Escenarios hidrológicos en la cuenca del río Guayllabamba: Modelación de crecidas

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. ESCENARIOS HIDROLÓGICOS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: MODELACIÓN DE CRECIDAS TOMO I. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MENCIÓN HIDRÁULICA. VÍCTOR EFRAÍN REVELO MERA (victor21_9019@hotmail.com) ROLANDO MAURICIO TUALOMBO ANACLETO (rmtualombo@hotmail.com). DIRECTOR: DR. ING. LAUREANO ANDRADE CHÁVEZ (laureano.andrade@epn.edu.ec). Quito, marzo 2016.

(2) II. DECLARACIÓN. Nosotros, Víctor Efraín Revelo Mera y Rolando Mauricio Tualombo Anacleto, declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido en la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. ______________________. __________________________________. Víctor Efraín Revelo Mera. Rolando Mauricio Tualombo Anacleto.

(3) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Víctor Efraín Revelo Mera y Rolando Mauricio Tualombo Anacleto, bajo mi supervisión.. ______________________________ Dr. Ing. Laureano Andrade Chávez DIRECTOR DE PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTOS. A mi familia por ser mi soporte y motivación para seguir adelante en esta carrera. A mi tutor Dr. Ing. Laureano Andrade por estar siempre dispuesto a resolver cualquier duda que se nos presentara, por su tiempo y dedicación. A cada uno de los profesores de tan prestigiosa facultad que supieron encaminarme por un excelente rumbo y por sus consejos y enseñanzas, no solo en el ámbito teórico sino también en la preparación para salir a la vida real.. Víctor Efraín Revelo Mera.

(5) V. AGRADECIMIENTOS. A Dios, por bendecirme durante todo este tiempo y por alcanzar esta meta anhelada. A mi familia, por haberme dado su fuerza, apoyo, motivación durante toda la carrera. A mi tutor Dr. Ing. Laureano Andrade por sus conocimientos impartidos, por su tiempo, paciencia y dedicación. A la Escuela Politécnica Nacional, quien fue el templo que formó y me prestó las instalaciones para obtener información.. Rolando Mauricio Tualombo Anacleto.

(6) VI. DEDICATORIA. A mis padres, Pedro y Miriam. A mis hermanos, María José y Alexander. A mis sobrinos Joselito y Rafaela. A mis primos, Diego y Juan Carlos.. Víctor Efraín Revelo Mera.

(7) VII. DEDICATORIA. A mis papis, José y Elva, A mis hermanos, Soraya y Josue Les dedico esta tesis con mucho amor.. Rolando Mauricio Tualombo Anacleto.

(8) VIII. CONTENIDO DECLARACIÓN ..................................................................................................... II CERTIFICACIÓN .................................................................................................. III AGRADECIMIENTOS ........................................................................................... IV AGRADECIMIENTOS ............................................................................................ V DEDICATORIA ...................................................................................................... VI DEDICATORIA ..................................................................................................... VII CONTENIDO ....................................................................................................... VIII ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................... XIII ÍNDICE DE GRÁFICOS...................................................................................... XVII ÍNDICE DE TABLAS............................................................................................. XX RESUMEN ......................................................................................................... XXII PRESENTACIÓN ............................................................................................. XXIV GLOSARIO........................................................................................................ XXV CAPITULO 1 .......................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1 1.1 OBJETIVOS .................................................................................................. 1 1.2 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 2 1.3 ALCANCE ..................................................................................................... 2 CAPÍTULO 2 .......................................................................................................... 4 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE MODELACIÓN DE CRECIDAS .................. 4 2.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 4 CICLO DE ESCORRENTÍA ............................................................................ 5 2.2 FACTORES FISIOGRÁFICOS DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA QUE AFECTAN AL ESCURRIMIENTO .............................................................. 8 2.2.1 FACTORES MORFOMÉTRICOS ........................................................... 8.

(9) IX. 2.2.2 FACTORES FÍSICOS ............................................................................ 9 2.2.3 RED DE DRENAJE .............................................................................. 12 2.3 FACTORES METEREOLÓGICOS DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA QUE AFECTAN AL ESCURRIMIENTO ................................ 12 2.3.1 TIPO Y FORMA DE PRECIPITACIÓN ................................................. 13 2.3.2 INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN ..................................................... 13 2.3.3 DURACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN ................................................. 13 2.3.4 DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN........................................... 13 2.3.5 DIRECCIÓN Y VELOCIDAD CON QUE SE DESPLAZA LA PRECIPITACIÓN .......................................................................................... 14 2.3.6 PRECIPITACIÓN ANTECEDENTE Y HUMEDAD DEL SUELO .......... 14 2.3.7 OTRAS CONDICIONES METEREOLÓGICOS .................................... 14 2.4 FACTORES ANTRÓPICOS DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA QUE AFECTAN AL ESCURRIMIENTO ............................................................ 14 2.4.1 USO Y CUBIERTA DEL SUELO .......................................................... 14 2.4.2 URBANIZACIÓN .................................................................................. 16 2.5 TRÁNSITO DE CRECIDAS ........................................................................ 16 2.6 MODELACIÓN DE CRECIDAS .................................................................. 18 2.6.1 MODELOS HIDROLÓGICOS............................................................... 18 2.7 MODELACIÓN DE CRECIDAS A TRAVÉS DE LA RELACIÓN PRECIPITACIÓN – ESCURRIMIENTO ............................................................ 23 2.7.1 MÉTODOS DE ANÁLISIS .................................................................... 24 2.7.2 EL HIDROGRAMA ............................................................................... 24 2.7.3 PRECIPITACIÓN ................................................................................. 32 CAPÍTULO 3 ........................................................................................................ 40 CONFORMACIÓN DE LA BASE DATOS Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN DISPONIBLE DE EVENTOS DE CRECIDA .............................. 40 3.1 CARTOGRAFÍA BÁSICA Y TEMÁTICA ..................................................... 40.

(10) X. 3.1.1 CARACTERIZACIÓN DE LA CUENCA ................................................ 41 3.2 INFORMACIÓN HIDROLÓGICA Y CLIMATOLÓGICA............................... 51 3.2.1 DATOS HIDROLÓGICOS .................................................................... 51 3.2.2 DATOS METEOROLÓGICOS.............................................................. 51 CAPÍTULO 4 ........................................................................................................ 54 CARACTERIZACIÓN HIDROMETEOROLÓGICA E HIDRÁULICA DE LAS CRECIDAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA .................................. 54 4.1 METODOLOGÍA UTILIZADA PARA EL CÁLCULO DEL HIDROGRAMA UNITARIO ............................................................................... 54 4.1.1 SELECCIÓN DEL EVENTO ................................................................. 55 4.1.2 CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA ........................................ 59 4.1.3 CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN EFECTIVA TOTAL ..................... 66 4.2 CONDICIONES FÍSICO – GEOGRÁFICAS DE LA CUENCA DE DRENAJE ......................................................................................................... 69 4.2.1 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS SUBCUENCAS DE DRENAJE ..................................................................................................... 69 4.3 FORMACIÓN DE CRECIDAS..................................................................... 81 4.3.1 GENERACIÓN DEL HIDROGRAMA UNITARIO.................................. 81 4.3.2 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA HEC-HMS ..................................... 86 4.3.3 APLICACIÓN DEL PROGRAMA HMS A LOS EVENTOS ................... 90 4.4 TRÁNSITO DE CRECIDAS ........................................................................ 94 4.4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA HEC-RAS...................................... 94 4.4.2 BASES PARA EL CÁLCULO ............................................................... 95 4.4.3 METODOLOGÍA DE CÁLCULO DEL PROGRAMA HEC-RAS ............ 97 4.4.4 MODELACIÓN DEL TRAMO DESDE EL RECREO HASTA EL TRÉBOL .......................................................................................................104 4.4.5 MODELACIÓN DEL TRAMO EN EL SECTOR DE LAS GOLONDRINAS ...........................................................................................108.

(11) XI. 4.5 DEFINICIÓN DE ESCENARIOS CRÍTICOS ..............................................112 CAPITULO 5 .......................................................................................................115 MODELACIÓN DE CRECIDAS ...........................................................................115 5.1 CALIBRACIÓN...........................................................................................115 5.1.1 CALIBRACIÓN POR MEDIO DE LA SUBCUENCA H-170 .................117 5.2 VALIDACIÓN .............................................................................................121 5.2.1 VALIDACIÓN POR MEDIO DE LA SUBCUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA AJ BLANCO ...................................................................121 5.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................................................125 5.3.1 MODELACIÓN HIDROLÓGICA DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ........................................................................................125 5.3.2 MODELACIÓN HIDRÁULICA DEL TRAMO DE EL RECREO AL TRÉBOL .................................................................................................128 5.3.3 MODELACIÓN HIDRÁULICA DEL TRAMO DEL SECTOR LAS GOLONDRINAS ...........................................................................................135 5.3.4 MAPAS DE INUNDACIONES .............................................................138 CAPÍTULO 6 .......................................................................................................139 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................................................139 6.1 CONCLUSIONES ......................................................................................139 6.2 RECOMENDACIONES ..............................................................................141 CAPÍTULO 7 .......................................................................................................143 BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................143 7.1 BIBLIOGRAFÍA ..........................................................................................143 ANEXOS .............................................................................................................147 1 MAPAS .............................................................................................................148 2 ISOYETAS POR EVENTO ...............................................................................156 3 INFORMACIÓN METEREOLÓGICA ................................................................185.

(12) XII. 4 INFORMACIÓN HIDROLÓGICA ......................................................................230 5 HOJAS DE CÁLCULO DEL HIDROGRAMA UNITARIO ..................................236 6 GRÁFICOS DE HIDROGRAMAS .....................................................................246 7 HIDROGRAMAS OBTENIDOS DEL HEC-HMS ...............................................266 8 MAPAS DE INUNDACIÓN ...............................................................................300 9 ANEXO DIGITAL ..............................................................................................305.

(13) XIII. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 2.1 FASE TERRESTRE DEL CICLO DEL AGUA EN ZONAS HÚMEDAS ............................................................................................................. 5 FIGURA 2.2 VELOCIDADES DE INFILTRACIÓN COMPARADAS DURANTE EL RECORRIDO INICIAL Y HÚMEDO. ............................................... 6 FIGURA 2.3 DESCOMPOSICIÓN DE LA APORTACIÓN DE UNA LLUVIA DE INTENSIDAD UNIFORME ................................................................................ 7 FIGURA 2.4 FORMAS DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA................................ 8 FIGURA 2.5 DIFERENTES CONDICIONES HIDROLÓGICAS. .......................... 10 FIGURA 2.6 CONTINUIDAD DEL AGUA ALMACENADA EN UN SISTEMA HIDROLÓGICO. .................................................................................. 23 FIGURA 2.7 HIDROGRAMA DE TORMENTA. ................................................... 24 FIGURA 2.8 ESQUEMA QUE INDICA EL CÁLCULO DEL HIDROGRAMA TRADICIONAL ..................................................................................................... 27 FIGURA 2.9 HIDROGRAMA UNITARIO DESDE MÚLTIPLES TORMENTAS ....................................................................................................... 30 FIGURA 2.10 HIDROGRAMA UNITARIO TRIANGULAR S.C.S – US ................ 31 FIGURA 2.11 HIETOGRAMA DE ALTURAS DE PRECIPITACIÓN .................... 33 FIGURA 2.12 HIETOGRAMA DE INTENSIDADES DE PRECIPITACIÓN. ......... 33 FIGURA 2.13 DISTRIBUCIÓN Y CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA CON ISOYETAS ...................................................................................... 34 FIGURA 2.14 ÍNDICE Φ DE INFILTRACIÓN ...................................................... 35 FIGURA 3.1 LOCALIZACIÓN DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 42 FIGURA 3.2 TOPOGRAFÍA DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 43.

(14) XIV. FIGURA 3.3 TIPOS DE CLIMAS DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 44 FIGURA 3.4 USO DEL SUELO DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 45 FIGURA 3.5 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELOS DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................. 45 FIGURA 3.6 COBERTURA VEGETAL DEL SUELO DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................. 48 FIGURA 3.7 TIPO DE SUELO DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 49 FIGURA 3.8 DISTRIBUCIÓN DEL TIPO DE SUELO DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................. 50 FIGURA 3.9 RESERVAS ECOLÓGICAS DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 50 FIGURA 3.10 ESTACIONES METEOROLÓGICAS DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................. 52 FIGURA 4.1 ESQUEMA DE CÁLCULO DEL HIDROGRAMA UNITARIO ........... 54 FIGURA 4.2 MAPA DE ISOYETAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA (DÍA 1) .................................................................................... 61 FIGURA 4.3 MAPA DE ISOYETAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA (DÍA 2) .................................................................................... 61 FIGURA 4.4 MAPA DE ISOYETAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA (DÍA 3) .................................................................................... 62 FIGURA 4.5 MAPA DE ISOYETAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA (DÍA 4) .................................................................................... 62 FIGURA 4.6 MAPA DE ISOYETAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA (DÍA 5) .................................................................................... 63 FIGURA 4.7 MAPA DE ISOYETAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA (DÍA 6) .................................................................................... 63.

(15) XV. FIGURA 4.8 SUBCUENCAS DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ...... 70 FIGURA 4.9 GRUPOS HIDROLÓGICOS DEL SUELO....................................... 85 FIGURA 4.10 SELECCIÓN DEL MÓDULO DE PRECIPITACIÓN ...................... 87 FIGURA 4.11 SELECCIÓN DEL MÓDULO DE LA CUENCA ............................. 88 FIGURA 4.12 SELECCIÓN DEL MÓDULO DE CONTROL ................................ 89 FIGURA 4.13 ESQUEMA DE MODELACIÓN DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 89 FIGURA 4.14 ESQUEMA DE MODELACIÓN DE LA SUBCUENCA DE EL TRÉBOL .......................................................................................................... 90 FIGURA 4.15 RED HÍDRICA DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 92 FIGURA 4.16 MAPA DE LAS SUBCUENCAS DE ANÁLISIS ............................. 93 FIGURA 4.17 REPRESENTACIÓN DE LOS TÉRMINOS DE LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA .............................................................................. 98 FIGURA 4.18 UBICACIÓN DEL TRAMO DEL RÍO MACHÁNGARA .................104 FIGURA 4.19 ESQUEMA DE LA GEOMETRÍA TRAMO RECREO-TRÉBOL EN HEC-RAS ......................................................................105 FIGURA 4.20 PASO 1 PARA ESTABLECER LAS ESTRUCTURAS .................106 FIGURA 4.21 PASO 2 PARA ESTABLECER LAS ESTRUCTURAS .................106 FIGURA 4.22 PASO 3 PARA ESTABLECER LAS ESTRUCTURAS .................106 FIGURA 4.23 PASO 4 PARA ESTABLECER LAS ESTRUCTURAS .................107 FIGURA 4.24 PASO 5 PARA ESTABLECER LAS ESTRUCTURAS .................107 FIGURA 4.25 UBICACIÓN DEL TRAMO SECTOR LAS GOLONDRINAS ..................................................................................................109 FIGURA 4.26 ESQUEMA DE LA GEOMETRÍA EN EL SECTOR DE LAS GOLONDRINAS ..................................................................................................109.

(16) XVI. FIGURA 4.27 DIAGRAMA DE LOS ESCENARIOS MODELADOS EN HEC-HMS ............................................................................................................113 FIGURA 4.28 DIAGRAMA DE ESCENARIOS MODELADOS PARA EL TRAMO DE EL TRÉBOL EN HEC-RAS ..............................................................114 FIGURA 4.29 DIAGRAMA DE ESCENARIOS MODELADOS PARA EL TRAMO LAS GOLONDRINAS EN HEC-RAS .....................................................114 FIGURA 5.1 PROCESO PARA LA MODELACIÓN HIDROLÓGICA E HIDRÁULICA .......................................................................................................115.

(17) XVII. ÍNDICE DE GRÁFICOS GRÁFICO 4.1 HIDROGRAMA DE LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO NO. 3 .................................................................................................... 59 GRÁFICO 4.2 CURVA DE PRECIPITACIÓN MEDIA ACUMULADA PARA EL EVENTO NO. 3 EN LA SUBCUENCA H-170 ................................................. 64 GRÁFICO 4.3 HIETOGRAMA DE PRECIPITACIÓN CON ΔT = 180MIN. DE LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO NO. 3 ....................................... 66 GRÁFICO 4.4 HIETOGRAMA DE INTENSIDADES ............................................ 69 GRÁFICO 4.5 CURVA HIPSOMÉTRICA DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA ................................................................................................ 72 GRÁFICO 4.6 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO PARA LA SUBCUENCA DEL RÍO SAN PEDRO EN MACHACHI........................................ 73 GRÁFICO 4.7 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO PARA LA SUBCUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA A.J. RÍO CUBI.................................. 74 GRÁFICO 4.8 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO PARA LA SUBCUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA EN EL PUENTE CHACAPATA ........ 76 GRÁFICO 4.9 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO PARA LA SUBCUENCA DEL RÍO INTAG D.J. RÍO PAMPLONA ........................................ 77 GRÁFICO 4.10 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO PARA LA SUBCUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA D.J. RÍO ALAMBI ............................. 78 GRÁFICO 4.11 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO PARA LA SUBCUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA D.J. RÍO PACHIJAL ......................... 79 GRÁFICO 4.12 DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO PARA LA SUBCUENCA DEL RÍO MACHÁNGARA SECTOR EL TRÉBOL ........................ 80 GRÁFICO 4.13 HIDROGRAMA UNITARIO (TD = 180MIN) DE LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO NO. 3 .................................................. 84 GRÁFICO 5.1 HIDROGRAMA UNITARIO (TD=180MIN) DEL EVENTO 4 ........117.

(18) XVIII. GRÁFICO 5.2 HIDROGRAMA UNITARIO (TD=180MIN) DEL EVENTO 1 ........117 GRÁFICO 5.3 HIDROGRAMA UNITARIO (TD=180MIN) DEL EVENTO 2 ........118 GRÁFICO 5.4 HIDROGRAMA UNITARIO (TD=180MIN) DEL EVENTO 3 ........118 GRÁFICO 5.5 HIDROGRAMA UNITARIO (TD=180MIN) DEL EVENTO 8 ........118 GRÁFICO 5.6 COMPARACIÓN DE HIDROGRAMAS OBSERVADOS Y SIMULADO PARA EL EVENTO 1 EN LA SUBCUENCA H-170 .........................119 GRÁFICO 5.7 COMPARACIÓN DE HIDROGRAMAS OBSERVADOS Y SIMULADO PARA EL EVENTO 2 EN LA SUBCUENCA H-170 .........................120 GRÁFICO 5.8 COMPARACIÓN DE HIDROGRAMAS OBSERVADOS Y SIMULADO PARA EL EVENTO 3 EN LA SUBCUENCA H-170 .........................120 GRÁFICO 5.9 COMPARACIÓN DE HIDROGRAMAS OBSERVADOS Y SIMULADO PARA EL EVENTO 8 EN LA SUBCUENCA H-170 .........................121 GRÁFICO 5.10 HIETOGRAMA EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 1) ........................................................................................................122 GRÁFICO 5.11 HIDROGRAMAS EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 1) ........................................................................................................122 GRÁFICO 5.12 HIETOGRAMA EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 2) ........................................................................................................123 GRÁFICO 5.13 HIDROGRAMAS EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 2) ........................................................................................................123 GRÁFICO 5.14 HIETOGRAMA EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 3) ........................................................................................................124 GRÁFICO 5.15 HIDROGRAMAS EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 3) ........................................................................................................124 GRÁFICO 5.16 HIETOGRAMA EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 4) ........................................................................................................125 GRÁFICO 5.17 HIDROGRAMAS EN LA SUBCUENCA H-170 (EVENTO 4) ........................................................................................................125.

(19) XIX. GRÁFICO 5.18 HIDROGRAMAS OBTENIDOS EN LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO 1 ................................................................................126 GRÁFICO 5.19 HIDROGRAMAS OBTENIDOS EN LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO 2 ................................................................................127 GRÁFICO 5.20 HIDROGRAMAS OBTENIDOS EN LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO 5 ................................................................................127 GRÁFICO 5.21 HIDROGRAMAS OBTENIDOS EN LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO 7 ................................................................................128 GRÁFICO 5.22 HIDROGRAMA DE SALIDA DEL EVENTO 2 EN EL SECTOR DE EL TRÉBOL PARA CONDICIONES DE SUELO ACTUAL ............129 GRÁFICO 5.23 HIDROGRAMA DE SALIDA DEL EVENTO 2 EN EL SECTOR DE EL TRÉBOL PARA CONDICIONES DE SUELO FUTURO ...........130 GRÁFICO 5.24 HIDROGRAMA DE SALIDA DEL EVENTO 4 EN EL SECTOR DE EL TRÉBOL PARA CONDICIONES DE SUELO ACTUAL ............131 GRÁFICO 5.25 HIDROGRAMA DE SALIDA DEL EVENTO 4 EN EL SECTOR DE EL TRÉBOL PARA CONDICIONES DE SUELO FUTURO ...........132 GRÁFICO 5.26 HIDROGRAMA DE SALIDA DEL EVENTO 4 EN EL SECTOR DE EL TRÉBOL PARA CONDICIONES DE SUELO NATURAL .........133 GRÁFICO 5.27 HIDROGRAMA DE SALIDA DEL EVENTO 1 EN EL SECTOR DE LAS GOLONDRINAS PARA SUELO NATURAL, FUTURO Y NATURAL ........................................................................................................135 GRÁFICO 5.28 HIDROGRAMA DE SALIDA DEL EVENTO 2 EN EL SECTOR DE LAS GOLONDRINAS PARA SUELO NATURAL, FUTURO Y NATURAL ........................................................................................................136.

(20) XX. ÍNDICE DE TABLAS TABLA 2.1 VALORES DE CN EN FUNCIÓN DE LA COBERTURA Y GRUPOS HIDROLÓGICOS DEL SUELO (CONDICIÓN DE HUMEDAD II) ........ 38 TABLA 3.1 INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA DISPONIBLE ............................. 41 TABLA 3.2 DISTRIBUCIÓN DE LA COBERTURA VEGETAL DEL SUELO DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA......................................... 46 TABLA 3.3 INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DISPONIBLE ................................ 51 TABLA 3.4 CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS .............. 52 TABLA 3.5 INFORMACIÓN METEOROLÓGICA DISPONIBLE .......................... 53 TABLA 4.1 ANUARIO HIDROLÓGICO DEL AÑO 1982 PARA LA ESTACIÓN GUAYLLABAMBA AJ BLANCO (H-170) ........................................... 56 TABLA 4.2 ANUARIO HIDROLÓGICO DEL AÑO 1982 PARA LA ESTACIÓN GUAYLLABAMBA DJ PACHIJAL (H-147)......................................... 57 TABLA 4.3 CAUDALES DEL EVENTO NO. 3 ..................................................... 58 TABLA 4.4 FECHAS DE LOS EVENTOS CRÍTICOS ......................................... 58 TABLA 4.5 CAUDALES DEL EVENTO NO. 4 (DICIEMBRE – 1982) .................. 59 TABLA 4.6 PRECIPITACIONES DIARIAS PARA EL EVENTO NO. 3 ................ 60 TABLA 4.7 PRECIPITACIÓN MEDIA DEL EVENTO NO. 3 ................................ 64 TABLA 4.8 PRECIPITACIÓN CON ΔT=180MIN. EN LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO NO. 3 ......................................................................... 65 TABLA 4.9 CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN EFECTIVA DE LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO NO. 3 .................................................. 67 TABLA 4.10 CÁLCULO DE LA INTENSIDAD EFECTIVA DE LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO NO. 3 .................................................. 68 TABLA 4.11 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS SUBCUENCAS DE DRENAJE ............................................................................................................. 71.

(21) XXI. TABLA 4.12 PARÁMETROS TEMPORIZADORES DE CADA SUBCUENCA DE ANÁLISIS ................................................................................ 81 TABLA 4.13 CÁLCULO DEL HIDROGRAMA UNITARIO DE LA SUBCUENCA H-170 PARA EL EVENTO NO. 3 .................................................. 83 TABLA 4.14 CLASIFICACIÓN HIDROLÓGICA DEL SUELO SEGÚN S.C.S. ..... 84 TABLA 4.15 VALORES DEL NÚMERO DE CURVA ........................................... 86 TABLA 4.16 COEFICIENTES DE RUGOSIDAD DE MANNING ........................102 TABLA 4.17 VALORES DE CORRECCIÓN PARA LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE “N” DE MANNING ................................103 TABLA 4.18 COEFICIENTES DE PÉRDIDA DE ENERGÍA PARA EL MODELO HEC-RAS ............................................................................................104 TABLA 4.19 CARACTERÍSTICAS GEOGRÁFICAS Y GEOMÉTRICAS DE LAS ESTRUCTURAS UBICADAS DENTRO DEL TRAMO EL RECREO – EL TRÉBOL .....................................................................................108 TABLA 4.20 VALORES DE CORRECCIÓN A LO LARGO DEL CAUCE ...........111 TABLA 4.21 VALORES DEL NÚMERO DE CURVA PARA SUELO NATURAL Y FUTURO ........................................................................................112 TABLA 5.1 AJUSTES PARA EVALUAR LA CALIDAD DE LAS SIMULACIONES .................................................................................................119 TABLA 5.2 RESUMEN DE CAUDALES DE ENTRADA Y SALIDA PARA CADA ESCENARIO ............................................................................................133 TABLA 5.3 CAUDALES MÁXIMOS Y VOLUMEN LAMINADO PARA CADA ESCENARIO PROPUESTO .....................................................................134 TABLA 5.4 VELOCIDADES EN LAS ESTRUCTURAS EN EL TRAMO DE EL RECREO AL TRÉBOL .............................................................................134 TABLA 5.5 RESUMEN DE CAUDALES DE ENTRADA Y SALIDA PARA CADA ESCENARIO ............................................................................................137 TABLA 5.6 CAUDALES MÁXIMOS Y VOLUMEN LAMINADO PARA CADA ESCENARIO PROPUESTO .................................................................... 137.

(22) XXII. RESUMEN El estudio de caudales máximos es de gran importancia con relación a posibles inundaciones que se puedan dar a lo largo del tiempo. El presente estudio corresponde a la cuenca del río Guayllabamba hasta antes de la junta con el río Blanco. Se ha establecido algunos eventos de crecidas ocurridos entre los años de 1970 y 1980, que es el período en el cual se dispone una buena información hidrometeorológica de acuerdo a los Anuarios Hidrológicos y Meteorológicos proporcionados por el INAMHI. El objetivo del presente proyecto es identificar escenarios de crecidas críticas en la cuenca del río Guayllabamba y modelar su comportamiento a través de relaciones precipitación – escurrimiento. Para este estudio se ha. dividido a la cuenca del río Guayllabamba en 7. subcuencas, cada una de ellas tiene su punto de descarga en una estación hidrológica. Se analizan las características físico – geográficas de cada una de las subcuencas mediante el uso de información cartográfica en escala 1:50000 y 1:250000, además de una herramienta informática como lo es ArcGis 10.2.2. Se hace el estudio de taxonomía, textura y uso del suelo en base a información obtenida del MAGAP en escala 1:250000. Con la información hidrológica recopilada del período de los años 1970-2010, se selecciona los eventos que corresponden a crecidas considerables y que existan datos continuos de por lo menos cuatro días. A partir de dicha información se procede a buscar los registros meteorológicos en las fechas que ocurrieron los eventos de crecida. Se establecen ocho eventos críticos para los cuales se define tres escenarios para cada uno referentes a la cobertura de suelo..

(23) XXIII. Se realiza la modelación hidrológica de la cuenca del río Guayllabamba mediante el software HEC-HMS 4.0, obteniendo resultados en forma de hidrogramas para luego ser comparados con los hidrogramas observados. Se procede a realizar la simulación hidráulica de los tramos de El Recreo al Trébol y del sector en donde se encuentra ubicada la estación hidrológica GUAYLLABAMBA DJ PACHIJAL hasta el punto de descarga final, ubicado antes de la junta con el río Blanco, que es la estación GUAYLLABAMBA AJ BLANCO..

(24) XXIV. PRESENTACIÓN El presente proyecto se encuentra desarrollado en seis capítulos que se los detalla a continuación: CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN.- Se presentan los objetivos, justificación y alcance del trabajo. CAPÍTULO. 2:. REVISIÓN. BIBLIOGRÁFICA. SOBRE. MODELACIÓN. DE. CRECIDAS.- Se recopila información acerca de todo lo relacionado con modelación de crecidas y además del uso de programas computacionales como HEC-HMS y HEC-RAS, los cuales serán utilizados como herramientas en este trabajo. CAPÍTULO 3: CONFORMACIÓN DE LA BASE DATOS Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN DISPONIBLE DE EVENTOS DE CRECIDA.- Se analiza los datos existente en las estaciones hidrológicas y metereológicas dentro de la cuenca del río Guayllabamba. Se escoge la información en base a los anuarios hidrológicos y metereológicos entre los años de 1961 y 2010. CAPÍTULO 4: CARACTERIZACIÓN HIDROMETEOROLÓGICA E HIDRÁULICA DE LAS CRECIDAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA.- Se definen los escenarios críticos CAPÍTULO 5: MODELACIÓN DE CRECIDAS.- En este capítulo se detalla el proceso de calibración que fue utilizado para la respectiva modelación, también se presentan los resultados obtenidos y su respectivo análisis y comparación entre los diferentes escenarios propuestos para el proyecto. CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.- Se presenta las conclusiones que ha dejado la elaboración del presente trabajo y sus respectivas recomendaciones. CAPÍTULO 7: BIBLIOGRAFÍA.- Se muestra toda la información bibliográfica que se ha utilizado como fuente de consulta para la realización de este proyecto de titulación..

(25) XXV. GLOSARIO Agua Subterránea: (WMO, 2012), define al término como agua que ocupa la zona saturada del subsuelo. Anegamiento: Acumulación de un volumen de agua/lluvia sobre la superficie del suelo, por falta de escurrimiento, drenaje o filtración. Cauce: (WMO, 2012), define al término como curso de agua claramente definido por el que fluye agua de forma periódica o continua. Caudal base: Caudal que se incorpora a una corriente de agua, procedente principalmente de aguas subterráneas aunque también de lagos y glaciares, durante períodos largos en los que no se produce ni precipitación ni fusión de nieve. Capacidad de campo: (WMO, 2012), define al término como cantidad de agua retenida en el suelo cuando ha drenado el agua por acción de la gravedad. Capacidad de infiltración: (WMO, 2012), define al término como velocidad máxima a la que el agua puede ser absorbida por un terreno determinado, por unidad de superficie y en unas condiciones determinadas. Caudal pico: Caudal máximo para un hidrograma de crecida dado. Celeridad: (WMO, 2012), define al término como velocidad de propagación de una onda. Coeficiente de compacidad: Se obtiene al relacionar el perímetro de la cuenca, con el perímetro de un círculo, que tiene la misma área de la cuenca. Cuenca hidrográfica: (WMO, 2012), define al término como área que tiene una salida única para su escorrentía superficial. Densidad de drenaje: (WMO, 2012), define al término como suma de las longitudes de toda la red de cauces de cualquier orden en una cuenca, dividida por el área de la misma..

(26) XXVI. Escorrentía: (WMO, 2012), define al término como parte de la precipitación que fluye por la superficie del terreno hacia un curso de agua (escorrentía de superficie) o en el interior del suelo (escorrentía subterránea o flujo hipodérmico). Factor de forma: Cociente entre la superficie de una cuenca y el cuadrado de su longitud. Flujo subsuperficial: (WMO, 2012), define al término como cualquier flujo que se produce por debajo de la superficie del terreno que puede contribuir al interflujo, al caudal base o a la percolación. Isoyeta: (WMO, 2012), define al término como línea que une los puntos de igual altura de precipitación en un período dado. Lecho del río: (WMO, 2012), define al término como parte inferior de un valle fluvial conformada por el flujo de agua y a lo largo de la cual se mueven la mayor parte del caudal y los sedimentos. Licuefacción: Cuando un material no consolidado pierde su resistencia al esfuerzo cortante a causa de una vibración intensa y rápida, que rompe su estructura granular al reducir su presión inter-granular. Modelo de precipitación-escurrimiento: (WMO, 2012), define al término como todo modelo matemático que relacione los datos de escorrentía con los de lluvia. Número de curva: (WMO, 2012), define al término como parámetro empírico que varía entre 0 y 100 que se utiliza para estimar el coeficiente de escorrentía de un episodio de lluvias a partir de la altura de precipitación y las propiedades de drenaje de la cuenca. Onda de crecida: (WMO, 2012), define al término como aumento del caudal de una corriente de agua hasta un valor máximo y su ulterior recesión, a consecuencia de un período de precipitaciones, deshielo, rotura de presa o vertidos de centrales hidroeléctricas. Precipitación: (WMO, 2012), define al término como elementos líquidos o sólidos procedentes de la condensación o sublimación del vapor de agua que caen de las nubes o son depositados desde el aire en el suelo..

(27) XXVII. Precipitación orográfica: (WMO, 2012), define al término como precipitación causada por la ascensión de aire húmedo sobre barreras orográficas. Retención superficial: (WMO, 2012), define al término como parte de la precipitación que permanece sobre la superficie del suelo sin producirse escorrentía ni infiltración hasta que se evapora o se transpira. Sinuosidad de un río: Es el grado de curvatura del plano del curso del mismo. Terrazas de inundación o terrazas fluviales: Depósitos que dejan los ríos en sus laderas al ahondarse el cauce por la depresión. Tormenta: (WMO, 2012), define al término como precipitación muy intensa de lluvia, nieve o granizo, que puede presentarse acompañada de viento y está asociada a un fenómeno meteorológico diferenciado. Tiempo de recesión o retardo: Período de disminución del caudal, representado por la rama descendente de un hidrograma desde su valor máximo. Tributario: (WMO, 2012), define al término como curso de agua que desemboca en un curso de agua mayor o en un lago..

(28) 1CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN. El estudio del presente proyecto acerca de Escenarios Hidrológicos en la Cuenca del Río Guayllabamba, permite identificar eventos de crecida que se han dado en el pasado, para analizar su comportamiento tomando en cuenta el cambio en el uso del suelo, para así poder determinar las zonas de inundación y los peligros que conlleva un evento de tal magnitud.. 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 OBJETIVO GENERAL Identificar escenarios de crecidas críticas en la cuenca del río Guayllabamba y modelar su comportamiento a través de relaciones precipitación – escurrimiento. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ·. Generar la base de datos físico – geográfica con información sobre el tipo de suelo y su uso.. ·. Identificar la red hidrometeorológica existente.. ·. Generar la base de datos hidrometeorológica asociada a los eventos de crecida definidos, y validación de la información.. ·. Definir los escenarios zonales de crecidas.. ·. Analizar el comportamiento de las lluvias intensas en la cuenca.. ·. Evaluar el cambio en el uso del suelo.. ·. Analizar la infraestructura hidráulica existente y su incidencia en el tránsito de crecidas en los cauces.. ·. Modelar las crecidas a través de relaciones precipitación – caudal..

(29) 2. 1.2 JUSTIFICACIÓN El análisis y modelación de los eventos de crecida son de importancia en la cuenca del río Guayllabamba, la misma que se encuentra fuertemente influenciada por las actividades socio – económicas, resultado de la intensa actividad antrópica. El desarrollo de obras hidráulicas que están operando y las que entrarán en funcionamiento en los próximos años, exige el conocimiento detallado de los procesos relacionados con la formación de las crecidas, así también de su variabilidad espacial y temporal. Las variables que inciden a nivel de cuenca hidrográfica en la ocurrencia del escurrimiento superficial son las climáticas y físico – geográficas, que repercuten en actividades socio – económicas. Estas variables se presentan a través del cambio en el uso del suelo, de los trasvases de agua, de la implementación de proyectos de uso y aprovechamiento del agua, así también de manera creciente impactan en la calidad del agua. (ANDRADE,L., et al, 2010). Se pretende estudiar el comportamiento hidrológico de los eventos de crecidas de la cuenca del río Guayllabamba, para luego ser modelado en los programas HECHMS y HEC-RAS, para de esta forma realizar una comparación entre diferentes escenarios.. 1.3 ALCANCE El estudio se refiere a la cuenca del río Guayllabamba con área de drenaje de 8237 km2, hasta antes de la junta con el río Guayllabamba, en donde se asienta gran parte del Distrito Metropolitano de Quito con una población de 2,5 millones de habitantes, que ejerce enorme presión sobre las áreas de drenaje. En base a los registros hidrometeorológicos disponibles se identificará eventos críticos de crecida que tengan influencia zonal. El análisis y procesamiento estadístico de la información meteorológica e hidrológica asociada a estos eventos posibilita estudiar el comportamiento hidrológico de los eventos de crecida, y su modelación..

(30) 3. Se analiza los eventos críticos, tomando en cuenta el cambio en el uso del suelo de la cuenca y también la infraestructura hidráulica de mayor importancia, que existe en los cursos principales. Para la modelación hidráulica se analiza el sector de El Recreo hasta El Trébol, teniendo como cauce principal al río Machángara, cuyo flujo está condicionado por diferentes estructuras existentes. El software HEC- HMS se utiliza para la modelación hidrológica, es decir, se obtiene los hidrogramas de crecida para cada evento, que luego serán utilizados como datos de entrada en la modelación hidráulica mediante el software HECRAS con flujo no permanente. Dentro del entorno del programa HEC-HMS se manejan datos como área de la cuenca, infiltración, tipo de suelo y sirve para obtener hidrogramas en un punto establecido, pero no interviene la información de la geometría del cauce, para lo cual utilizamos el software HEC-RAS que sirve para modelar la parte hidráulica, y en este caso lo utilizaremos para evaluar el comportamiento dentro de dos tramos propuestos: uno que comienza en el sector de El Recreo hasta el Trébol, y otro en el sector de Las Golondrinas cercano a Quinindé..

(31) 4. 2CAPÍTULO 2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE MODELACIÓN DE CRECIDAS. 2.1 INTRODUCCIÓN La escorrentía puede ser. el resultado de una pequeña duración e intensa. precipitación, larga duración y baja intensidad, derretimiento de hielo, falla de presas. Eventos tales como terremotos, deslizamientos, altas mareas o tormentas pueden empeorar las condiciones de crecida. La información de las magnitudes que probablemente puedan ocurrir en el futuro es obtenida por registros de datos que ocurrieron en el pasado. La naturaleza de la crecida se debe a la interacción de la atmósfera, la geología y geomorfología del suelo, vegetación y superficie del suelo, y actividades de las personas, es tan compleja que el uso exclusivo de la teoría o modelos puede proveer solo estimaciones generalizadas del régimen de crecida de una corriente o región. La información de los eventos más recientes de escorrentía de crecida puede ser obtenida a partir de las marcas dejadas por los escombros en las riberas del río durante el evento y en las llanuras de inundación. Una tormenta dada puede producir una gran crecida en una región, pero en una similar región, la misma tormenta puede producir una pequeña escorrentía. (MAIDMENT, 1992) El escurrimiento bajo condiciones extremas de precipitación o uso del suelo, puede causar erosión en el suelo y en las orillas de los cauces; llevándose valiosos nutrientes agrícolas y contaminantes; destruyendo puentes, servicios públicos, y desarrollos urbanos; y causando inundaciones y depósitos de sedimentos en áreas recreacionales, industriales y residenciales a lo largo de sistemas hídricos. (WARD & TRIMBLE, 1995).

(32) 5. CICLO DE ESCORRENTÍA Este es una parte del ciclo hidrológico, que abarca la caída de la precipitación sobre las áreas del suelo hasta la descarga del agua a través de las corrientes y evapotranspiración. FIGURA 2.1 FASE TERRESTRE DEL CICLO DEL AGUA EN ZONAS HÚMEDAS. Fuente: MAIDMENT D. - “Handbook of Hydrology”. Todos los procesos que producen la escorrentía mostrados en la figura anterior dependen del tiempo de duración desde el comienzo de la anterior precipitación y de la evapotranspiración durante el tiempo. (MAIDMENT, 1992) La precipitación que cae durante la primera parte de una tormenta, se almacena en la cubierta vegetal (proceso conocido como intercepción) y en charcos de la superficie llamado almacenamiento en depresiones, procesos que durante el evento de precipitación forman parte de la retención en la superficie, además, está el proceso de evaporación, pero no incluye el agua temporalmente almacenada en el recorrido de las corrientes..

(33) 6. El agua almacenada en depresiones al final de la lluvia es evaporada o absorbida por el suelo a través de la infiltración. Las depresiones con un área relativamente apreciable para el drenaje de la cuenca bajo ciertas consideraciones son usualmente llamadas drenaje ciego y excluidas del análisis hidrológico. (LINSLEY, KOHLER, & PAULHUS, 1975) La intercepción, el almacenamiento en depresiones e infiltración evitan que algunas precipitaciones se conviertan en escorrentía y son considerados por los tanto como pérdidas. La infiltración del agua es la pérdida más importante de los procesos. Es una pérdida directa y esta gobierna el volumen de escorrentía de crecida y la influencia en la forma del hidrograma. (MAIDMENT, 1992) La capacidad de infiltración depende del tipo de suelo, contenido de humedad, materia orgánica, cobertura vegetal y estación del año. La porosidad determina la capacidad de almacenamiento y resistencia del flujo. FIGURA 2.2 VELOCIDADES DE INFILTRACIÓN COMPARADAS DURANTE EL RECORRIDO INICIAL Y HÚMEDO.. Fuente: LINSLEY, et al. - “Hydrology for Engineers”. Cuando la intensidad de precipitación exceda la capacidad de infiltración, la lluvia en exceso comienza a llenar las depresiones. Al estar llenas comienza el flujo.

(34) 7. superficial, después. llegan a la corriente del canal, esta cadena de eventos. continúa. La velocidad de la escorrentía superficial. comienza desde cero, incrementa. progresivamente, esta se asemeja en gran porcentaje a la velocidad de precipitación. Ambas dependen de la intensidad de precipitación. (LINSLEY, KOHLER, & PAULHUS, 1975) El flujo superficial saturado se produce en la superficie que se encuentra saturado, debido a que el flujo surgió debajo de la superficie o el nivel freático esta alto, independientemente de la precipitación. (BRUTSAERT, 2005) El agua infiltrada en el suelo y no retenida como humedad, se traslada como flujo intermedio o se penetra hasta el nivel freático y eventualmente alcanza la corriente. (LINSLEY, KOHLER, & PAULHUS, 1975) Flujo intermedio es agua que se ha infiltrado en el suelo, gran parte a través de poros tales como cráteres, raíces y madrigales de animales. Este flujo alcanza rápidamente la corriente del canal y discrepa de flujo subterráneo por la rapidez de su respuesta y su relativa gran magnitud. (BRUTSAERT, 2005) FIGURA 2.3 DESCOMPOSICIÓN DE LA APORTACIÓN DE UNA LLUVIA DE INTENSIDAD UNIFORME. Fuente: LINSLEY, et al. - “Hydrology for Engineers”.

(35) 8. 2.2 FACTORES. FISIOGRÁFICOS. DE. UNA. CUENCA. HIDROGRÁFICA QUE AFECTAN AL ESCURRIMIENTO Están relacionados con la forma y características de la cuenca, y con los cauces que forma la red fluvial. Entre estos factores se tiene: morfométricos, los físicos y la red de drenaje. 2.2.1 FACTORES MORFOMÉTRICOS SUPERFICIE La superficie tiene influencia en las magnitudes de los caudales en la descarga. Se tiene que la relación entre el tamaño del área y la los caudales de descarga no es lineal. De esta forma, se tiene que en cuencas grandes el caudal máximo disminuye, debido al efecto de almacenamiento, el tiempo de recorrido, además, la intensidad de precipitación que ocurre con cualquier frecuencia, decrece conforme aumente la superficie. FORMA Tiene influencia en el volumen de agua escurrido a la salida de la cuenca. Cuencas hidrográficas de forma circular (FIGURA 2.4A) tienen alta velocidad de escurrimiento en comparación con otras formas porque el escurrimiento desde diferentes puntos en la cuenca son más probables de llegar a la salida en tiempos similares. Para largas y estrechas cuencas hidrográficas (FIGURA 2.4B), los tributarios se juntan al flujo principal en intervalos a lo largo de toda su longitud. Altas velocidades de flujo de los tributarios aguas abajo llegan a la salida antes del flujo de los tributarios superiores. (WARD & TRIMBLE, 1995) FIGURA 2.4 FORMAS DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA.. Fuente: Ward & Trimble – “Environmental Hydrology”.

(36) 9. Se tiene índices numéricos para expresar la forma de la cuencas, como son el factor forma y coeficiente de compacidad (índice de Gravelius). ELEVACIÓN Determina la forma de precipitación y la temperatura. Por lo general un área que se encuentra a mayor altura, recibe mayor precipitación que un área de menor altura para una misma zona. PENDIENTE Tiene influencia con la duración del escurrimiento en el suelo y en lo cauces naturales, afectando el caudal de descarga, además, se relaciona con la infiltración, la humedad en el suelo y la contribución de aguas subterráneas a la corriente. (FELIX SALAS, 2009) ORIENTACIÓN O ASPECTO Este aspecto afecta el contenido de agua en el suelo, la vegetación y las características del suelo. La orientación de este a oeste también puede ser importante porque los sistemas climáticos en latitudes medias se mueven desde el oeste hacia el este, las laderas orientadas hacia el oeste y cuencas pueden recibir mayor cantidad de lluvia. En una cuenca orientada hacia el oeste, la tormenta y el escurrimiento se mueven en direcciones opuestas. Por lo tanto, el escurrimiento del final de una cuenca puede que ya haya dejado la cuenca antes que el escurrimiento de la cabecera llegue. (WARD & TRIMBLE, 1995) 2.2.2 FACTORES FÍSICOS TIPO DE SUELO Las propiedades del suelo que tienen influencia en el escurrimiento son los mismos que los que influencian en la infiltración. La infiltración en exceso sucede en medios ambientes áridos y desérticos, ésta sucede con poca frecuencia en cuencas naturales cubiertas con extensa vegetación en climas húmedos..

(37) 10. La infiltración es la clave para mantener buenas condiciones hidrológicas (FIGURA 2.5a). En la FIGURA 2.5b, se tiene un paisaje en el cual mayor parte de la lluvia se infiltra, recarga el agua del suelo y la lleva arriba de la capacidad de campo y se traslada a través del suelo en. aguas subterráneas, donde está. disponible para uso o un caudal en los ríos. Algo de esto puede ir aguas abajo a través del suelo como flujo intermedio, también suministrar agua al río, pero ambas rutas mostradas son sub-superficiales y generalmente involucran un tiempo largo de tránsito hacia el río. FIGURA 2.5 DIFERENTES CONDICIONES HIDROLÓGICAS.. Fuente: Ward & Trimble – “Environmental Hydrology”. Una significante disminución en la infiltración cambia las cosas radicalmente, ya que lugar de que se infiltre, el agua es forzada a moverse a lo largo de la superficie como flujo superficial; moviéndose rápidamente, esto puede erosionar laderas y rápidamente fluye hacia los ríos, provocando inundaciones. Por el contrario, ríos en esta situación llevan menos caudal base debido al flujo intermedio reducido y contribuciones de aguas subterráneas. (WARD & TRIMBLE, 1995) La profundidad desde la superficie del suelo hasta una capa impermeable y la interacción entre la superficie y los regímenes de flujo de aguas subterráneas en algunos lugares tendrán una mayor influencia en caudales de ríos y la respuesta a la precipitación de esos sistemas conectados. La capacidad de almacenamiento en depresiones puede tener una magnitud considerable y jugaría un rol importante en el ciclo hidrológico, ya que en una cuenca nunca estaría completamente llena. (LINSLEY, KOHLER, & PAULHUS, 1975).

