Guía práctica académica “Modelación de sombras y caudales de diseño”

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(1)GUIA PRACTICA – ACADEMICA PARA MODELACIÓN DE SOMBRAS UTILIZANDO SHADE MOTION. LA INCIDENCIA DEL USO DEL SUELO EN EL CAL CULO DE CAUDALES PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 1.

(2) Universidad Cooperativa de Colombia Seccional Ibagué - Espinal Facultad de Ingeniería Civil. Hidráulica e hidrología Modelación de sombras y caudales de diseño Guía Práctica - Académica. Profesor T.C: Mónica Jiménez Urrea. Ibagué, abril 20 de 2019 2.

(3) Mónica Jiménez Urrea, candidata a doctor en planificación y manejo ambiental de cuencas hidrográficas de la Universidad del Tolima (Col.), Magister en gestión ambiental de la Universidad Internacional Iberoamericana (P. Rico), Especialista en patología de la construcción de la Universidad Santo Tomas (Col.) y profesora de tiempo completo de la Universidad Cooperativa de Colombia, sede Ibagué - Espinal. Contacto [email protected]. 3.

(4) Resumen La modelación es una herramienta de gran utilidad tanto para la sistematización de los conocimientos existentes, así como para fundamentar la toma de decisiones con respecto a situaciones de gran incertidumbre debido a la enorme cantidad de variables de orden traumático, físico, ambiental, social, económico y político, que inciden sobre las dinámicas y los resultados generados para la planificación o diseños de los elemento relacionados con la construcción de obras civiles y a su vez la construcción del sistema en el que nos desarrollamos. Este documento presenta de manera sucinta el manejo del software shade motion como una herramienta para el diseño de estructuras hidráulicas entendiendo la incidencia del uso del suelo en el cálculo de los caudales como elemento fundamental en el diseño de estructuras hidráulicas.. Palabras Claves: Sombra, Caudal, uso del suelo.. 4.

(5) Contenido Introducción................................................................................................................................................................................. 6 Marco teórico ............................................................................................................................................................................. 7 Metodología para uso de ShadeMotion ....................................................................................................................... 8 Datos de Campo ................................................................................................................................................................. 8 Resultados.................................................................................................................................................................................. 11 Discusión .................................................................................................................................................................................... 12 Conclusiones.............................................................................................................................................................................. 13 Anexos ........................................................................................................................................................................................ 14 Ejemplo y visualización del software ............................................................................................................................ 14 ....................................................................................................................................................................................................... 15 Bibliografía ............................................................................................................................................................................... 17. 5.

(6) Introducción Shade motion es un software que permite simular la sombra de los árboles, proceso que puede ser muy diverso de acuerdo a la localización, el tiempo y las características de las especies presentes en el espacio que se quiere modelar, el programa en mención se diseñó con finalidades agroforestales pero puede llegar a tener otros usos a nivel agropecuario, urbanístico, entre otros. La información necesaria para el uso del software debe realizarse en campo se mencionará para mayor claridad un estudio de caso realizado en el Departamento del Tolima, la información necesaria se resume en las siguientes variables: coordenadas de localización (latitud/longitud) e información de los árboles que ocupan la zona, tal como ángulo de la copa, ángulo del tronco, diámetro de la copa, diámetro tronco, diámetro de la base,. altura de la copa, altura del tronco y diámetro a la altura del pecho (DAP). Para efectos de la georreferenciación se tomaron coordenadas en los 4 vértices del lote y sobre 12 árboles que se emplearon como puntos de control de la georreferenciación.. 6.

