HIDROLOGIA maestria recursos hidricos unsaac

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO ESCUELA DE POST GRADO MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL MENCIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS Y MEDIO AMBIENTE

TRABAJO FINAL HIDROLOGÍA DE AGUAS SUBTERRANEAS Y SUPERFICIALES CUENCA RIO HUATANAY ”

“

CURSO IV : HIDROLOGÍA SUPERFICIAL Y AGUAS SUBTERRÁNEAS. INTEGRANTES: 

LIDA AEDO CRUZ



EDWIN SALAS RIOS



PERCY DIAZ ORTIZ



FABRICIO RUBEN OLIVERA TAPIA



RENATO MENDOZA NINA

DOCENTE: MG. EDWIN ASTETE SAMANEZ

CUSCO – PERÚ 2017

-1-

ÍNDICE GENERAL 1. 2. 3.

INTRODUCCIÓN ........................................................ ......................................................................................................................... .............................................................................. ............. - 5 OBJETIVOS DEL ESTUDIO .................................................................................................................... - 5 CARACTERÍSTICAS GEOMORFOLÓGICAS DE LA CUENCA.......................................................... CUENCA .......................................................... - 5 3.1. INFORMACIÓN PRELIMINAR ......................................................... ....................................................................................................... .............................................. - 6 3.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MORFOLÓGICAS DE LA CUENCA ...................................... - 6 3.2.1. SUPERFICIE DE LA SUB - CUENCA ..................................................................................... - 6 3.2.2. PERÍMETRO DE LA CUENCA ............................................................. ................................................................................................ ................................... - 6 3.2.3. ALTITUD MEDIA DE LA CUENCA ....................................................................................... - 7 3.2.4. ÍNDICE DE COMPACIDAD O DE GRAVELIUS. ....................................................................... .................... ................................................... 9 3.2.5. FORMA DE LA CUENCA ............................................................................................................. ................................................ ............................................................. 9 3.2.6. PENDIENTE MEDIA ME DIA DE LA CUENCA ........................................................... ........................................................................................ ............................. 9 3.2.7. FACTOR DE FORMA DE LA CUENCA ...................................................................................... ................................................................. ..................... 9 4. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN RELEVANTE .............................................................. .............................................................................. ................ 10 4.1. FUENTES DE INFORMACIÓN................................................................................................... INFORMACIÓN..................................... ...................................................................... ........ 10 4.2. ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN.................................................................................................... 10 4.3. CARTOGRAFÍA. ............................................................ ............................................................................................................................. ...................................................................... ..... 10 4.4. HIDROMETEOROLOGÍA . ................................................................................................................. ........................................................................... ...................................... 11 5. ESTUDIO HIDROLÓGICO............................................................... .......................................................................................................................... ........................................................... 12 5.1. HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA ESTADÍST ICA ............................................................ ............................................................................................................ ................................................ 12 6. SIMULACIÓN HIDROLÓGICA .................................................................................................................. 14 6.2. MODELO METEOROLÓGICO ........................................................................................................... ................................................................................ ........................... 15 6.3. PROCESO DE DATOS D ATOS .............................................................. ......................................................................................................................... ........................................................... 16 7. CONCLUSIONES ........................................................ ......................................................................................................................... ................................................................................. ................ 28

