2018
CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS DE LA CUENCA DEL RÍO GRANDE
HIDROLOGÍA ANCCASI HUAYLLA EDUARDO
UNMSM | ING. MECÁNICA DE FLUIDOS
CONTENIDO
1.
RESUMEN.......................................................... .......................................................................................................................... ........................................................................................... ........................... 2
2.
ASPECTOS GENERALES.......................................................... .......................................................................................................................... ....................................................................... ....... 2 2.1.
INTRODUCCIÓN ............................................................ ............................................................................................................................ ....................................................................... ....... 2
2.2.
OBJETIVOS .......................................................... .......................................................................................................................... ................................................................................. ................. 2
2.2.1.
General ....................................................... ....................................................................................................................... ................................................................................. ................. 2
2.2.2.
Específicos ............................................................ ............................................................................................................................ ....................................................................... ....... 2
2.3.
3.
2.3.1.
Recopilación de información básica ..................................................... ............................................................................................ ....................................... 2
2.3.2.
Información Hidrometeorológica ......................................................... ................................................................................................ ....................................... 2
2.3.3.
Información Cartográfica ............................................................ ............................................................................................................. ................................................. 3
DESCRIPCIÓN GENERAL Y DIAGNÓSTICO DE LA CUENCA CUENCA........................................................... ............................................................................ ................. 3 3.1.
UBICACIÓN, DEMARCACIÓN Y CLIMA DE LA CUENCA........................................................ ......................................................................... ................. 3
3.1.1.
Ubicación Geográfica ........................................................ ................................................................................................................... ........................................................... 3
3.1.2.
Demarcación Hidrográfica .......................................................... ........................................................................................................... ................................................. 3
3.1.3.
Clima ........................................................... ........................................................................................................................... ................................................................................. ................. 3
3.2.
4.
INFORMACIÓN BÁSICA ............................................................. ........................................................................................................................ ........................................................... 2
CARACTERÍSTICAS FISIOGRÁFICAS ...................................................... ....................................................................................................... ................................................. 3
3.2.1.
Generalidades ......................................................... ....................................................................................................................... ..................................................................... ....... 3
3.2.2.
Parámetros de Forma ....................................................... .................................................................................................................. ........................................................... 6
3.2.3.
Parámetros de Relieve...................................................... ................................................................................................................. ........................................................... 8
CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN ....................................................... ................................................................................................................ ......................................................... 10 4.1.
MÉTODO ARITMÉTICO.............................................................. ....................................................................................................................... ......................................................... 11
4.2.
MÉTODO DE LOS POLÍGONOS DE THIESSEN .......................................................... ..................................................................................... ........................... 11
4.3.
MÉTODO DE LAS ISOYETAS ....................................................... ................................................................................................................ ......................................................... 13
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1.
RESUMEN
El funcionamiento de una cuenca s e asemeja al de un colector que recibe al precipitación y la convierte en escurrimiento superficial o sub superficial; esta transformación depende de las condiciones climáticas climáticas y las características físicas de la cuencas. En este artículo se presenta los aspectos básicos que deben abordarse cuando se realiza la caracterización de una cuenca hidrográfica. Una correcta descripción de una cuenca hidrográfica debe incluir, al menos, datos relativos a su situación, tamaño, perímetro, ancho y desnivel longitudinal longitudinal como aspectos generales, longitud, jerarquización y densidad en cuanto a la red de drenaje y finalmente, otros parámetros de relieve y parámetros de forma como la curva hipsométrica o el coeficiente de Gravelius. 2.
ASPECTOS GENERALES 2.1.
INTRODUCCIÓN
Para los posteriores objetivos de estudio en hidrología es necesario comprender con claridad el concepto de cuenca hidrográfica y la diferencia entre el drenaje superficial y drenaje sub superficial, conceptos claves para la determinación del límite físico o perímetro exterior de las cuencas hidrográficas. El estudio cuantitativo de las particularidades físicas de una cuenca hidrográfica, se utiliza para analizar la red de drenaje, las pendientes y la forma de la cuenca a partir del cálculo de valores numéricos; es importante que las mediciones deben ser realizadas sobre un mapa con suficiente información hidrográfica y topográfica. La morfometría particular de cada cuenca hidrográfica es proporcional con la posibilidad de cosecha hídrica, ante eventos climáticos, y con la generación de una respuesta a los mismos, expresada en término de caudales, la incidencia en el transporte de sedimentos y nutrientes a lo largo de los ecosistemas que la integran.
2.2.
OBJETIVOS 2.2.1. General
Calcular la precipitación promedio en la cuenca Grande.
2.2.2. Específicos
2.3.
