JORNADAS SOBRE HIDROLOGÍA DE SUPERFICIE EN TENERIFE
Santa Cruz de Tenerife 29‐30 30 septiembre septiembre 2009
JORNADAS SOBRE HIDROLOGÍA DE SUPERFICIE EN T ENE ENERIFE RIFE
Segunda Jornada: Segunda Jornada:
GUÍA METODÓLOGICA CALCULO CAUDA LES AVENIDA 5
CARACTERIZACIÓN PARAMÉTRICA DE LAS CUENCAS D. Jesús D. Jesús López García Dr. Ing.CCP. YACU, S.L.
D. Pedro Delgado Melián Jefe Sección Datos Hidrológicos del del CIATF CIATF
INDICE
1
OBJETIVO Y METODOLOGÍA. Número de curva
2
INFORMACIÓN BÁSICA
3
PROCESO DE CÁLCULO
Segunda Jornada (30-sep-09)
Autores: J. LOPEZ GARCIA P.DELGADO MELIAN
Ref.: JHSTF-II-05 (1 de 27)
JORNADAS SOBRE HIDROLOGÍA DE SUPERFICIE EN TENERIFE
1
OBJETIVO Y METODOLOGÍ A
1.‐ OBJETIVO 1.‐
La Guía necesita establecer cómo se comporta hidrológicamente el terreno de cualquier punto de la isla cuando recibe la precipitación (pérdidas) Factores que determinan el comportamiento
Vegetación
Características del suelo
Uso del suelo
Pendiente del terreno
Los parámetros permitirán caracterizar en pocas cifras el funcionamiento del suelo
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1.‐ METODOLOGÍA Estimación de pérdidas de precipitación
Pérdidas: Procesos que reducen la precipitación total que emite la atmósfera a una fracción denominada precipitación eficaz, responsable de la escorrentía Intercepción Almacenamiento en depresiones Evaporación Infiltración
Métodos de cálculo Conceptuales (Horton, Holtan, Philip, Green‐Ampt) Empíricos (SCS)
1.‐ METODOLOGÍA
Métodos conceptuales
•
Históricamente se han desarrollado numerosos métodos conceptuales para calcular la infiltración (Horton, Philips, Green‐Ampt) que describen matemáticamente las observaciones. Todos se pueden explicar con simplificaciones de la ecuación de Richards.
•
•
Suponen que existe agua acumulada sobre el suelo y que la intensidad de lluvia es constante. Necesitan como mínimo 2‐3 parámetros para deducir la infiltración. Los parámetros son muy difíciles de obtener, no tanto por la dificultad de los experimentos que es necesario realizar, sino sobre todo por el amplio rango que pueden tomar dentro de una misma cuenca
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1.‐ METODOLOGÍA
Método del número de curva del SCS
•
El Soil Conservation Service ( SCS ) del Departamento de Agricultura de EE.UU. (1960) un procedimiento muy simple para calcular la infiltración, basado en consideraciones teóricas simples y datos de más de 1000 cuencas experimentales tomados en la década de los 50
•
El método fue adoptado inmediatamente por la comunidad internacional y se ha convertido en el estandar de cálculo porque Utiliza solo un parámetro ‐que se puede obtener de mapas temáticos
generalmente disponibles‐ Es relativamente realista No existe ninguna alternativa realista para la modelación matemática.
1.‐ METODOLOGÍA. Método del número de curva del SCS Estimación de pérdidas de precipitación
El método del número de curva del SCS Fundamento teórico Cálculo de las pérdidas y de la escorrentía Datos de partida Obtención del parámetro Modificaciones para diferentes condiciones de humedad
antecedente Ejemplo de aplicación Limitaciones y problemas asociados al método
■
Variante española: El método de P0
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1.‐ METODOLOGÍA
Método del número de curva del SCS
Precipitación • Grupos de suelos • Uso del suelo • AMC Volumen de escorrentía directa
V
Distribución temporal de la escorrentía (hietograma)
1.‐ METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
El método se basa en una relación de balance de la escorrentía producida por una tormenta
donde •F
Volumen de agua retenido en la cuenca (pérdidas)
•Q
Escorrentía directa (exceso de lluvia)
• S’
Retención potencial máxima del suelo
•P
Máxima escorrentía posible (precipitación de la tormenta)
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1.‐ METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
Por definición, la abstracción inicial es una fracción de S. Por defecto, si no existe experiencia que lo modifique) se recomienda tomar
Ia = 0.2 S Como la retención del suelo F es la diferencia entre la precipitación eficaz (P‐Ia) y la escorrentía
F = (P ‐ Ia) – Q Al sustituir en la ecuación inicial, se obtiene la relación final del método
1.‐ METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS La mayor dificultad para aplicar el método es la estimación del máximo potencial de retención de la cuenca S Para ayudar a estimarlo el SCS desarrolló el concepto de número de curva NC (adimensional).