(7) Marco teórico El balance hídrico es fundamental en el diseño de estructuras hidráulicas pues permite estimar el caudal de diseño, hoy día existen muchas herramientas para determinar los caudales de diseño de las estructuras hidráulicas y es preciso conocer los comportamientos físicos que ocurren en la cuenca de manera que se pueda ser un mejor proyectista. El balance hídrico está relacionado con las entradas y salidas de caudal en la cuenca, las salidas están relacionadas con:     . Derivaciones hacia otras cuencas hidrográficas Derivaciones para consumo humano y en la industria Salida de la cuenca hacia un receptor o hacia el mar Evapotranspiración, de bosque y de áreas cultivadas con o sin riego. Evaporación: Desde superficies liquidas como lagos y estanques. A través del shade motion se puede desarrollar un acercamiento más restrictivo en el cálculo de la evapotranspiración y por ende de los caudales a evacuar para la zona de estudio. Se han realizado varios estudios que muestran que los efectos generados en la cuenca por la dinámica tanto del clima como del suelo son supremamente importantes ya que atribuyen grandes cambios de descarga en la cuenca (Mwangi et al., 2016). La vulnerabilidad de las estructuras hidráulicas hace referencia a una suma de factores, entre los que se destacan: cambios en la cobertura vegetal, las deficiencias en la gestión del suelo y de los recursos hídricos. (Sedano, K. Carvajal Y. Ávila, A., 2013). Esta herramienta permite desarrollar un acercamiento con este tipo de dinámicas.. 7.

(8) Metodología para uso de ShadeMotion Datos de Campo El proceso consta de realizar trabajo campo en los que se debe aforar el uso del suelo para este caso consideraremos árboles de los cuales se debe relacionar:  Nombre de la especie, la cual se debe registrar en el software.  Forma de la copa, elipsoidal, circular, oval entre otros determinados por el programa.  Angulo de copa que se puede calcular o medir con inclinometro.  Diámetro de copa que se puede medir con cinta métrica (se tomaron dos medidas de ancho en cruz).  Diámetro de tronco y base que pueden ser medidos también con cinta diamétrica.. Figura 1. Formato de archivo de campo Área:. 1,6 Ha. Latitud: Localizacion Georeferenciada: Especies: Guasimo Igua Eritrina Leucadena Algarrobo Saman. G I E L A S. G1 Angulo copa: 35 0.6108667 Angulo tronco 5 0.0872667 Dist Horizontal (X): 20 Diametro copa (m): 18.6 18 Diametro tronco(m): 0.94 Diametro base (m): 0.93 Altura copa: 15.70419334 Altura tronco: 3.449777383. 263.0. Fuente: El autor. La localización de los árboles uno a uno es un elemento fundamental, el ejercicio se puede hacer con gps o a través de un esquema tipo cuadricula de toda el área de trabajo que representaría la grilla utilizada por el sofware shade motion, las grills trabajadas. 8.

(9) pueden ser de un (1) mᵌ o según la escala 4mᵌ de modo que sea posible ubicar la cantidad total de especies especies ubicadas en la zona de estudio.. El procesamiento de la información consiste en ingresar los datos en una hoja de cálculo de Excel donde la primera columna tiene como título X y la segunda Y, lo cual hace referencia a la localización del árbol en la grilla utilizada por shade motion y la posición del mismo en el lote, teniendo en cuenta que cada grilla representa un cuadrado de (1) metro por un (1) metro o en su defecto la escala que se haya designado; el área de trabajo en el software debe escogerse de acuerdo al tamaño del lote que se va a modelar, el programa maneja espacios desde 50*50 grillas y hasta de 300*300 grillas, si el ejercicio se realiza con grillas de un (1) m2 el espacio de trabajo será de 200*200 grillas; en la siguiente columna se debe registrar el tipo de copa, seguidamente el ancho de la copa (AC) del cual se tomaron dos (2) medidas en cruz con cinta métrica y se sacó el promedio. (Corvalan, 2015).. Figura 2. Formato de archivo para ingresar datos al sofware X 0 2 4 5 5 6 6 6 6 6 7 9 10 12 12 12 12 15 16. Y 0 56 72 7 64 16 38 42 46 57 7 121 65 78 99 101 103 57 38. NumArbol. TipoCopa. 22 29 5 24 7 9 12 18 20 3 61 26 35 37 51 52 16 11. Elipsoidal Elipsoidal Circular Elipsoidal Elipsoidal Oval Elipsoidal Elipsoidal Elipsoidal Elipsoidal Elipsoidal Elipsoidal Circular Elipsoidal Elipsoidal Oval Elipsoidal Elipsoidal. AnchoC Altura Altura Crecimiento Crecimiento Crecimiento opa Copa Tronco Ancho Copa Altura Copa AlturaTronco 36 50 50 36 50 50 43 50 50 50 15 36 23 50 50 50 50 50. 16 19 16 11 7 14 10 18 16 13 7 13 7 16 7 14 12 14. 4 36.5 1 50 4 50 3 36.5 3 50 3 50 3 50 1 50 1 50 47 3 15 3 36.5 2 23.8 1 50 3 50 4 50 1 50 1 50. 16 19 16 11 7.16 14 14 18 16 5 7 13 7 16 7 14 12.4 14. 4 1 4 3 3 3 1 1 1 10 3 3 2 1 3 4 1 1. Densidad Clase 60 Leucadena 4 50 Chula 50 Guasimo1 60 Leucadena 5 80 Guasimo 2 60 Eritrina 1 60 Leucadena 2 60 Eritrina 2 50 Eritrina 4 50 Igua 1 80 Guayabo 80 Guasimo 3 10 Algarrobo 1 60 Leucadena 7 60 Leucadena 8 60 Leucadena 9 60 Eritrina 3 60 Leucadena 1. Sep. Oct 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100. Nov 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100. Dic 60 100 100 60 81 60 60 60 100 100 79 79 100 60 60 60 61 60. 60 100 100 58 81 60 60 60 100 69 81 81 100 60 60 60 60 60. Fuente: El autor. 9.

(10) La altura de la copa y la altura del tronco se calcularon a partir de los ángulos medidos en campo a través de la ecuación 2.(Chave, 2005) 𝐻 = (tan 𝜃 ∗ 𝐿𝑥) + 𝑦. Ecuación 1. Donde: Lx= Distancia horizontal medida desde el árbol hasta donde se encontraba ubicado quien registrara la medida con el inclinómetro. y= Altura hasta los ojos del sujeto que registra la medida. En la siguiente columna se debe registrar la información de la densidad de la copa lo cual se determina visualmente de acuerdo al follaje que presentaba cada especie estudiada, se debe establecer esto para cada mes, por lo que es recomendable hacer un seguimiento a la cuenca de estudio o contar con información presentada por la comunidad de la zona, de igual manera se pueden escoger los meses más lluviosos para desarrollar la modelación, esta información puede ser extraida de los archivos del idean localizando la estación más cercana que cuente con registro de lluvia. Conocer los registro pluviometricos en la zona es fundamental ya que es la lluvia quien se convierte en caudal de transporte por la estructura, sin embargo no todo el caudal que cae se convierte en flujo superficial pues parte se infiltra en el suelo, convirtiéndose en flujo subsuperficial, parte se vuelve en flujo subterráneo y otro se evapora o es transpirado por las plantas, aquí es donde se vuelve importante la cobertura del suelo pues el tener buena capacidad de sombra genera una mayor evapotranspiración y menos flujo superficial en los eventos de lluvia, además que una buena cobertura vegetal genera mejores capacidades de almacenamiento hidráulico de agua en el suelo y por supuesto mejor velocidad de infiltración de las lluvias reduciendo los caudales a transportar a través de las estructuras hidráulicas. El análisis de caudales en la cuenca debe estar compuesto por entradas y salidas P+Qsi+Qui-E-Qso-Quo-S = V        . P= E= Qsi= Qso= Qui= Quo= V= S=. Ecuación 2. Precipitación Evaporación Aguas superficiales entrantes PV Salida de agua superficial Aguas subterráneas entrantes, las unidades pueden ser mm, m3 o m3/seg Salida agua subterránea Volumen de agua almacenada Variación del agua almacenada 10.