Calcular los parámetros de forma de la cuenca Grande. Calcular los parámetros de relieve de la cuenca Grande.
INFORMACIÓN BÁSICA 2.3.1. Recopilación de información básica Se ha recopilado información proporcionada por la Autoridad Nacional del Agua (ANA), consistente en precipitación diaria y caudales diarios de las estaciones ubicadas en el ámbito del estudio. Así también se cuenta con unidades hidrográficas de las cuencas en formato ArcGis. 2.3.2. Información Hidrometeo Hidrometeorológica rológica Se cuenta con información meteorológica e hidrológica medidas en estaciones
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provenientes principalmente del SENAMHI. Se ha identificado para cada cuenca estaciones meteorológicas e hidrográficas, que serán utilizadas en el análisis de máximas avenidas. 2.3.3. Información Cartográfica Se cuenta con información de unidades hidrográficas en formato ArcGis. 3.
DESCRIPCIÓN GENERAL Y DIAGNÓSTI DIAGNÓSTICO CO DE LA CUENCA 3.1.
UBICACIÓN, DEMARCACIÓN Y CLIMA DE LA CUENCA 3.1.1. Ubicación Geográfica La cuenca del río Grande con una extensión de 10,722 km 2, se encuentra en la Vertiente del Pacífico entre los paralelos 13°44’ y 15°04’ de latitud Sur y los meridianos 74°22’ y 75°26’ de longitud Oeste de Greenwich. Políticamente, comprende las
provincias de Palpa y Nasca del departamento de Ica, Castrovirreyna en el de Huancavelica y Lucanas en el de Ayacucho.
3.1.2. Demarcación Hidrográ Hidrográfica fica Hidrográficamente la cuenca del Río Grande limita por el: Norte Sur Este Oeste
: con la cuenca del Río Ica. : con la cuenca del Río Jahuay. : con la cuenca del Río Pampas. : con el Océano Pacífico.
3.1.3. Clima La temperatura es el elemento más ligado en sus variaciones al factor altitudinal. En la cuenca del río Grande, las temperaturas medias anuales varían desde el tipo semicálido, en el valle agrícola de Costa al tipo frígido en las cumbres altas. 3.2.
CARACTERÍSTICAS CARACTER ÍSTICAS FISIOGRÁFICAS 3.2.1. Generalidades Las características físicas de una cuenca son elementos que tienen una gran importancia en el comportamiento hidrológico de la misma. Dichas características físicas se clasifican en dos tipos según su impacto en el drenaje: las que condicionan el volumen de escurrimiento como el área y el tipo de suelo de la cuenca, y las que condicionan la velocidad de respuesta como el orden de corriente, la pendiente, la sección transversal, etc. Existe una estrecha correspondencia entre el régimen hidrológico y dichos elementos por lo cual el conocimiento de éstos reviste gran utilidad práctica, ya que al establecer relaciones y comparaciones de generalización de ellos con datos hidrológicos conocidos, pueden determinarse indirectamente valores hidrológicos en secciones de interés práctico donde falten datos o donde por razones de índole fisiográfica o económica no sea factible la instalación de estaciones hidrométricas.
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Al iniciar un estudio geomorfológico se debe empezar por la ubicación de los puntos donde existan en los ríos las estaciones de aforo, para así tener un estudio completo de las variables coexistentes en la cuenca: tanto en las excitaciones y el sistema físico, como en las respuestas del sistema de la hoya hidrográfica. Toda cuenca en estudio debe estar delimitada en cuanto a su río principal tanto aguas abajo como aguas arriba. Aguas abajo idealmente por la estación de aforo más cercana a los límites de la cuenca en que se está interesado. (Siendo el punto de la estación el punto más bajo en el perfil del río y en el borde de la cuenca de interés). Aguas arriba por otra estación que sea el punto más alto en el perfil del río donde se incluya el área en estudio, o por las cabeceras del río si es el caso del estudio de la cuenca desde el nacimiento.
Gráfico 1. Ubicación Geográfica de la cuenca Grande
Área de la cuenca (A). El área de la cuenca es probablemente la característica geomorfológica más importante para el diseño. Está definida como la proyección horizontal de toda el área
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de drenaje de un sistema de escorrentía dirigido directa o indirectamente a un mismo cauce natural.
Longitud (L), perímetro (P) y ancho (W). La longitud de la cuenca puede estar definida como la distancia horizontal del río principal entre un punto aguas abajo (estación de aforo) y otro punto aguas arriba donde la tendencia general del río principal corta la línea de contorno de la cuenca. Ver Gráfico 2.