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ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA N° 1 : UBICACIÓN POLÍTICA DE LA CUENCA MEDIA DEL RIO VILCANOTA Y CUENCA DEL RIO HUATANAY (CHIMPAHUAYLLA) – WMS IMAGEN DEM .................. - 8 FIGURA N° 2 : IMAGEN DEM ZONA 18 L Y 19 L GLOBAL MAPPER CUSCO .................................... 11 FIGURA N° 3 : POLÍGONOS DE THIESEN ZONA DE ESTUDIO – PUENTE CHUMPAHUAYLLA – CUSCO ........................................................................................................ ................................................. 12 FIGURA N° 4 CUENCA DE ESTUDIO............................................................ ................................................ 16 FIGURA N° 5. CONTROL DE TRABAJO. .......................................................................... ........................... 16 FIGURA N° 6. PARÁMETROS. ............................................................. ........................................................... 17 FIGURA N° 7 DATOS METE OROLÓGI COS. ...................................................................... ........................... 17 FIGURA N° 8. RE SULTAD OS OBTE NI DOS T=50............................................................... ........................... 18 FIGURA N° 9 H I DROGRAMA PARA UN PER I ODO DE R ETORNO DE 50 AÑOS. ................................... 18 FIGURA N° 10. PE RI ODO DE R E TORNO DE 100 AÑOS. ............................................................................. 19 FIGURA N° 11. RE SULTAD OS OBTE NI DOS T=100........................................................... ........................... 19 FIGURA N° 12. HI DROGRAMA PARA UN PE RI ODO DE RE TORNO DE 100 AÑOS. .............................. 20 FIGURA N° 13. PE RI ODO DE R E TORNO DE 200 AÑOS. ............................................................................. 20 FIGURA N° 14. RESULTADOS OBTENIDOS. ......................................................................................... ..... 21 FIGURA N° 15. HIDROGRAMA PARA UN PERIODO DE RETORNO DE 200 AÑOS. .......................... 21 FIGURA N° 16. PERIODO DE RETORNO DE 500 AÑOS. .......................................................................... 22 FIGURA N° 17. RESULTADOS OBTENIDOS. ......................................................................................... ..... 22 FIGURA N° 18. HIDROGRAMA PARA UN PERIODO DE RETORNO DE 500 AÑOS. .......................... 23 FIGURA N° 19. SECCIONES GEOMÉTRICAS. ................................................................. ........................... 23 FIGURA N° 20. SECCIONES DE RIO CHIMPAHUAYLLA. ................................................................ ....... 25 FIGURA N° 21. ANÁLISIS DE FLUJO. ........................................................... ................................................ 25 FIGURA N° 22. PLAN DE SIMULACIÓN. .......................................................................... ........................... 26 FIGURA N° 23. PERFILES DE FLUJO. ............................................................................... ........................... 27 FIGURA N° 24. PERFILES DE FLUJO EN 3D. ........................................................ ...................................... 27

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ÍNDICE DE TABLAS

TABLA N° 1: ESTACIONES METEOROLÓGICAS DE INFLUENCIA AL ÁREA EN ESTUDIO ........ 11 TABLA N° 2: ESTACIONES METEOROLÓGICAS DE INFLUENCIA AL ÁREA EN ESTUDIO ........ 15

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HIDROLOGÍA E HIDRÁULICA FLUVIAL CHIMPAHUAYLLA

1. INTRODUCCIÓN La finalidad del estudio Hidrológico, es determinar la magnitud de eventos extremos, proyectados para una probabilidad de ocurrencia establecida con incidencia sobre las crecidas de los caudales que discurren por el cauce de una cuenca, haciendo uso en este caso de modelos empíricos y análisis de datos estadísticos con el software (Easy Fit), los cuales se establecerán a través de la Generación de Caudales máximos. A partir de los caudales así determinados, se procederá a realizar el estudio de Hidráulica fluvial mediante el programa HEC-RAS, para establecer la altura segura a la que deberá instalarse la superestructura, así como precisar la profundidad de erosión o Socavación para plantear los niveles seguros para la cimentación o construcción de las obras de defensa ribereña si fuesen necesarias.

2. OBJETIVOS DEL ESTUDIO 

Establecer los Caudales de diseño, como consecuencia de la comparación de los valores hallados en los análisis de eventos extremos.



Determinar el nivel máximo de caudal para diferentes periodos de diseño (50,100,200,500) en base al patrón de tormenta de kayra.



Determinar los caudales medios mensuales para el punto de interés de estudio mediante el análisis estadístico de los datos de la estación de kayra.

