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Tema: INFORME DE ESTIMACIONES DE CAUDALES MAXIMOS DE LA CUENCA CAPLINA ALMUNO:  Martinez Santos, Leonardo. Docente:  Ing. Juan Pablo García Rivera Curso:  Hidrología. Ciclo:



VIII

Trujillo – Perú

ESTIMACION DE CAUDALES MAXIMOS DE LA CUENCA CAPLINA I.- INTRODUCCIÓN Durante su vida sobre la tierra el hombre ha sido testigo, muchas veces sin entenderlo, del desarrollo del ciclo del agua en la naturaleza. La distribución de los climas, la formación de las nubes y su inestabilidad, la producción de las lluvias, la variación de los niveles de los ríos, y el almacenamiento de agua en depósitos superficiales o subterráneos son temas en cuyo estudio se ha venido profundizando a lo largo de los años, conformando una rama de la física que se conoce como Hidrología. Dado un pequeño concepto acerca de lo que es Hidrología, tenemos en cuenta que uno de los temas muy importantes en lo que abarca la ingeniería civil, es la de cálculo de caudales, donde el objetivo consiste en estimar los valores de flujo (normalmente máximo) originados por una precipitación concreta que incide en la cuenca ubicada en la vertiente correspondiente a dicha sección. A su vez también llamados, caudales de diseño, tiene un objetivo general, conocer las dimensiones de un cauce, sistema de drenaje (agrícola, aeropuertos, ciudad, carretera), muros de encauzamiento para proteger ciudades o plantaciones, alcantarillas, vertederos de demasías, luz en puentes, canales, etc. Existen metodologías tanto Hidrometeorológicas como Estadísticas para la determinación de caudales máximos, por ello en el desarrollo de este trabajo de investigación iremos mostrando algunos de los métodos más conocidos y usados, asimismo sus conceptos generales, definiciones básicas, metodología y cálculo de un problema relacionado a su uso. II.- OBJETIVOS   

Delimitar la cuenca caplina en arcgis 10.2 y HEC-GEOHMS. Recopilar datos de ANA. Determinar la estimación de caudales máximos de la cuenca Caplina usando el método racional, método de creager e Histrograma unitario.

III.- MATERIALES    

PROGRAMA ARGIS 10.2 HEC-GEOHMS10.2 HEC-RAS HEC-GEORAS

III.- PROCEDIMIENTO: 

Descargamos las cartas nacionales de la cuenca en este caso la cuenca caplina.

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Descargar los datos de la precipitacion acumulada 12h del ana. Trabajamos en el programa arcgis 10.2 y hec-georas de la siguente manera:

      

En el disco local (c) creamos una carpeta para dentro de ella crear la carpeta de raster, shape y tin Luego abrimos el arcgis 10.2 Guardamos el proyecto Insertamos las curvas y rios de la carpeta shape Creamos el tin en la carpeta creada anteriormente para luego convertir de tin a raster. Luego nos vamos a geoprocessing, fill sinks, y le damos ok. El mismo paso hacemos con el flow direction, flow acumulation, stream definnition, stream segmentation, catchment grid delineation, catchment polygong processing, drainaje line processing y adjoint catchment processing.

Luego nos vamos a Proyect setup, star new proyect y le damos ok, le asignamos un nombre. Luego no vamos a la herramienta add proyects point. Y le colocamos el punto para delimitar la cuenca, y luego le ponemos en generar proyecto y nos aparece la cuenca delimitada.

IV.- MÉTODOS PARA CALULAR LOS CAUDALES MÁXIMOS DE LA CUENCA METODO RACIONAL: El método racional se utiliza en hidrología para determinar el Caudal Instantáneo Máximo de descarga de una cuenca hidrográfica. FÓRMULA RACIONAL: El caudal se expresa como:

donde: Q: caudal de diseño, correspondiente al periodo de retorno seleccionado, en m3/s C: coeficiente de escorrentía i:

intensidad de la lluvia de diseño, en mm/h

A: área de la cuenca, en Ha

Normalmente la fórmula racional tiene aplicación para cuencas pequeñas, de hasta 10 ó 20 km2 según señalan algunos autores. Ello hace de este método un procedimiento ideal para la determinación del caudal Qmax en el diseño de

sistemas de drenaje pluvial o en el proyecto de las obras de drenaje de carreteras. Cuando se aplica la fórmula racional a cuencas de mayor tamaño, usualmente se obtiene valores del caudal bastante elevados.