La relación entre el NC y S es (en mm)
Donde NC puede –teóricamente- tomar valores entre 0 y 100
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1.‐ METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
Clasificación de suelos Los suelos se clasifican por sus características de infiltración en 4 grupos hidrológicos (A, B, C, y D) ■
A Bajo potencial de escorrentía, gran infiltración aunque estén saturados. Suelos profundos bien drenados o gravas. Texturas arenosas o areno‐limosas.
■
B Tasas de infiltración moderadas cuando están saturados. Suelos moderadamente profundos o profundos de moderadamente a bien drenados con texturas finas a medianas. Limos.
■
C Tasa de infiltración bajas. Suelos con capas que impiden movimiento vertical.Texturas medio finas a finas. Arcillas limosas.
■
D Alto potencial de escorrentía. Capacidad baja de infiltración. Suelos arcillosos expansivos con nivel freático alto o poco espesor o con materiales casi impermeables.
Una vez determinado el grupo de suelo, el número de curva para condiciones medias antecedentes de humedad se obtiene con el tipo de vegetación, el uso del suelo y la condición hidrológica entrando en las con las tablas del SCS
1.‐ METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
Tabla ORIGINAL del SCS
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1.‐ METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
Nomograma del SCS
1.‐ METODOLOGÍA. Condiciones de humedad antecedente (AMC) AMC‐I Suelo seco sin llegar al punto de marchitez. Se utiliza cuando apenas se ha producido lluvia cuando cae la tormenta de proyecto
AMC‐II Caso medio de avenidas anuales (promedio de las condiciones de humedad que se dan cuando se produce la avenida máxima anual)
AMC‐III Cuando se produjeron lluvias intensas o lluvias ligeras y temperaturas bajas en los 5 días previos a la tormenta y el suelo está prácticamente saturado.
Precip. acumulada en los 5 días previos a la tormenta
Condición
Descanso Actividad vegetativa
I
< 10 mm
II
10 – 30 mm
< 35 mm
III
> 30 mm
35 ‐ 55 > 55 mm
AMC II
AMC I
AMC III
100
100
100
El número de curva que se obtiene de las
95
87
98
tablas es AMC‐II. Si la humedad del suelo en el
90
78
96
85
70
94
80
63
91
75
57
88
70
51
85
65
45
82
60
40
78
estado inicial difiere de AMC‐II, hay que modificar el número de curva
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1.‐ METODOLOGÍA. Ejemplo de cálculo (NC=70) S= (25400/70)-254=108.86
Ia=0.2S=21. 77
Q = (P-02.S) 2/(P-0.8S)
Cá l c u l o s d e i n f i l t r a c i ó n y e s c o r r e n t í a 35 30 25 m 20 m 15
10 5 0 1
2
3
4
Tiempo (h)
Precipitación
Infiltración
Escorrentía
1.‐ METODOLOGÍA. Variante española .Método del umbral de escorrentía
• • • •
•
La Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento ha estandarizado un método de cálculo de pérdidas similar al del SCS para la aplicación normada del método racional (5.2‐IC) El parámetro Po (umbral de escorrentía) tiene significado físico, y es equivalente a la abstracción inicial Ia del método del número de curva del SCS Para pasar de condición de humedad se introdujo un coeficiente corrector de Po que depende de la localización geográfica (no contrastado en Canarias) Las tablas de cálculo de Po son muy similares a las del SCS, pero ‐ al contrario que en el método del SCS‐ los valores de Po son tanto menores cuanto más impermeable es el suelo. La pendiente se utiliza como condición hidrológica. Debido a su origen común, existe una correspondencia entre ambos parámetros que permite pasar de uno a otro con facilidad siempre y cuando no se haya efectuado corrección por humedad antecedente
Po= (5000/ NC) –50 NC= 5 0 00 / ( Po + 5 0 )
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INFORMACIÓ N BÁ SICA
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA Para facilitar los cálculos en la Guía, se necesita generar una cobertura de números de curva a partir de las siguientes:
Coberturas disponibles COBERTURA
CONTENIDO
TIPO
ORIGEN
Urbanismo
Zonas urbanas y urbanizables
Vectorial
PGOU
Carreteras Ocupación del suelo Espacios abiertos
Red viaria insular
Vectorial
Cabildo de Tenerife
Usos del suelo
Vectorial
GRAFCAN
Espacios abiertos en zona urbana
Vectorial
PIOT
Cultivos
Cultivos agrícolas
Vectorial
Gobierno de Canarias. Consejería de Agricultura
Vegetación
