Aplicación de Modelos de Simulación Integral Hidrológica, para la estimación de caudales e Intensidad de precipitaciones

Aplicación de  Modelos de Simulación Integral

Hidrológica, para la estimación de caudales e Intensidad de precipitaciones.

JUANA TORRES, CAROLINA ZUMBA, MANUEL LEóN, ANDRÉS GONZÁLEZ .

Facultad de Ingeniería, Universidad de Cuenca, Av. Loja y Av. 12 de Abril.

 RESUMEN:

Un modelo hidrológico, busca representar los diferentes procesos involucrados en la distribución de la lluvia y la generación de caudales en una determinada cuenca. En la actualidad se dispone de una amplia variedad de modelos, los cuales han sido planteados bajo ciertas hipótesis cuyo claro entendimiento garantiza su correcto uso. En el presente trabajo se desarrollan modelos hidrológicos distribuidos superficiales. Un sistema integrado de flujo incluye una componente superficial, condiciones de borde de la interfase entre ellas, condiciones de borde externas y condiciones iniciales.

 RESUMEN

Se calibraron y validaron dos modelos de simulación integral de una cuenca. La calibración consideró el planteamiento original de los modelos, pero diferenciando parámetros para distintos meses o grupos de meses, llegando a establecer 8 parámetros en el río Purapel y 24 parámetros en el río Achibueno. La validación se analizó a base de pruebas estadísticas no paramé- tricas. Así, los resultados muestran que un 82% de aportación específica de la cuenca del río Purapel es explicada por el modelo Témez, mientras que un 61% de la aportación de la cuenca del río Achibueno es explicada por el modelo T. Se recomienda el Modelo Témez de 8 parámetros para la cuenca del río Purapel y el Modelo T de 24 parámetros para la cuenca del río Achibueno, como herramienta para la evaluación del recurso hídrico, ya que incluyen los principales procesos del ciclo hidrológico en su simulación y presentan un número de parámetros manejables.

Palabras clave: modelos de simulación, simulación integral de cuencas, modelo T, modelo Témez.

INTRODUCCIÓN:

Las relaciones hidrológicas que ocurren en una cuenca se pueden estudiar a través de modelos que simplifiquen y representen los distintos fenómenos que suceden al interior de ésta, siendo los modelos matemáticos una herramienta importante y que se ha ido perfeccionando en los últimos años. Así, los modelos matemáticos permiten representar un sistema hidrológico por medio de relaciones lógicas y cuantitativas, capaces de ser modificadas para observar cómo el sistema reacciona, siendo los modelos de simulación aquellos capaces de reproducir sistemas altamente complejos. Debido a la complejidad de los procesos hidrológicos que ocurren en un sistema natural, la ingeniería hidrológica ha desarrollado modelos que en términos generales reproducen el ciclo hidrológico o parte de éste, basados en el supuesto que un modelo general puede ser modificado para utilizarse en otras cuencas de características similares.

En este contexto, los Modelos de Simulación Integral de Cuencas representan la totalidad del ciclo hidrológico que ocurre en una cuenca hidrográfica, teniendo como principal finalidad generar datos de caudal o aportación, a partir de información meteorológica, los cuales pueden someterse a análisis probabilísticos para la determinación de parámetros en el diseño de obras hidráulicas. Además, son capaces de producir datos en cuencas sin estaciones de medición.

El desarrollo de estos métodos indirectos de evaluación de los recursos hídricos, han permitido el análisis de los procesos hidrológicos considerando intervalos de tiempos más cortos y con un mayor detalle espacial dentro de la cuenca.

La cantidad de parámetros son necesarios para  calibración, validación y aplicación, además para su utilidad en la hidrología forestal, ya que permiten comparar el comportamiento de los caudales en distintas condiciones de cubierta vegetal y permiten generar datos en cuenca sin información, con lo cual se transforman en una potente herramienta para el diseño de obras hidráulicas en la planificación de faenas forestales.