Gráfico 2. Generalidades de la cuenca Grande
El perímetro de la cuenca o la longitud de la línea de divorcio de la hoya es un parámetro importante, pues en conexión con el área nos puede decir algo sobre la forma de la cuenca. Usualmente este parámetro físico es simbolizado por la mayúscula P. El ancho se define como la relación relac ión entre el área y la longitud longitu d de la cuenca y se designa por la letra W. De forma que:
=
Área (km2)
Perímetro (km)
Largo (km)
Ancho (km)
5
11392.90
528.91
151.78
75.06
Tabla 1. Generalidades de la cuenca Gra nde
Desnivel altitudinal (DA) Es el valor de la diferencia entre la cota más alta de la cuenca y la más baja ( = −). Se relaciona con la variabilidad climática clim ática y ecológica puesto puest o que una cuenca con mayor cantidad de pisos altitudinales puede albergar más ecosistemas al presentarse variaciones variaciones importantes en su precipitación y temperatu t emperatura. ra.
COTA MIN. altitudinal (msnm) 50 3.2.2. Parámetros de Forma
COTA MAX. (msnm) 4544
D.A. (msnm) 4494
Tabla 2. Desnivel de la cuenca Grande
La forma de una cuenca es determinante de su comportamiento hidrológico (cuencas con la misma área pero de diferentes formas presentan diferentes respuestas hidrológicas – hidrogramas diferentes por tanto – – ante una lámina precipitada de igual magnitud y desarrollo), de ahí que algunos parámetros traten de cuantificar las características morfológicas por medio de índices o coeficientes. Los parámetros de forma principales son: Coeficiente de Gravelius y coeficiente de Horton.
Coeficiente de Gravelius (Cg). También conocido por el nombre de Coeficiente de Compacidad. El índice de Compacidad Gravelius (Cg) se utiliza para estimar la relación entre el ancho promedio del área de captación y la longitud de la cuenca (longitud que abarca desde la salida hasta el punto topográficamente más alejado de ésta) ya que relaciona el perímetro de la cuenca con el perímetro de una cuenca teórica circular de igual área. Su fórmula es la siguiente:
= 2√
Donde, Cg=coeficiente de Gravelius P=Perímetro de la cuenca (km) A=Área de la cuenca cuenca (km2)
Este coeficiente define la forma de la cuenca, respecto a la similaridad con formas redondas, dentro de rangos que se muestran a continuación (FAO, 1985):
Rango
Forma
1,00 – 1,25
Redonda a oval redonda
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(compacta). 1,25 – 1,50
Oval redonda a oval oblonga. Oval oblonga a rectangular oblonga. Casi rectangular (alargada).
1,50 – 1,75 >1,75 Tabla 3. Valores del Coeficiente de Gravelius
Luego:
=
. = = . . √ √ . .
Factor de Forma de Horton (kf ) Esla relación entre el área y el cuadrado de la longitud de la cuenca
=
2
Intenta medir cuan cuadrada (alargada) (ala rgada) puede ser la cuenca. Una cuenca con un factor de forma bajo, está menos sujeta sujet a a crecientes que una de la misma área y mayor factor de forma. Un valor de k f superior superior a la unidad proporciona el grado de achatamiento de ella o de un río principal corto y por consecuencia con tendencia a concentrar el escurrimiento escurrimiento de una lluvia intensa formando fácilmente grandes crecidas. La forma de la cuenca es la configuración geométrica de la cuenca tal como está proyectada sobre el plano horizontal. Tradicionalmente se ha considerado que la forma de la cuenca tiene influencia en el tiempo de concentración de las aguas al punto de salida de la cuenca, ya que modifica el hidrograma y las tasas de flujo máximo, por lo que para una misma superficie y una misma tormenta, los factores mencionados se comportan de forma diferente entre una cuenca de forma redondeada y una alargada. En el Gráfico 3 se observa varias formas de cuencas con la misma área y diferentes formas ante una lámina de igual precipitación.
LaGráfico forma3. Hidrogramas de la cuenca afecta los hidrogramas de caudales máximos, por lo que se según la forma de la cuenca
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han hecho numerosos esfuerzos para tratar de cuantificar este efecto por medio de un valor numérico.
Factor de Forma 1,00
Tipo de forma Cuadrado con salida central. Circular o redonda.
0,79 0,50 0,40 y 0,50
Cuadrado con salida lateral. Oval.
<0,30
Rectangular alargada.
Tabla 4. Valores del Factor de Forma
Luego:
=
. . = . . .