3. CARACTERÍSTICAS GEOMORFOLÓGICAS DE LA CUENCA Sub Cuenca Cuenca Principal

: Río Huatanay (Chimpahuaylla) : Río Vilcanota -5-

3.1. INFORMACIÓN PRELIMINAR

La Sub cuenca del rio Huatanay , con 502 km2 pertenece a la cuenca del rio Vilcanota – Urubamba , Se encuentra ubicada entre las coordenadas UTM WGS 84 Norte 8494206–88496251 y UTM WGS 84 Este 833237 –856023, políticamente se ubica en el departamento de Cusco, provincia de Cusco, distritos de Cusco, Santiago, Wanchaq, San Sebastian, San Jeronimo y Saylla. Y la Provincia de Quispicanchis, distritos de Oropesa, Lucre y Andahuaylillas. La cuenca abarca 498.8 Km2, lo cual representa el 13.57 % del área de la cuenca en estudio. Los límites de la cuenca son:    

Por el Norte: Intercuenca Medio bajo Vilcanota. Por el Este: Intercuenca Medio Alto Vilcanota. Por el Sur: Cuenca del río Apurimac. Por el Oeste: Interc Corimarca y cuenca Querahuayllo.

3.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MORFOLÓGICAS DE LA CUENCA

Son parámetros que cuantifican la configuración física y geomorfológica de la cuenca; en seguida se detallan los parámetros considerados para este análisis según el programa WMS ; Características Geomorfológicas del área de escurrimiento). 3.2.1. SUPERFICIE DE LA SUB - CUENCA Se refiere al área proyectada sobre un plano horizontal, medida dentro de

los límites de la cuenca siguiendo la línea de Divortium Acuarium. Cuenca Huatanay (Chimpahuaylla) WMS= 226.51 Km2 3.2.2. PERÍMETRO DE LA CUENCA Es el contorno que delimita el área de la cuenca, igual a la longitud de la

línea de Divortium Acuarium. Cuenca Huatanay (Chimpahuaylla) WMS = 108.751 km

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3.2.3. ALTITUD MEDIA DE LA CUENCA La altitud media de una cuenca es aquella para la cual el 50 % del área de la

cuenca está situado por encima y el 50 % está situada por debajo; se determina a partir de la curva hipsométrica en nuestro caso a partir del WMS. Cuencas Vilcanota= 3673.71 m.s.n.m

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FI GURA N° 1 :

UBICACIÓN POLÍTICA DE LA CUENCA MEDIA DEL RIO VILCANOTA Y CUENCA DEL RIO HUATANAY (CHIMPAHUAYLLA) – WMS IMAGEN DEM

Fuente: Elaboración Propia -8-

3.2.4. ÍNDICE DE COMPACIDAD O DE GRAVELIUS. Coeficiente adimensional que nos da una idea de la forma de la cuenca. Si

Ic = 1, la cuenca será de forma circular. En general Ic es mayor que 1. I c = 0.2821

 = 0.2821

P S

108.751 √ 226.51

Ic (mc. Chimpahuaylla) = 2.038 P = Perímetro de la cuenca en Km. S = Superficie de la cuenca en Km² 3.2.5. FORMA DE LA CUENCA Expresa la relación, entre el ancho promedio de la cuena y su longitud;

según el WMS se determinó un valor de :

 = 1.42 3.2.6.

PENDIENTE MEDIA DE LA CUENCA

3.2.4. ÍNDICE DE COMPACIDAD O DE GRAVELIUS. Coeficiente adimensional que nos da una idea de la forma de la cuenca. Si

Ic = 1, la cuenca será de forma circular. En general Ic es mayor que 1. I c = 0.2821

 = 0.2821

P S

108.751 √ 226.51

Ic (mc. Chimpahuaylla) = 2.038 P = Perímetro de la cuenca en Km. S = Superficie de la cuenca en Km² 3.2.5. FORMA DE LA CUENCA Expresa la relación, entre el ancho promedio de la cuena y su longitud;


 = 1.42 3.2.6.

PENDIENTE MEDIA DE LA CUENCA Influye en el tiempo de concentración de las aguas en un determinado

punto del cauce.