Especies forestales y de vegetación natural
Vectorial
ULL. Dpto de Botánica
Pendientes
Pendientes del terreno Raster
MDT de GRAFCAN
Suelos
Grupos hidrológicos del SCS
ULL. Dpto de Edafología y Geología
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras: Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras: Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras: Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras: Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras: Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo: Detalle
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de cultivos Agrupación de cultivos agrícolas:
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de cultivos Agrupación de cultivos agrícolas: Detalle del Mapa de Cultivos 1:5000
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de vegetación dominante Agrupación de especies de vegetación potencial:
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de vegetación dominante Agrupación de especies de vegetación potencial:
Detalle Mapa de vegetación (1:25.000)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de vegetación secundaria Agrupación de especies de vegetación potencial
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de vegetación secundaria Agrupación de especies de vegetación potencial
(detalle Mapa de vegetación 1:25.000)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Densidades de vegetación: BAJA (<50%) MEDIA (entre el 50 y el 75%) ALTA (>75%)
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de pendientes
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de pendientes
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Detalle
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura edafológica Taxonomía de suelos:
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura edafológica Taxonomía de suelos:
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(detalle)
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Caracterización de suelos Convenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓ N DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICO La caracterización de suelos es base necesaria para la elaboración de la cartografía edáfica, definición de las unidades taxonómicas y unidades cartográficas.
Estudios realizados ¾ Propiedades físicas, regímenes térmicos y de humedad de los suelos ¾ Velocidad de infiltración
• Selección de zonas representativas de los suelos de la isla: 182 • Medidas de infiltración (método del doble anillo): mínimo 3 por zona • Pruebas de simulación de lluvia (15): en 11 zonas
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Resultados de las pruebas de campo Curvas de infiltración
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Agrupación de unidades taxonómicas: criterios Clases de infiltración de Landon (1991)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Agrupación de unidades taxonómicas: criterios Clases de infiltración de Landon (1991)
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3.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Clasificación del mapa de suelos: Grupos hidrológicos del SCS A Bajo potencial de escorrentí escorrentí a
B Tasas de infiltració infiltración moderadas C Tasa de infiltració infiltración bajas D Alto potencial potencial de escorrentí escorrentí a
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PROCESO DE CÁ LCULO
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3.‐ PROCESO DE CÁLCULO
El objetivo es calcular el número de curva del SCS, en condiciones AMC‐II, a partir de la información disponible sobre vegetación, cultivos, pendientes suelos (edafología) y planificación urbanística, generando una malla perfectamente superponible con el MDT
Preparación de la malla de número de curva:
• • •
Interpretación de coberturas temáticas de la Isla:
-
Agrupación y codificación de elementos específicos de cada cobertura Equivalencias entre agrupaciones y las categorías del método original del SCS
Generación de capas raster para cada mapa temático:
-
Mismo formato y coordenadas que MDT Basadas en códigos numéricos
Relleno de capa de número de curva mediante consulta (software) a los valores de la tabla oficial del SCS, en función de las asignaciones realizadas a los elementos de cada capa.