(38) 11. El almacenamiento en la intercepción acaba en pocas horas después de la precipitación, pero grandes depresiones podrían acabar en meses. El agua del suelo es removida en un periodo de meses, pero la velocidad depende del tipo y perfil del suelo, estación, el tipo y estado de la vegetación. (MAIDMENT, 1992) La capacidad de retención superficial e incluso el agua del suelo están disponibles para mantener caudales durante el prolongado periodo entre tormentas (caudal base). Dado que el suelo y los reservorios de aguas subterráneas son gastados entre tormentas, el caudal base disminuirá entre tormentas, una tasa decreciente llamada curva de agotamiento del caudal base. (WARD & TRIMBLE, 1995) El flujo intermedio y caudal base son dos importantes procesos del flujo que contribuyen a un caudal. Medir o estimar el flujo intermedio es difícil porque tiende a mezclarse con el escurrimiento superficial, es a menudo cuantificado como parte del mismo. El volumen y la velocidad del agua trasladándose como caudal base puede ser influenciado significativamente o incluso controlado por macroporos y otras condiciones de fractura (tanto vertical como horizontal) en el suelo y fundamentales materiales geológicos poco profundos. (WARD & TRIMBLE, 1995) GEOLOGÍA La Geología es un factor significante en la histórica formación del suelo y las características físicas de una cuenca hidrográfica y el establecimiento de sistemas de flujo superficial y sub-superficial del ciclo hidrológico. Las características geológicas (tipo de rocas, fracturas, fallas, etc.) y procesos (como el movimiento de glaciares hace más de 10000 años) han ayudado a definir la divisoria entre cuencas hidrográficas, establecer y controlar las gradientes en canales, y la formación de los límites sub-superficiales que controlan el movimiento de las aguas subterráneas hacia corrientes superficiales. (WARD & TRIMBLE, 1995) Si el terreno es permeable, el flujo subterráneo abastece el sistema fluvial en época de estiaje, mientras, si el terreno es. impermeable, el volumen de.

(39) 12. escurrimiento se concentra más en el desagüe y en épocas de estiaje el escurrimiento en las corrientes disminuye o desaparece. (FELIX SALAS, 2009) TOPOGRAFÍA El escurrimiento superficial ocurrirá en la dirección de la pendiente del terreno y la dirección del flujo será normalmente perpendicular a los contornos. Los mapas topográficos de una cuenca hidrográfica muestran áreas de pendientes fuertes y suaves, cordilleras, valles y sistemas de ríos. Los mapas también muestran la localización de depresiones sin salida de superficie que contribuya al escurrimiento de la cuenca hidrográfica. La pendiente del terreno tiene efecto en la tasa de infiltración o la profundidad que alcanza el flujo. También, tiene una influencia en la velocidad de flujo en la superficie y en los cauces. (WARD & TRIMBLE, 1995) ESTADO DE HUMEDAD ANTECEDENTE DEL SUELO Si este factor es alto entonces se tendrá un escurrimiento mayor porque la capacidad de infiltración disminuye, debido a la cantidad de agua existente en las capas superiores del suelo. 2.2.3 RED DE DRENAJE Entre estos factores tenemos la densidad hidrográfica, densidad de drenaje, la capacidad de almacenamiento y transporte de las corrientes. (FELIX SALAS, 2009). 2.3 FACTORES. METEREOLÓGICOS. DE. UNA. CUENCA. HIDROGRÁFICA QUE AFECTAN AL ESCURRIMIENTO En el balance de la precipitación y la evapotranspiración influyen en el volumen del escurrimiento. La humedad del suelo y la misma evapotranspiración en la distribución del tiempo del escurrimiento..

(40) 13. El proceso de escorrentía que opera en cualquier lugar. varía en el tiempo.. Adicionalmente, el área fuente podría variar en extensión en las diferentes temporadas y durante los procesos de tormenta. (LINSLEY, KOHLER, & PAULHUS, 1975) 2.3.1 TIPO Y FORMA DE PRECIPITACIÓN Son dos características que tienen influencia en la distribución de los escurrimientos en la cuenca. Así, tenemos por ejemplo si la precipitación es orográfica, esta ocurrirá en la zona montañosa en la parte alta de la cuenca, entonces, el escurrimiento se regularizará hasta la descarga, en donde, se tendrá caudales bajos. El efecto de la forma de precipitación, tiene influencia en el tiempo de concentración del escurrimiento. Si la precipitación cae en forma líquida, con intensidad y duración suficiente, el escurrimiento se presenta con relativa rapidez, en cambio, si se presenta en forma sólida, no hay ningún efecto a menos que la temperatura permita la rápida licuefacción. 2.3.2 INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN Si este es suficiente para exceder la capacidad de infiltración del suelo, originando el escurrimiento superficial. (FELIX SALAS, 2009) El aumento de este factor, incrementa el caudal del río, pero esta respuesta no es inmediata, debido al tamaño de la cuenca, almacenamiento en depresiones y al efecto regulador de los cauces. 2.3.3 DURACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN Si ocurre una precipitación de larga duración, independiente de su intensidad, esta puede generar un gran escurrimiento superficial, debido a que la capacidad de infiltración decrece. (FELIX SALAS, 2009) 2.3.4 DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN La distribución de la precipitación no es uniforme y no tiene la mima intensidad en el área de la cuenca. El escurrimiento resulta de la distribución en tiempo y.

(41) 14. espacio de ésta. Si la precipitación se presenta en la parte baja se tendrá mayores caudales en la descarga, si se da en la parte alta ocurre lo contrario, debido al efecto regulador de caudales y al retardo en la concentración. 2.3.5 DIRECCIÓN. Y. VELOCIDAD. CON. QUE. SE. DESPLAZA. LA. PRECIPITACIÓN Este factor con respecto a la dirección general del escurrimiento, en el sistema hidrográfico de la cuenca, tiene influencia en el caudal máximo resultante y en la duración del escurrimiento superficial. Si la precipitación solo atraviesa la cuenca se generará menor escurrimiento, que si ocurriera esto dentro de la misma. Por otro lado, si la dirección está en sentido al drenaje, el escurrimiento tendrá mayor velocidad que en sentido contrario. 2.3.6 PRECIPITACIÓN ANTECEDENTE Y HUMEDAD DEL SUELO Si el suelo tiene un alto contenido de humedad, la capacidad de infiltración es baja, por lo cual se incrementa el escurrimiento. (FELIX SALAS, 2009) 2.3.7 OTRAS CONDICIONES METEREOLÓGICOS Estas afectan de forma indirecta el escurrimiento, entre la cuales tenemos: la temperatura, la velocidad del viento, la humedad relativa, la presión.. 2.4 FACTORES ANTRÓPICOS DE UNA CUENCA HIDROGRÁFICA QUE AFECTAN AL ESCURRIMIENTO 2.4.1 USO Y CUBIERTA DEL SUELO Los bosques vírgenes y cubiertos con vegetación contribuyen a la estabilización de los regímenes de las corrientes, si el suelo esta deforestado se incrementa el la velocidad del flujo superficial. (FELIX SALAS, 2009) El efecto de la cobertura vegetal es insignificante en crecidas extraordinarias, la intercepción por algunos tipos de cobertura puede ser una parte de la precipitación anual..

(42) 15. La velocidad de intercepción es alta cuando comienza la lluvia, especialmente durante verano y con cobertura vegetal densa. Sin embargo, la capacidad de almacenamiento decrece rápidamente. Después de que la vegetación está saturada, la intercepción debería parar, sino fuera por el hecho de una considerable cantidad de agua. podría evaporarse. desde la superficie húmeda. Una vez que almacenamiento. de la intercepción. este lleno, la cantidad de agua alcanzada de la superficie de suelo es igual a la precipitación menos la evaporación de la vegetación. La cobertura vegetal hace que se incremente la infiltración comparado con un suelo árido, porque: Retrasa el flujo superficial, lo que da más tiempo para que el agua entre al suelo. El sistema de raíces hace el suelo más poroso. El follaje protege al suelo del impacto de las gotas de lluvia y reduce la retención de la lluvia en la superficie del suelo. (LINSLEY, KOHLER, & PAULHUS, 1975) La actividad agrícola y ganadera han hecho que cambien. los cursos de las. corrientes, ya sea que se han utilizado para el riego de los diferentes cultivos(uso consuntivo), además, se han construido presas, las cuales regularizan aguas para sus diferentes usos y afecta el perfil de las capas freáticas. Además, se ha deforestado vegetación virgen para tener una superficie mayor para las diferentes actividades, lo que ha hecho que la cambie las condiciones, ya que este influye en la magnitud y distribución del escurrimiento. (FELIX SALAS, 2009) En los campos agrícolas la población de lombrices afecta en la estructura y porosidad del suelo, lo cual contribuiría a la disminución de la escorrentía. De esta manera, el tamaño y número de madrigueras pueden tener un mayor impacto en la hidrología. Igualmente, los macro poros del suelo pueden conectar a una fractura del subsuelo y contribuir al movimiento de químicos hacia las aguas subterráneas. (WARD & TRIMBLE, 1995).