=

3−39 9.9

= 4.154%

3.2.7. FACTOR DE FORMA DE LA CUENCA Expresa la relación, entre el ancho promedio de la cuenca y su longitud;


 = 1.42

-9-

4. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN RELEVANTE Como insumos para la realización del análisis se requiere de información que tenga relación con el carácter y requerimientos del estudio, haciéndose necesaria una etapa de recopilación de datos y antecedentes; para luego evaluarlos y validarlos hasta hacerlos utilizables. 4.1. FUENTES DE INFORMACIÓN

La información utilizada para la realización del análisis Hidrológico de la cuenca, ha sido obtenida de documentos correspondientes a las siguientes instituciones:  USGS - Earth Explorer.  Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI).  Universidad Andina del Cusco.  Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco.  Estudios afines ejecutados en la zona-Chimpahuaylla. 4.2. ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN

La información analizada para el análisis Hidrológico de la cuenca, ha sido procesada de la recolección de datos de nuestras fuentes de información; los software utilizados para el análisis fueron los siguientes:  Easy Fit - Análisis estadístico de Datos. 

Global Mapper – Analisis Cartografico de Imágenes Satelitales DEM



Watershed Modeling System – WMS – Modelado y análisis de Cuenca



Hydrology Modeling System

Hec Hms

Modelado y análisis

–

–

Hidrologico 

Hydrology engineering center

Hec Ras

–

–

Analisis Hidrologico e

Ingenieria. 

Analisis Asistido por Computadora-AutoCAD Civil – Analisis Topografico de Rio Huatanay.

4.3. CARTOGRAFÍA.

El acopio de información Cartográfica se recolecto de la pagina Web del USGS - Earth Explorer, la obtención de imágenes satelitales DEM La información así obtenida, ha sido trasladada a una base gráfica digital – Global Mapper para poder obtener y procesar la información necesaria para el análisis. -10-

FIGURA N° 2 : IMAGEN DEM ZONA 18 L Y 19 L GLOBAL MAPPER CUSCO

Fuente: Elaboración Propia

4.4. HIDROMETEOROLOGÍA .

La información pluviometría se obtuvo del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI). El parámetro necesario para el cálculo de caudales de diseño es la precipitación máxima anual durante 24 horas; la estación más cercana al área de estudio son las siguientes

TABLA N° 1: ESTACIONES METEOROLÓGICAS DE INFLUENCIA AL ÁREA EN ESTUDIO Nº

ESTACIÓN

1

KAYRA

2 3 4 5 6

PERAYOC PISAC CAYCAY PARURO CHITAPAMPA

PROVINCIA

DISTRITO

Lat

SAN 13°33'25"S JERÓNIMO 13°31'1"S CUSCO CUSCO 13°25'40"S CALCA PISAC 13°38'1"S URUBAMBA MARAS 13°46'3"S PARURO PARURO URUBAMBA CHINCHEROS 13°24'54"S CUSCO


Long

Alt (m.s.n.m)

71°52'31"W

3219

71°57'1"W 71°50'29"W 72°7'26"W 71°50'41"W 71°58'29"W

3429 2971 3071 3084 4306

FIGURA N° 3 : POLÍGONOS DE THIESEN ZONA DE ESTUDIO – PUENTE CHUMPAHUAYLLA – CUSCO

PUNTO DE INTERÉS- PUENTE CHIMPAHUAYLLA


5. ESTUDIO HIDROLÓGICO Para calcular el caudal máximo de avenida para un período determinado, se toma como referencias las alturas máximas de precipitación que cayeron sobre la cuenca en los últimos años de observación, datos que han sido obtenidos del Servicio Nacional de Hidrología y Meteorología. 5.1. HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA

El análisis de frecuencias referido a precipitaciones máximas diarias, tiene la finalidad de estimar precipitaciones máximas para diferentes periodos de retorno, mediante la aplicación de modelos probabilísticos, los cuales pueden ser discontinuos o continuos. El método probabilístico que mejor se ajusta a valores extremos máximos, utilizados en la formulación del presente estudio fue: -12-



Distribución Gamma 3 parámetros.