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Interpretación de coberturas
Coberturas de partida y agrupaciones
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3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Interpretación de coberturas
Ejemplo: Capa de cultivos: 37 elementos y 8 categorías homogéneas Cód. y Agrupación 14
Asociación de cultivos: leñosos y hortalizas u ornamentales
Cultivo A. Citricos‐ Hortalizas A. Citricos‐ Ornamental A. Citricos‐ Papa A. Templados‐ Papa A. Viña‐ Hortalizas A. Viña‐ Papa
15
Cereales, Leguminosas o Pastizales
Cereal varios Leguminosas Millo Pastos
16
Erial
Abandono Prolongado Abandono Reciente Cultivo no presente Erial
17 18
Urbano o Viales Montes
Urbano o Viales Montes
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Interpretación de coberturas
Equivalencias a tabla del SCS
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3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Generación de capas raster
Tratamiento de la capa de urbanismo:º La información urbanística se refunde en una sola cobertura raster • Las células territoriales hacen de tapiz de fondo • Donde no hay usos urbanísticos, la cobertura queda en blanco • El refundido (GIS) da como resultado una cobertura raster con códigos
3. URBANISMO
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Generación de capas raster
Tratamiento de la capa de urbanismo:º La información urbanística se refunde en una sola cobertura raster • Las células territoriales hacen de tapiz de fondo • Donde no hay usos urbanísticos, la cobertura queda en blanco • El refundido (GIS) da como resultado una cobertura raster con códigos
3. URBANISMO
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3.‐ PROCESO DE CÁ LCULO: Generación de capas raster
Tratamiento general de las coberturas: ¾ Esquema básico :
• La cobertura de vegetación (tapiz de fondo) da el valor por defecto
• En caso de superposición de contenidos prevalece el valor de la capa superior. COBERTURA SUELO TERRITORIAL
PENDIENTE SUELO
PENDIENTE
NÚMERO DE CURVA
COBERTURA TERRITORIAL
3.‐ PROCESO DE CÁ LCULO: Relleno de la capa del número de curva
Condicionantes del cálculo del numero de curva: ¾ Determinación de la condición
hidrológica a partir de 2 variables:
• Pendiente: ‐ Fuerte (>= 3%) ‐ Suave: (<3%) • Densidad de vegetación: (>=75%) ‐ Alta ‐ Media (50‐75%) ‐ Baja (<=50%) ¾ Desdoblamiento de la cobertura de vegetación
‐ Código de vegetación dominante :
CVD
‐ Código de vegetación secundaria: ‐ Densidad de vegetación dominante (%): ‐ Densidad de vegetación secundaria (%): ‐ Ocupación de la vegetación (%):
CVS
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en 5 matrices individuales
DVD DVS OCU
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3.‐ PROCESO DE CÁ LCULO: Relleno de la capa del número de curva
Proceso de consulta a la tabla oficial (SCS) • Caso general: 1. Se lee el código de la celda 2. Con el código se deduce la clase asignada del SCS (nº fila) 3. Se lee el NC de la fila: inicial de la clase o incrementada, según los casos: a) El NC no está ligado a la pendiente Se aplica la categoría base correspondiente en la tabla del SCS con incremento 0
b) El NC depende de la pendiente Se asigna código a la pendiente y un incremento de fila sobre la base:
c) El NC depende de pendiente y densidad de vegetación Se asigna código a la pendiente y a la densidad de vegetación y un Incremento de fila sobre la base:
• Caso particular: cobertura de vegetación El NC final se obtiene ponderando NCD y NCS con las densidades de vegetación Si NCS = 0 Si NCS > 0 y NCD>0
NC = NCD NC = (NCD*DVD) + (NCS*DVS) / ((DVD+DVS)
3.‐ PROCESO DE CÁ LCULO: Relleno de la capa del número de curva
Esquema lógico: cálculo del número de curva en una celda genérica Lee capa de suelos
¿Celda activa?
No
Sí Lee capa de urbanismo y pendiente
No
¿Valor capa urbanismo nulo?
Sí Lee capa de cultivos
Calcula NC con tipo de suelo
¿Código 9 ó 12 a 16
Sí
No Lee capas de vegetación
Asigna valor nulo
¿Código 1 ó 3 a 8
No Calcula NC con pendiente y tipo de suelo
Sí Calcula NC con pendiente, densidades dominante/ secundaria y tipo de suelo
Escribe NC en cobertura
Segunda Jornada (30-sep-09)
Autores: J. LOPEZ GARCIA P.DELGADO MELIAN
Ref.: JHSTF-II-05 (26 de 27)
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3.‐ PROCESO DE CÁ LCULO: Resultado final
Malla de números de curva para cálculo Matriz de datos que utilizan los modelos matemáticos
3.‐ PROCESO DE CÁ LCULO: Resultado final
Número de curva del SCS (AMC ‐II)
Segunda Jornada (30-sep-09)
Autores: J. LOPEZ GARCIA P.DELGADO MELIAN
Ref.: JHSTF-II-05 (27 de 27)