3.2.3. Parámetr Parámetros os de Relieve Son de gran importancia puesto que el relieve de una cuenca tiene más influencia sobre la respuesta hidrológica que su forma; con carácter general podemos decir que a mayor relieve o pendiente la generación de escorrentía se produce en lapsos de tiempos menores. Los parámetros de relieve principales son: curva hipsométrica, histograma de frecuencias altimétricas y altura media (H).
Curva Hipsométrica Esta curva representa el área drenada variando con la altura de la superficie de la cuenca. También podría verse como la variación media del relieve de la cuenca. La curva hipsométrica se construye llevando al eje de las abscisas los valores de la superficie drenada proyectada en Km 2 o en porcentaje, obtenida hasta un determinado nivel, el cual se lleva al eje de las ordenadas, generalmente en metros. Normalmente se puede decir que los dos extremos de la curva tienen variaciones abruptas. Una curva hipsométrica de concavidad hacia arriba, indica una cuenca con valles extensos y cumbres escarpadas y lo contrario indicaría valles profundos y sabanas planas. Es posible convertir la curva hipsométrica en función adimensional, usando en lugar de valores totales en los ejes, valores relativos, dividiendo la altura y el área por sus respectivos valores máximos. Las curvas hipsométricas también han sido asociadas con las edades de los ríos de las respectivas cuencas. Ver Gráfico 4.
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Gráfico 4. Curvas Hipsométricas características
Altitud Media de la Cuenca La altura o elevación media de la cuenca tiene importancia principalmente en zonas montañosas, pues nos da una idea de la climatología de la región, basándonos en un patrón general climático de la zona.
CURVA HIPSOMÉTRICA 5000 4500 ) m . n . s . m ( a i d e M a t o C
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Área acumulada (%)
Gráfico 5. Curva Hipsométrica de la cuenca Grande
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Polígono de Frecuencias 4357 3983 3608 3233 2858 . m . 2484 n . s . 2109 m
1735 1359 984 612 237 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Frecuencia en %
Gráfico 6. Polígono de Frecuencias de la cuenca Grande
4. CÁLCULO DE LA PRECIPIT PRECIPITACIÓN ACIÓN
Para el cálculo de la Precipitación Promedio anual (P.P.) la cuenca se utilizaron 3 métodos tomando como datos las precipitaciones promedios de 5 Estaciones Meteorológicas detalladas en la Tabla N°
Estaciones meteorológicas Ítem 1 2 3 4
5
Nombre RÍO GRANDE COPARA PUQUIO SAN CAMILO SAN JUAN DE MARCONA
Coordenadas Geográficas Longitud 75°43' 75°43' 75°43' 75°43'
Latitud 14°32' 14°58' 14°42' 14°04'
Altitud
75°43'
15°20'
30
280
620 3215 398
Periodos de Departamento Provincia Registros ICA PALPA 1966-2010 ICA NASCA 1976-2013 AYACUCHO LUCANAS 1966-2012 ICA ICA 1965-2010 ICA
NASCA
1966-2013
Tabla 5. Características de las estaciones meteorológicas
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4.1.
MÉTODO ARITMÉTICO
Método simple de calcular un primer valor para la P.P. de la cuenca.
Estación Meteorológica Rio Grande Puquio San Juan Copara San Camilo
Precipitación Promedio 5 373 3 4 10
Tabla 6. Datos para el método aritmético
Luego la Precipitación Promedio será:
. . ̅ . = 79 79
4.2.
MÉTODO DE LOS POLÍGONOS DE THIESSEN
Polígono
Área (A)
Estación
1 2 3 4 5
6201.29 3475.56 1322.83 68.29 324.93
RÍO GRANDE PUQUIO SAN JUAN COPARA SAN CAMILO
Precipitación (P) 5 373 3 3 10
AxP 31006.46 1296384.88 3968.50 204.88 3249.34
Tabla 7. Datos para el método de los Polígonos de Thiessen
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Gráfico 7. Cuenca Grande dividida en 5 polígonos
..=
∑ ∑ . . = = . .
12
4.3.
Ítem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
MÉTODO DE LAS ISOYETAS Áreas Parciales (A) 97.59 943.61 1652.23 2122.69 2098.42 1871.47 293.94 214.08 133.09 2716.30
Isoyetas 300 250 200 150 100 50 10 5 3 2
250 200 150 100 50 10 5 3 2 0
Isoyeta media (Im) 275 225 175 125 75 30 7.5 4 2.5 1
A x Im 37544.97 297025.18 404507.14 371205.61 220177.13 78545.69 3084.13 1198.01 465.47 3800.10
Tabla 8. Datos para el método de las Isoyetas
Gráfico 8. Cuenca Grande con algunas Isoyetas
Luego:
..=
∑ . . = = . .
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