PRUEBAS DE BONDAD DE AJUSTE-KOLMOOROV – SMIRNOV

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6. SIMULACIÓN HIDROLÓGICA La cuenca es la unidad básica territorial para la captación de la precipitación (lluvia) que se produce escurrimiento superficial que descargan en un punto de la corriente. El fenómeno hidrológico se asemeja al balance de agua en una caja negra (Cuenca) donde la entrada son los volúmenes de agua precipitados y la salida son los volúmenes del escurrimiento directo en el sitio de la descarga; la diferencia entre ellos, se relaciona a la capacidad de retención de agua en el suelo (agua infiltrada en el suelo, agua interceptada y alojada en las depresiones) donde también se incluye la poca evaporación. Mediante la simulación hidrológica se ha determinado la avenida correspondiente para un periodo de retorno de 50, 100,200 y 500años. MODELO DE CUENCA

El primer paso es diseñar el esquema hidrográfico a simular y ello consiste en interconectar cada una de las microcuencas productoras de escurrimiento superficial con la red de drenaje de la cuenca. El modelo HEC-HMS permite alimentar de información a cada elemento mediante formularios interactivos. A.

Número de curva (CN). Un parámetro necesario para el cálculo del Hidrograma de avenida por medio

de la metodología del Soil Conservation Service (SCS) es determinar el valor del Número de Curva (CN). Este valor de CN es adimensional, tal que 0≤CN≤100.

Para superficies impermeables y superficies de agua CN=100; para superficies naturales CN<100. El Soil Conservation Service (SCS) ha tabulado valores de número de curva en base al tipo de suelo y uso de tierras. Todos los suelos son clasificados en 4 grupos de suelos hidrológicos de distintas propiedades. Para el cálculo de CN debemos conocer la descripción del uso del suelo.

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TABLA N° 2: GRUPOS DE SUELOS HIDROLÓGICOS

Fuente: Hidrología Aplicada. V.T Chow

TABLA N° 3: USOS DE TIERRA

Fuente: Hidrología Aplicada. V.T Chow

Tomando los valores del tipo de suelo hidrológico y Uso de Tierra, se determinó un CN, ponderado para la Microcuenca, cuyo valor es 77. 6.2. MODELO METEOROLÓGICO

El modelo meteorológico consiste en definir la tormenta de diseño utilizada en la simulación para nuestra micro cuenca es el Patrón de Tormenta de Kayra. -15-

6.3. PROCESO DE DATOS

Los resultados obtenidos al realizar el modelamiento hidrológico con el Hec Hms, para diferentes periodos de retorno, se muestran en el cuadro siguiente, con sus respectivos hidrogramas para cada punto de regulación planteada. Usando el programa WMS 9.1 se carga el archivo de la cuenca con extension DEM que ya se encuentra delimitado el cual es de la zona 18 y zona 19. FIGURA N° 4 CUENCA DE ESTUDIO.


Estando en el Modulo de Hidrología, se selecciona HEC-HMS, en la primera opción se establece el control de trabajo, donde se especifica el tiempo de análisis, además se establece las opciones de cuenca y las opciones de hidrología en el Sistema Internacional . FIGURA N° 5. CONTROL DE TRABAJO.


En la segunda opción se Edita los Parámetros, donde se especifica el Método de la Curva (SCS) para la perdida y la transformación, la abstracción varia de 12 a 15, el Numero de curva para nuestra cuenca se establece en función de la clasificación del suelo que pertenece al Grupo A y cuyo valor es 77, el área impermeable en nuestra cuenca no existe porque no hay lagunas, además el computo del tiempo del retardo de acuerdo al Método de la SCS nos resulta 2.30 horas. FIGURA N° 6. PARÁMETROS.


En la tercera opción se Edita los Parámetros Meteorológicos y para nuestro caso se establece el Patrón de Tormenta de Kayra y la altura de precipitación obedece al Periodo de Retorno en función al Riesgo de Falla y Vida Útil y de acuerdo con la Función de Distribución Máxima. Después de editar se guarda el archivo. FIGURA N° 7 DATOS ME TE OROLÓGI COS.


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Usando el Programa HEC-HMS 3.5 se carga el archivo WMS del modulo de cuenca para nuestro estudio de 50 años, se ejecuta el proceso y obtenemos el reporte de resultados. FIGURA N° 8. RE SULTADOS OBTE NI DOS T=50.


