PREDICCIÓN DE AVENIDAS Y ESCURRIMIENTO
DUVAN DANILO CAÑAS VILLAMIZAR COD: 1094370473
OLIVER NORUEGA INGENIERO
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA PAMPLONA NORTE DE SANTANDER 2015
INTRODUCCIÓN Una vez que en cierta cuenca la lluvia inicia, desearíamos ser capaces de inferir con tiempo suficiente, de qué manera dicha precipitación se traducirá en escurrimiento, lo que permitiría tomar medidas preventivas suficientes para mitigar los efectos indeseables de las inundaciones. Desafortunadamente, transcurridas unas pocas horas de iniciada la lluvia, solamente conocemos descripciones verbales de su intensidad. En tales casos la modelación basada en las técnicas clásicas resulta imposible, debido principalmente a que éstas no permiten cuantifícar a las variables verbales que describen el fenómeno.
AVENIDAS las avenidas son un tipo de movimiento en masa que se desplazan generalmente por los cauces de las quebraddas, llegando a transportar volumenes importantes de sedimentos y escombros on velocidades peligrosas para los habitantes e infraestructuras ubicados en las zonas de acumulacion, de cuencas de montañas suceptibles de presentar este tipo de fenomenos.
MÉTODOS EMPÍRICOS (ENVOLVENTE) Y MÉTODO RACIONAL Método de envolvente Estos métodos toman en cuenta sólo el área de la cuenca para estimar el gasto máximo. Aunque no son métodos que analicen propiamente la relación entre la lluvia y el escurrimiento, son de enorme utilidad en los casos en que se requiera de estimaciones gruesas de los gastos máximos probables, o bien cuando se carezca casi por completo de información hidrométrica. La fórmula general que relaciona al gasto máximo, Q , con el área de la cuenca Ac , se muestra en la ecuacion donde y son parámetros empíricos que pueden estar en función de Ac . A esta fórmula también se le llama método de envolventes (Raudkivi, 1979).
donde Q es el gasto máximo y α y β son parámetros empíricos que pueden ser función de Ac.
Método de envolventes de Creager La idea fundamental de este método es relacionar el gasto máximo (Q) con el área de la cuenca (Ac). La fórmula de Creager para la "Envolvente Mundial" de escurrimientos, es la siguiente:
Donde: Q= Gastos de la avenida máxima en m 3/s. C= l Parámetro adimensional que depende de la región hidrológica en que se encuentre la cuenca en estudio y que puede obtenerse en la publicación envolventes de Gastos Máximos A= Área de la cuenca en Km2.
METODO RACIONAL La mayoría de los métodos empíricos se han derivado del método racional y en la literatura americana se le menciona en Kuichling (1989) . No obstante otros autores citan que los principios básicos de este método fueron desarrollados por Mulvaney en Irlanda en 1851. La ecuación que define la formula racional es:
donde Qp = es el gasto pico o máximo, en m 3/s C= es el coeficiente de escurrimiento, adimensional i=es la intensidad de lluvia para una duración que es igual al tiempo deconcentración, en mm/h; A=es el área de la cuenca, en km 2
La intensidad de lluvia (i) se determina con el auxilio de las curvas intensidadduración-periodo de retorno (i-d-Tr). La selección de la magnitudde la intensidad (i) se fundamenta con laestimación de la frecuencia y de la duración. La hipótesis fundamental de este método es que la tormenta tiene una duración suficientemente grande para ermitir que cualquier gota de agua llegue hasta la salida de la misma. La mínima duración para la intensidad de lluvia seleccionada será igual al tiempo de concentración (tc) y su valor se determina con las expresiones siguientes: donde tc=es el tiempo de concentración, en horas. L=es la longitud del cauce principal de la cuenca, en metros. V=es la velocidad media del agua en el cauce principal, en m/s. Sin embargo, otra expresión que permite calcular el tiempo de concentración es mediante la fórmula de Kirpich (1940). donde : tc= es el tiempo de concentración, en horas. L=es la longitud del cauce principal de la cuenca, en metros. S=es la pendiente del cauce principal.
El valor del coeficiente de escurrimiento(C), depende del tipo de área de drenaje.
Mínimos cuadrados:Minimiza la suma de los cuadrados de todas las desviaciones entre los valores calculados y observados.