METODO DE CREAGER: Este método, originalmente desarrollado por Creager, fue adaptado para el territorio peruano por Wolfang Trau y Raúl Gutiérrez Yrigoyen. La aplicación de este método permite la estimación de los caudales máximos diarios en cuencas sin información, para diferentes periodos de retorno, tomando el área de la cuenca como el parámetro de mayor incidencia en la ocurrencia de caudales máximos. Para la obtención de su fórmula, graficó los gastos máximos por unidad de área observados en cuencas de todo el territorio peruano contra el área misma de las cuencas, después trazo una curva que fuera envolvente de todos los puntos graficados y obtuvo la ecuación que se indica a continuación: MAX

Q



1



2

 C  C log( T) A

mA

n

donde: • Qmax: caudal máximo para un periodo de retorno T seleccionado, en m3/s • A: área de la cuenca aportante, en km2 • T: periodo de retorno, en años • C1, C2: coeficientes adimensionales de escala, por regiones hidráulicas • m, n: exponentes adimensionales, por regiones hidráulicas Según los autores, el territorio peruano queda subdividido en siete regiones hidráulicas diferenciables, tal como se muestra en el mapa:

Para cada una de las zonas identificadas, se establece el conjunto de coeficientes y exponentes indicados en el cuadro siguiente:

Cabe señalar que, en general, a pesar de su simplicidad, este método es bastante preciso Para el cálculo del gasto máximo, es necesario conocer el gasto unitario de la cuenca por medio de las envolventes, para lo cual se deberán de seguir los pasos siguientes: Paso 1. Observar la lámina de envolventes de Creager, perteneciente a la región hidrográfica, correspondiente a la cuenca que se este estudiando.

Paso 2. Se ubica la estación hidrométrica en la lámina de envolventes de creager, se traza una curva paralela a la curva creager, de tal forma que esta intercepte a la estación hidrométrica perteneciente a la cuenca estudiada.

Paso 3. Trazada la curva se procede a localizar el punto del área drenada hasta la zona de cruce, de manera que se tendrá una ordenada y una abscisa, la ordenada representa el área de la cuenca ( A1 en Km2) y la abscisa pertenece al gasto unitario (q1 en m3/s/Km2)

Paso 4. Teniéndose el valor del gasto unitario (q1), por lo tanto se calculara el caudal máximo, mediante la fórmula que se muestra:

Q

MAX

 1A1

 q

Qmax : Es el gasto máximo en m³/s q₁: Es el gasto unitario en m³/s A₁: Es el área drenada hasta la zona en estudio Km² Paso 5. Sustituyendo en la ecuación anterior, podremos conocer el gasto máximo presentado en la zona de estudio, hallándose el número creager (C), correspondiente a la curva que intercepta la estación hidrométrica, así como también al punto del área de la cuenca drenada hasta el sitio de cruce, con la formula siguiente:

q C

1

0.894   1  0.048 0.386 A   1  ( 0.503) 0.386 A  1





HIDROGRAMA UNITARIO: La importancia de la determinación de los caudales se establece en:

1. Determinar volúmenes disponibles para almacenamiento disponibles para riego, agua potable, agua industrial, turismo, actividades recreativas, etc.

2. Cuantificar los caudales mínimos, en época de estiaje, necesarios para abastecimientos de agua potable o la navegación.

3. Calcular las crecidas de un río, las alturas máximas a las que puede llegar y definir la radicación de poblaciones urbanas, construir defensas, zonificar áreas de riesgo hídrico con distintos usos del suelo asociados a esos riesgos, etc.

Las características de un hidrograma ya definidas en el tema del ciclo hidrológico y en el agua en la zona no saturada del suelo, parte de la base de generada una precipitación, ésta puede dividirse en precipitación en exceso, e infiltración, que se traducen en los componentes del escurrimiento: superficial, subsuperficial y subterráneo, o escurrimientos directo y de base.

