas no urbanizadas Áreas de monte o bosque según su pendiente y características del suelo

Coeficiente “C” 0.30 – 0.50 0.40 – 0.60 0.60 – 0.75 0.50 – 0.70 0.75 – 0.95 0.50 – 0.70 0.70 – 0.95 0.50 – 0.70 0.75 – 0.95 0.50 – 0.80 0.60 – 0.90 0.75 – 0.95 0.70 – 0.95 0.80 – 0.95 0.70 – 0.85 0.75 – 0.85 0.25 – 0.60 0.05 - 0.10 0.10 – 0.15 0.15 – 0.20 0.13 – 0.17 0.18 – 0.22 0.25 – 0.35 0.10 – 0.30 0.01 – 0.20

Tabla A5 Coeficientes de Escurrimiento 14

5. CORRIDAS DEL MODELO Una vez realizados los cálculos correspondientes, se procede al análisis y discusión de los resultados obtenidos con el escenario actual y proyectado. También se describe el cambio en las condiciones de escurrimiento y el diferencial de gastos. Cuadro 5.1. Resultados

Parámetro Q Qp

SIN PROYECTO

CON PROYECTO

DIFERENCIAL

6. CONCLUSIONES Es la evaluación general de los resultados obtenidos en base a una modelación lluvia – escurrimiento, con el objetivo de determinar la modificación en las condiciones hidrológicas del terreno a partir del cambio de uso de suelo, ya sea para urbanización o cualquier otro tipo de proyección a futuro en el terreno. También se mencionan las zonas susceptibles a presentar problemas relacionados al aumento en las crecientes, los cuales pueden ser inundaciones, encharcamientos, desbordamiento en estructuras de retención o conducción, falla de talud debido al reblandecimiento del terreno en laderas de cerros o cualquier otro tipo de efectos adversos relacionados a los fenómeno de precipitación pluvial.

7. NORMATIVA El estudio hidrológico deberá de someterse a una validación técnica por parte de las instancias competentes en el uso y gestión de los recursos hídricos en la Zona Metropolitana de Querétaro, las cuales son la Comisión Estatal de Aguas (CEA) y la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA). Estas tendrán la facultad de realizar recomendaciones

en dicho documento. Sin embargo será necesario considerar los convenios

interinstitucionales a nivel municipal, estatal y federal en lo que respecta a los términos de referencia para su uso en obras públicas o privadas.

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REALIZADO POR:

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE QUERÉTARO FACULTAD DE INGENIERÍA POSGRADO EN INGENIERÍA DE RECURSOS HÍDRICOS Y AMBIENTAL

Dr. Eusebio Jr. Ventura Ramos Ing. David Hernández Castrejón

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS -Urban Hydrology for Small Watersheds-(TR-55), Natural Resources Conservation Service- Conservation Engineering Division, 1986

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