(43) 16. 2.4.2 URBANIZACIÓN La urbanización hace que se reduzca la capacidad de infiltración por lo que el escurrimiento aumenta y la capacidad de almacenamiento de agua en el suelo disminuye. Este factor hace que el coeficiente de escurrimiento aumente, esto implica una disminución en la capacidad de almacenamiento del agua lluvia, lo que repercute directamente en la presencia de inundaciones y anegamientos, por ende se aumenta el volumen de agua que se escurre hacia los cauces y los niveles más bajos de la cuenca. El incremento en la urbanización puede causar: ·. La obstrucción del drenaje por la construcción de caminos.. ·. Relleno del lecho del río y de terrazas de inundación.. ·. Estrechamiento y cambio del curso del drenaje, para usos habitacionales o la construcción de vialidad y puentes.. Los anteriores puntos hacen que se potencie la ocurrencia de desbordes en sectores aledaños. También, disminuye la densidad, la longitud y sinuosidad de los cauces naturales de los ríos. (VIDAL & ROMERO, 2010). 2.5 TRÁNSITO DE CRECIDAS El tránsito de crecientes (avenidas) o también denominado tránsito de hidrogramas es una técnica hidrológica que se utiliza para calcular el efecto del almacenamiento en un canal natural o no, sobre la forma y movimiento de una onda de creciente. Dado el caudal en un punto aguas arriba, el proceso de tránsito puede utilizarse para calcular el caudal de otra sección que se halle aguas abajo. Estos principios pueden aplicarse también para el cálculo de los efectos de un embalse sobre la forma de una creciente. El almacenamiento hidráulico no sólo ocurre dentro de un.

(44) 17. canal o un embalse, sino también en el movimiento mismo del agua sobre la superficie del terreno. El almacenamiento, es efectivo durante la propia formación de una onda de creciente y los métodos de tránsito pueden aplicarse para calcular el hidrograma En un sentido amplio, el tránsito de caudales puede considerarse como un análisis para seguir el caudal a través de un sistema, dada una entrada. Los métodos existentes para el tránsito en cauces se pueden dividir en dos tipos: el primero hidráulico y el segundo hidrológico. En los métodos hidráulicos, también llamados distribuidos, el flujo se calcula como una función del tiempo y el espacio. En los métodos hidrológicos los flujos se calculan como una función del tiempo únicamente en un lugar particular (CHOW, 1994). Además, los métodos para tránsito de caudales pueden ser unidimensionales o bidimensionales. Para estudiar los efectos del tránsito de crecidas en ríos, y concretamente para la obtención de valores de niveles de agua y velocidades, son de utilidad los “modelos hidráulicos” en régimen permanente gradualmente variado y de fondo fijo (es decir no considerando el transporte de sedimentos en el lecho). El flujo en cuestión es eminentemente unidimensional. Este tipo de modelos se basa en esquemas numéricos de relativa sencillez, y de gran eficacia, pudiendo, de hecho, considerar cambios de régimen, cauces de geometrías completas y cálculos para determinación de llanuras de inundación. Luego, si en el caso de estudio se presentaren características que definan flujo no permanente, se debe recurrir a ecuaciones unidimensionales de régimen gradualmente variable o ecuaciones de Saint Venant unidimensionales. Para la resolución de las mismas, se han utilizado gran cantidad de esquemas numéricos, con distinto grado de complejidad en cuanto a las ecuaciones utilizadas, dando lugar a su vez a simplificaciones, que tratan básicamente de despreciar términos de menor contribución, (modelo de onda cinemática y difusiva). Para el presente proyecto se utiliza el software HEC-RAS para la modelación del tránsito en dos sectores dentro de la cuenca del río Guayllabamba. El.

(45) 18. funcionamiento y las ecuaciones que utiliza este programa se encuentra detallado en el capítulo 4 (pág. 97).. 2.6 MODELACIÓN DE CRECIDAS Los modelos tratan de representar el proceso de escorrentía, los cuales consideran características hidráulicas de la misma, los procesos a través del periodo de almacenamiento en la cuenca y la disposición o geometría de las corrientes. El objetivo del análisis del sistema hidrológico es estudiar la operación del sistema y predecir su salida. Un modelo de sistema hidrológico es una representación simplificada de fenómenos que ocurren durante el ciclo hidrológico, tales como precipitación, evaporación, escorrentía y otros (CHOW, 1994); sus entradas y salidas son variables hidrológicas mensurables y su estructura es un conjunto de ecuaciones que conectan las entradas y las salidas del sistema. Cada uno de los procesos: precipitación, evaporación, escorrentía y otros, pueden ser analizado separadamente y sus resultados ser combinados de acuerdo a la interacción entre los mismos. (Lábaque, 2014) 2.6.1 MODELOS HIDROLÓGICOS Un modelo hidrológico es una representación simplificada de un sistema real complejo, bajo forma física o matemática. De manera matemática, el sistema real está representado por una expresión analítica. Los modelos hidrológicos son los que consideran solamente los efectos de almacenamiento, despreciando los términos de la ecuación de cantidad de movimiento (2da ecuación de SaintVenant). En un modelo hidrológico, el sistema físico real que generalmente representamos es la cuenca hidrográfica y cada uno de los componentes del ciclo hidrológico. De esta manera un modelo matemático nos ayudará a tomar decisiones en materia de hidrología, por lo que es necesario tener conocimiento de entradas (inputs) al.

(46) 19. sistema y salidas (outputs) a partir del sistema, para verificar si el modelo es representativo del sistema real Los modelos hidrológicos son entonces representaciones simplificadas de los sistemas hidrológicos reales, a partir del cual podemos estudiar la relación causaefecto de una cuenca a través de los datos de entrada y salida, con los cuales se logra un mejor entendimiento de los procesos físicos hidrológicos que tienen lugar dentro de la cuenca. CLASIFICACIÓN DE MODELOS MATEMÁTICOS HIDROLÓGICOS Diferentes criterios han sido utilizados para desarrollar una clasificación de los modelos matemáticos hidrológicos. Actualmente tres grupos han sido aceptados: Modelos determinísticos, Modelos Estadísticos y Modelos de Sistemas. MODELOS DETERMINÍSTICOS Los modelos determinísticos son formulados siguiendo fórmulas de la física y-o procesos químicos descriptos por. ecuaciones diferenciales.. Un. modelo. determinístico es formulado en términos de un grupo de variables y parámetros y ecuaciones relacionadas a ellos. Un modelo determinístico implica una relación causa-efecto entre los valores de los parámetros elegidos y los resultados obtenidos de la aplicación de las ecuaciones. Idealmente, un modelo determinístico debería proveer el mejor detalle en la simulación de los procesos físicos o químicos. En la práctica, sin embargo, la aplicación de modelos determinísticos está asociada frecuentemente a la incapacidad del modelo o del modelador de resolver la variabilidad temporal y espacial del fenómeno natural en incrementos suficientemente pequeños. (PONCE, 1989) Un modelo determinístico se utiliza en el caso que se disponga de poca información, caso frecuente de las obras de ingeniería hidráulica, en los cuales uno tiende a reconstruir indirectamente la evolución de los escurrimientos y flujos superficiales a partir del conocimiento de los eventos de lluvia diaria, de la cual se dispone generalmente de series temporales de datos. Los principales elementos que están incluidos en los modelos determinísticos, son los siguientes:.