El análisis de hidrogramas implica separar el caudal directo y el caudal base para su consideración en el análisis del hidrograma unitario. Para ello existen distintas metodologías

basadas en la rapidez o lentitud en que se manifiesta el escurrimiento subterráneo al aparecer el escurrimiento directo producto de una precipitación.

Como regla práctica se define que desde el tiempo en que aparece el caudal máximo existen una cantidad tiempo en la cuál cesa el escurrimiento directo, y relacionado al área de la cuenca. Ese tiempo se define como N = 0,8 * A^n, siendo n asimilado a un coeficiente que normalmente tiene un valor igual a 0,2 y puede tener otros valores, y A el área de la cuenca en km2 .

1) Escurrimiento subterráneo rápido.

2) Escurrimiento subterráneo intermedio.

3) Escurrimiento subterráneo lento o más común.

V.- CONCLUSIONES:

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A partir de los resultados obtenidos de cada una de las metodologías para calcular tiempos de concentración, como lo son: Kirpich, Agencia Federal de Aviación, Bureau of Reclamation y California, es posible validar cada una de estas metodologías y concluir que con cualquiera de ellas, los resultados obtenidos serán aceptables ya que están dentro de los rangos previamente establecidos para esas regiones hidrográficas (1-3 m/s). Para esto, se determinaron las diferentes desviaciones estándar para los valores de tiempos de concentración para cada período de retorno (50, 100 Y 200 años), evidentemente los tiempos de concentración calculados por las metodologías de Kirpich, Giandotti y SCS no varían con el período de retorno, a excepción de la fórmula de la FAA y se verificó que estos valores estuvieran dentro del rango permisibles (µ ± s, donde, µ: media de los valores de tiempos de concentración, s: desviación estándar). Para la determinación de la metodología con mejores resultados, se determinó a través de un criterio de practicidad de uso de la fórmula, donde se dio prioridad a la fórmula que tuviera menos variables y que, en la obtención de estas variables, no se viera afectada por los cambios que el paso del tiempo pueda provocar (mapas de uso del suelo para la determinación de C, etc.). La fórmula de Kirpich siempre se mantuvo dentro de los rangos previamente establecidos (de velocidad o de tiempos de concentración ± desviación estándar). METODO RACIONAL:

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METODO CREAGER

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VI.- RECOMENDACIONES: 

Si bien se escogió la metodología estadística como patrón de comparación para determinar la metodología hidrometeorológica de más confianza, sus resultados deben de tomarse con suma reserva, puesto que los autores consultados recomiendan no usar registros de menos de 20 años para análisis estadísticos. En el caso de el análisis realizado en este documento el mayor número de registros en las estaciones

estudiadas de 20 años precisamente; esto debido a que no se ha tenido otra alternativa (no se cuenta con mayor número de registros) y obliga a tener criterio al utilizar los resultados obtenidos para extrapolar caudales máximos anuales para períodos de retorno altos, por ejemplo 25, 50 y 100 años, que son los utilizados con fines de diseño.

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Se recomienda, para futuros cálculos de Caudales por Fórmula Racional y SCS, actualizar los valores del Coeficiente de Escurrimiento C y el Número de curva CN, puesto que las coberturas van cambiando con el tiempo.

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Revisar las curvas de descarga en las estaciones hidrométricas que se encuentran en la red de estaciones del SNET ya que se han encontrado diferentes caudales para iguales alturas de aforos en diferentes años en el mismo registro.

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No se recomienda el análisis de caudales máximos por el Método Racional para tiempos de concentración mayores a seis horas, con las curvas Intensidad FrecuenciaDuración obtenidas en este documento, ya que fueron construidas para intensidades no mayores a 6 horas.

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Evaluar de nuevo los resultados de los análisis realizados cuando se cuente con algunos años más de registro, pues sería conveniente compararlos con los nuevos datos para determinar si la función de distribución estadística utilizada para el cálculo de caudales máximos sigue siendo la más apropiada.

VII. ANEXOS: