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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CARACTERIZACIÓN MORFOMÉTRICA, … · MODELACION HIDRAULICA ... 7.2 Modelación de la Sección de Máxima Eficiencia en H-CANALES ... Figura 6.2 Flujo a través de las secciones
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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
Precipitacion Maxima en 24 Horas Mensual Multianual (mm)
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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
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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.
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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)
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
48
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
51
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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