(11) Existe información adicional que puede incluirse manualmente como las horas específicas del periodo en el que se quiere desarrollar la simulación, en caso de que el terreno presente inclinación también puede registrarse, la topografía, la pendiente, el tipo de suelo, también es un elemento importante para el diseño de caudales. El software dispone de varias herramientas, como la opción borrar, guardar, copiar, cortar, pegar, insertar marcas y puntos de referencia, actualización de datos en caso de haberse registrado errores en la hoja Excel y algunas opciones adicionales para desplazarse en el espacio de trabajo, entre otras. Para ingresar la hoja en Excel, esta debe colocarse en formato CSV y se carga desde la opción archivo del cual se despliega la opción cargar CSV; una vez se tiene toda la información se da click a la herramienta correr simulación y se presenta el resultado grafico por el software, la modelación tiene opción de proyectarse en 3D y presenta varios contrastes que permiten diferenciar las zonas donde existen traslapos de sombras y sus intensidades.. Resultados Figura 3. Resultados de la Simulación de sombras. Fuente: el autor.. Las Figuras 3 y 4 ilustran un ejemplo de las salidas obtenidas una vez se corre la simulación; la imagen muestra las sombras generadas y su intensidad; se puede ordenar además la opción de traslape de sombras, teniendo en cuenta que un mismo espacio puede ser sombreado por varias especies, esto puede variar en el transcurso del día e 11.

(12) inclusive del año lo cual también se puede modelar en el sofware, siendo dependiente la respuesta de la relación existente o no entre follaje de uno y otro árbol y si la estación es seca o lluviosa, de todos modos el programa permite visualizar para cada grilla la sombra generada con traslapos y sin traslapos, tal como se observa en la Figura 2, donde se observa que la mayor parte de las sombras se concentran en el área que se visualiza de color más oscuro, lo cual permite identificar que en esta zona se presenta mayor evapotranspiración y porcentaje de área impermeable, lo cual aprueba definir porcentajes de área impermeable y espesores de suelo con buena capacidad de almacenamiento de agua.. Figura 4. Resultado de Simulación de sombras en 3D.. Fuente: El autor.. Discusión En primer lugar, cabe resaltar la forma como la metodología empleada permite la obtención de resultados satisfactorios en la georreferenciación de individuos arbóreos, a partir de una matriz de dispersión de puntos, así como de una imagen para identificar las áreas de mayor sombra generando mayores porcentajes de evapotranspiración; aunque no es posible determinar el porcentaje de reducción de caudal exacto por lo cual se requiere desarrollar más estudios de campo que permitan cuantificar los porcentajes de disminución de caudal superficial por efecto de la evapotranspiración generado por la cobertura del suelo.. 12.

(13) Conclusiones Los procesos de modelación y simulación de comportamiento de las sombras en predios rurales, tienen gran aplicación para la determinación de caudales para el diseño de estructuras hidráulicas, lo cual contribuye a una mejor planificación de las estructuras que permiten evacuar los caudales de los flujos que se presenten a gravedad tales como canales, cunetas, alcantarillas, boxculvert y puentes. Otras aplicaciones se pueden dar, para mitigar los efectos del aumento de temperaturas en términos del estrés en animales de pastoreo, o para el establecimiento de cultivos que requieren de sombrío.. 13.

(14) Anexos Ejemplo y visualización del software Fotografía 1 y 2. Trabajo de campo. Fotografía 3, 4 y 5. Especies de estudio. Guácimo Guazuma ulmifolia,Guasimo. Algarrobo Prosopis juliflora. Igua Albizia guachapele , Igua. Fuente: El Autor. 14.

(15) Fotografía 6. Visualización de grilla y árboles en el software. Fuente: El Autor. 15.

(16) Fotografía 7, 8 y 9. Visualización de escenario modelado.. Fuente: El Autor. 16.

(17) Bibliografía Melero, E., & Camejo, J. (2014). Taller introductorio al uso de Quantum gis. Retrieved from http://www.unspider.org/sites/default/files/Tuturial_QGIS_EIGEO_Mayo2014.pdf Quantum GIS Development Team. 2016.. Quantum GIS Geographic Information System. Open Source Geospatial Foundation Project. http://qgis.osgeo.org. Quesada, F., Somarriba, E., & Malek, M. (n.d.). ShadeMotion 3.0: Software para calcular la Corvalan, vera Patricio. 2015. Apuntes dendrometría universidad de chile. Chave, Jerome (2005). Medición de la altura del árbol, para árboles tropicales manual de campo.. 17.

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