METODOS ESTADÍSTICOS. Los métodos estadísticos, se basan en considerar que el caudal máximo anual, es una variablealeatoria que tiene una cierta distribución. Para utilizarlos se requiere tener como datos, el registrode caudales máximos anuales, cuanto mayor sea el tamaño del registro, mayor será también laaproximación del cálculo de caudal de diseño, el cual se calcula para un determinado periodo deretorno.Por lo general, en los proyectos donde se desea determinar el caudal de diseño, se cuenta con pocosaños de registro por lo que la curva de distribución de probabilidades de los caudales máximos, setiene que prolongar en su extremo si se requiere inferir un caudal con un periodo de retorno mayoral tamaño del registro. El problema se origina en que existen muchos tipos de distribuciones que seapegan a los datos, y sin embargo, difieren en los extremos. Esto ha dado lugar a diversos métodosestadísticos, dependiendo del tipo de distribución que considere.
MÉTODO DE GUMBEL Para calcular el caudal máximo para un periodo de retorno determinado se usa la ecuación:
Siendo:
Donde: Qmax= Caudal máximo para un periodo de retorno determinado, en m3/s. N= número de años de registro. Qi=Caudales máximos anuales registrados, en m3/s.
Caudal promedio, en m3/s T= Periodo de retorno. = Constantes función de N, tabla 6.13 (Variables reducidas)
= Desviación estándar de los caudale
MÉTODO DE NASH.
Utilizando la función de distribución de probabilidad de Gumbel de una población, Nash propone la siguiente metodología para calcular los parámetros de la función:
Sea:
a = β y c = - α Con un cambia de variable:
y “a” y “c” son los parámetros de la función, que se obtendrán a través de un
análisis de correlación lineal simple con el criterio de los mínimos cuadrados. El subíndice i representa los datos muestrales.
MÉTODO DE LEBEDIEV El método está basado en suponer que las precipitaciones máximas anuales son variables aleatorias de la entidad logarítmica Pearson III. Seobtiene mediante la siguiente fórmula:
Donde:
Donde: A=coeficiente que varía de 0.7 a 1.5, dependiendo del número de años que se tengan en el registro. Cuantos más años de registro haya, menor será el valor del coeficiente. Si N es mayor de 40 años, se toma el valor de 0.7. Cs=coeficiente de asimetría, que se obtiene mediante alguna de las siguientes expresiones: Cs = 2Cv, para avenida producidas por deshielo. Cs = 3Cv, para avenida producidas por tormentas. Cs = 5Cv, para avenida producidas por tormentas en cuencas ciclónicas. Cv= coeficiente de variación, que se obtiene mediante la siguiente ecuación.
Er= coeficiente que depende de los valores de Cv y de la probabilidad P= 1/T; el cual se obtiene con la Figura:
K= coeficiente que depende de la probabilidad P= 1/T , expresada en porcentaje de que se repita el gasto de diseño y del coeficiente de asimetría Cs. Se obtiene con la siguiente tabla. N= son los años de observación de precipitación. ΔHp= intervalo de confianza (m 3/s) Hpd = caudal de diseño (m 3/s). Hpi = caudales máximos anuales observados (m 3/s). Hpm = precipitación promedio (m 3/s). Hpmax = caudal máximo probable obtenido para un periodo de retorno determinado (m3/s).
MÉTODOS BASADOS EN EL HIDROGRAMA UNITARIO Un hidrograma unitario es un hidrograma (Q = f (t)) resultante de un escurrimiento correspondiente a un volumen unitario (1 cm, mm, plg,... de lluvia por la cuenca) proveniente de una lluvia con una determinada duración y determinadas características de distribución en la cuenca hidrográfica. Se admite que los hidrogramas de otras lluvias de duración y distribución semejantes presentarán el mismo tiempo de base, y con ordenadas de caudales proporcionales al volumen de fluido.
Se puede construir un hidrograma unitario a partir de los datos de precipitación y de caudales referentes a una lluvia de intensidad razonablemente uniforme y sin implicaciones resultantes de lluvias anteriores o posteriores. El primer paso es la separación del escurrimiento subterráneo del escurrimiento superficial directo. Se calcula el volumen defluido (representada por el área ABCD de la figura) y se determinan las ordenadas del hidrograma unitario dividiendo las ordenadas del hidrograma directo, por la altura de escurrimiento distribuido sobre la cuenca, hdistribuido, expresado en cm.
El hidrograma unitario resultante corresponde al volumen de un centímetro de escurrimiento. El paso final es la selección de la duración específica de una lluvia, con base en el análisis de los datos de la precipitación. Períodos de baja intensidad de precipitación en el comienzo y al final de la lluvia deben ser despreciados, ya que no contribuyen sustancialmente al escurrimiento.