Además, se muestra el Hidrograma para un periodo de retorno de 50 años. FIGURA N° 9 HI DROGRAMA PAR A UN PE RI ODO DE RE TORNO DE 50 AÑOS.


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Editando el control de trabajo, y parámetros meteorológicos para un periodo de retorno de 100 años usando el programa WMS 9.1. FIGURA N° 10. PE RI ODO DE RE TORNO DE 100 AÑOS.


Usando el Programa HEC-HMS 3.5 se carga el archivo WMS del modulo de cuenca para nuestro estudio de 100 años, se ejecuta el proceso y obtenemos el reporte de resultados. FIGURA N° 11. RE SULTAD OS OBTE NI DOS T=100.


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Además, se muestra el Hidrograma para un periodo de retorno de 100 años. FIGURA N° 12. HI DROGRAMA PAR A UN PE RI ODO DE RE TORNO DE 100 AÑOS.


Editando el control de trabajo, y parámetros meteorológicos para un periodo de retorno de 200 años usando el programa WMS 9.1. FIGURA N° 13. PE RI ODO DE RE TORNO DE 200 AÑOS.


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Usando el Programa HEC-HMS 3.5 se carga el archivo WMS del modulo de cuenca para nuestro estudio de 200 años, se ejecuta el proceso y obtenemos el reporte de resultados. FIGURA N° 14. RESULTADOS OBTENIDOS.


Además, se muestra el Hidrograma para un periodo de retorno de 200 años. FIGURA N° 15. HIDROGRAMA PARA UN PERIODO DE RETORNO DE 200 AÑOS.


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Editando el control de trabajo, y parámetros meteorológicos para un periodo de retorno de 500 años usando el programa WMS 9.1. FIGURA N° 16. PERIODO DE RETORNO DE 500 AÑOS.


Usando el Programa HEC-HMS 3.5 se carga el archivo WMS del modulo de cuenca para nuestro estudio de 500 años, se ejecuta el proceso y obtenemos el reporte de resultados. FIGURA N° 17. RESULTADOS OBTENIDOS.


Además, se muestra el Hidrograma para un periodo de retorno de 500 años. FIGURA N° 18. HIDROGRAMA PARA UN PERIODO DE RETORNO DE 500 AÑOS.


Usando el programa HEC-RAS 4.1.0 se importa el archivo de las secciones del Rio Chimpahuaylla, configurando las unidades en el Sistema Internacional, y se crea el nuevo proyecto, se suministra la geometría. FIGURA N° 19. SECCIONES GEOMÉTRICAS.


Para hallar el coeficiente de Manning de acuerdo con la evaluación de nuestra cuenca, se uso el Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones. -23-

TABLA N° 4. Tabla para determinar Rugosidad.

Fuente: Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje Ministerio de Transportes y Comunicaciones.

TABLA N° 5. Tabla de valores.

Usando la siguiente ecuación: m5

1

n0

0.024

n1

0.010

n2

0.050

n3

0.010

n4

0.010


Usando la siguiente ecuación: , se obtiene el resultado de coeficiente de Manning n = 0.104. Cuyo valor sera usado en las secciones:

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FIGURA N° 20. SECCIONES DE RIO CHIMPAHUAYLLA.


Se hace el análisis del flujo, con Periodo de Diseño y con los valores para periodos de retorno de 50, 100, 200 y 500 años y con valores del análisis de Máxima Avenida de Precipitación de 24 horas. FIGURA N° 21. ANÁLISIS DE FLUJO.


Se realiza el Plan de Simulación, el cual será Supercrítico para caudales máximos. FIGURA N° 22. PLAN DE SIMULACIÓN.


Después de realizar la Simulación se puede apreciar las secciones con las máximas avenidas para poder determinar la cota adecuada de alguna estructura que se quiera diseñar.

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FIGURA N° 23. PERFILES DE FLUJO.


FIGURA N° 24. PERFILES DE FLUJO EN 3D.


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7. CONCLUSIONES

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HIDROLOGIA maestria recursos hidricos unsaac

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