PREDICCIÓN DE ESCURRIMIENTOS Los escurrimiento es el agua que fluye sobre la superficie del terreno hasta el cauce más cercano y solo se produce en los eventos de lluvia. Es un componente de la escorrentía. El escurrimiento es función de la intensidad de la precipitación y de la permeabilidad de la superficie del suelo, de la duración de la precipitación, del tipo de vegetación, de la extensión de la cuenca hidrográfica considerada, de la profundidad del nivel freático y de la pendiente de la superficie del suelo. El escurrimiento en el terreno sigue caminos variables e interconectados debido principalmente a depresiones y a la vegetación existente. Es el agua generada por una cuenca en forma de flujo superficial, y por tanto constituye la forma más disponible del recurso. Tiene los siguientes componentes: 1.- escurrimiento o escorrentía superficial. 2.- precipitación sobre el propio cauce. 3.- flujo subsuperficial o hipodérmico, es la parte de la precipitación que no circula en la superficie pero tampoco se infiltra en el suelo, sino que circula pendiente abajo en el suelo a ligera profundidad. 4.- aportaciones del flujo subterráneo, o río efluente. FACTORES CLIMÁTICOS Y GEOGRÁFICOS QUE AFECTAN EL ESCURRIMIENTO Factores Climáticos Forma y tipo de la precipitación Intensidad de la precipitación Duración de la precipitación Distribución de la lluvia en la cuenca Dirección y velocidad de la cuenca Otras mediciones meteorológicas : 1. Factores Geográficos Superficie de la cuenca 2. Forma de la cuenca Elevación de la cuenca Pendiente Tipo y uso del suelo. 3. Estado de humedad, Anteceden te del suelo
HIDROLOGÍA URBANA Y DE AEREOPUERTOS. Hidrologia hurbana Los procesos de urbanización son cada vez mayores en el mundo. En los últimos años, se ha acelerado el desplazamiento de personas hacia las ciudades, en particular en las regiones menos desarrolladas. La proporción de la población mundial que vive en zonas urbanas aumentó, desde un tercio en 1960 hasta el 47% (2.800 millones de personas) en 1999.
En los países en desarrollo, la proporción de personas que viven en ciudades casi se ha duplicado desde 1960 (desde menos del 22% hasta más del 40%), mientras que en las regiones más desarrolladas, la proporción ha aumentado desde el 61% hasta el 76%. La característica principal de las cuencas urbanas está representada por el incremento de la impermeabilización y la reducción de la infiltración debido al revestimiento del suelo como consecuencia de la construcción de nuevos edificios, pavimentación de veredas, calles y avenidas, y la remoción de la cobertura vegetal. Estos factores incrementan el volumen y la velocidad de escorrentía produciendo caudales pico mayores en comparación con la cuenca no intervenida.
Efectos Hidrológicos de la Urbanización Los procesos de urbanización impactan fuertemente sobre el medio natural, ya que generan un aumento de la cobertura impermeable de los suelos y de su capacidad de drenaje. Estas modificaciones originan importantes cambios en el comportamiento hidrológico de las cuencas con respecto a las condiciones previas al desarrollo.
La Hidrología Urbana y su Evolución Histórica La hidrología urbana es la rama de la hidrología que estudia la hidrología de las zonas urbanas y metropolitanas, en donde predominan las superficies casi impermeables y el relieve artificial de terreno, analizando en particular el efecto del desarrollo urbano (UNESCO-WMO, 2001).
a) Etapa sanitarista o higien icista
De los conductos pluviales primitivos que se describen en la literatura, los desagües subterráneos de la antigua Roma son los mejor conocidos. Sobre la base de escritos de la época, se sabe que la conexión directa de las casas a dichos desagües no era práctica generalizada.
b) Etapa de “racionalización” de los cálculos hidrológi co -hid rául ic os
Gradualmente los hidrólogos reemplazaron el empirismo por un análisis racional de la información observada. c) Etapa amb ientalista
A comienzos de la década 1970-1980, se introduce un enfoque sistémico y ambientalista en la hidrología urbana, que continúa hasta la actualidad. Se instala una concepción más integrada de los procesos: el drenaje de excesos pluviales pasa a ser concebido y tratado como una parte de un concepto más amplio: el manejo del agua pluvial urbana ("urban stormwater management"). La ventaja del concepto de "manejo” es que el drenaje urbano puede ser
interrelacionado con otras funciones, tales como el control de crecidas, recarga de acuíferos, abastecimiento de agua, disposición de residuos, control de estabilidad de cauces, creación de espacios abiertos para usos recreativos y otros. El abordaje de estos problemas se comienza a realizar de manera interdisciplinaria, ya que involucra aspectos técnicos, ambientales, institucionales, legales, económicos y sociales. Comienzan a difundirse algunos cambios en las prácticas de manejo de las aguas pluviales urbanas respecto de los años anteriores. Se incorporan técnicas de ingeniería "conservacionistas", que permiten preservar el ambiente y mejorar la eficiencia en el manejo del agua de lluvia. Los principales cambios fueron los siguientes: a) El interés en la rápida remoción de la escorrentía (drenaje tradicional) se cambió por el de su distribución espacio-temporal. b) Aumentó el interés en la evaluación y mitigación de los impactos adversos de la escorrentía urbana sobre la calidad de agua de los cuerpos receptores. c) Se comenzó a considerar a la cantidad y calidad del agua como variables del mismo problema y a tratarlas en conjunto. Al efecto, se incorporaron las denominadas “Prácticas de Mejor Manejo (BMP)” o “Técnicas Compensatorias de Infiltración-Retención (TECIR)”, como los dispositivos de detención y de retención,
trincheras o cuencas de infiltración, prácticas vegetativas y pavimentos porosos.
d) Aumentó el énfasis sobre la preservación y mejoramiento de las vías de drenaje naturales. e) Aumentó la importancia asignada a las medidas preventivas no estructurales. Algunos planes directores establecen requerimientos mínimos de control de los excesos pluviales, de modo que el caudal pico del posdesarrollo, para una tormenta de diseño de una duración y recurrencia dadas, sea igual que el correspondiente al predesarrollo.
HIDROLOGÍA DE AEROPUERTOS Ejemplo aeropuerto barcelona. El aeropuerto de Barcelona-El Prat está asentado sobre el hemidelta occidental del río Llobregat. A nivel hidrológico el Delta se caracteriza por poseer dos acuíferos, uno profundo y otro superficial. El flujo del agua subterránea mantiene su recorrido natural desde el interior hasta la costa aunque se producen algunos sumideros en zonas de drenes aeroportuarios. La escasa pendiente y los elevados niveles freáticos dificultan el drenaje superficial del aeropuerto favoreciendo la acumulación de agua en superficie. Por esta razón en el campo de vuelo existen una serie de canales que captan el agua de la superficie y la conducen a tres estaciones de bombeo en El Remolar, la Illa y en La Roberta. En caso de grandes lluvias los equipos de bombeo conducen el agua fuera del recinto aeroportuario. El mantenimiento de la calidad ecológica y química del agua que transcurre por el recinto aeroportuario es una prioridad del aeropuerto de Barcelona-El Prat. Los mecanismos de control y seguimiento son los siguientes:
Instalación de separadores de hidrocarburos y compuertas de cierre en los canales del aeropuerto para la contención de vertidos accidentales de hidrocarburos procedentes de plataforma.
Control analítico periódico del estado ecológico y químico de las aguas superficiales y subterráneas del recinto aeroportuario y, en especial, de posible concentración de sustancias contaminantes.
Red de control piezométrico de las aguas subterráneas.
Inspección visual periódica de las aguas de los canales.
BIBLIOGRAFIA http://www.uae.edu.sv/DOC%20BIBLIOTECA/Documentos/T-174CRE.pdf http://html.rincondelvago.com/calculo-de-caudales-de-avenida_hidrologia.html https://www.clubensayos.com/Ciencia/Envolventes-De-LowryCreager/1397154.html http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/29555/1/Tesis1.pdf http://cenca.imta.mx/pdf/PrincipiosyFundamentosdelaHidrologiaSuperficial.pdf http://slideplayer.es/slide/1754336/# http://es.slideshare.net/carpioleonardoj/escurrimiento-49507626?next_slideshow=1 http://normas.imt.mx/normativa/M-PRY-CAR-1-06-004-00.pdf http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/35179/1/mantillaperezgenesis.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9todo_del_hidrograma_unitario https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&u act=8&ved=0ahUKEwi_0IDl2aDJAhWDHB4KHUSSCdMQFggmMAE&url=http%3A %2F%2Fcivilgeeks.com%2F2011%2F12%2F15%2Fhidrologiaurbana%2F&usg=AFQjCNF4y8dsMwIPmDb7O39XBpOEH4w4g&sig2=m41Oxbf3C52hJOKDNXjjoA