 MATERIALES Y MÉTODOS:

OBTENCIÓN DE DATOS:

Se nos han facilitado los datos tomados de un registro de caudales de la estación Matadero en Sayausí, una subcuenca del Río Tomebamba, que han registrado el cauce de este río, se trabajó con registros desde el 1 de Julio de 1983 hasta el 30 de Septiembre de 1986. El registro en esta estación Matadero en Sayausí respecto a otras contiene el periodo más amplio de datos con el que cuenta. el hidrograma con el cual se trabajara muestra la siguiente forma:

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SEPARACIÓN DE FLUJOS:

En nuestro hidrograma se incluye el análisis de eventos extremos, por lo que se requiere separar el aporte de agua subterránea, representada por el flujo base, asi como tambien el aporte de agua sub superficial o interflujo. Con lo que se puede apreciar de mejor manera la separación de eventos extremos.

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PROCESAMIENTO DE DATOS:

Inicialmente se procede con el ordenamiento de datos, separando las precipitaciones diarias en periodos de dos, cinco y diez días. Así como las precipitaciones máximas mensuales y anuales, de esta serie se calculan los factores para el ajuste a la distribución de probabilidad de Gumbel.

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Para cada periodo de retorno Tr se obtiene Kt para diferentes duraciones .

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A partir de este cuadro  se puede graficar las curvas IDF.

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ANÁLISIS Y CLASIFICACIÓN DE EVENTOS EXTREMOS:

El análisis de frecuencia de eventos extremos, es más óptimo si los eventos extremos son identificados previamente y analizados por separado

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Esta serie de datos se la va a ajustar a una función de distribución de  tal manera que permita la extrapolación de datos de probabilidades para encontrar caudales para períodos de retorno alto debido a que se está trabajando con valores extremos

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 RESULTADOS:

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FALTA CURVAS QDF….

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ECQ final

dia1

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dia 2

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CONCLUSIONES

La consideración del volumen de los hidrogramas de avenida a la hora de abordar el diseño hidrológico de las presas es una cuestión de gran relevancia, especialmente en el caso de las presas con grandes volúmenes de embalse, en las que el volumen del hidrograma puede ser tan importante o más que el caudal punta. Los procedimientos de cálculo habitualmente empleados presentan ciertas limitaciones para tener en cuenta la relación de dependencia estadística entre el caudal punta y el volumen del hidrograma. Es, por tanto, necesario incorporar al cálculo de la seguridad hidrológica de las presas con grandes volúmenes de embalse técnicas que permitan tener en cuenta dicha dependencia estadística. Asimismo, se ha puesto de manifi esto que una de las cuestiones que es fundamental considerar a la hora de incorporar la dependencia estadística entre caudal punta y volumen de avenida en el análisis de la seguridad hidrológica de las presas, es cómo interpretar el concepto de periodo de retorno de diseño en el caso de una variable hidrológica bivariada. Esta interpretación debe partir de que el periodo de retorno se refi ere a la probabilidad de fallo de la estructura y no a la probabilidad de ocurrencia de un determinado evento hidrológico; por lo tanto, el periodo de retorno se debe aplicar sobre la variable que controla si se produce el fallo o no de la presa (nivel en el embalse) y no sobre la solicitación hidrológica (hidrograma de avenida). Al relacionar este periodo de retorno con las variables hidrológicas, el hidrograma de diseño de la presa deja de ser un único hidrograma para convertirse en una familia de hidrogramas que generan un mismo nivel máximo en el embalse, representados mediante una curva en el plano caudal-volumen. Esta familia de hidrogramas de diseño depende de la propia presa a diseñar, variando las curvas caudal-volumen en función de las características de la presa como, por ejemplo, el volumen de embalse o la longitud del aliviadero. Para conocer dichas curvas, que representan las familias de hidrogramas correspondientes a un determinadoperiodo de retorno, es necesario caracterizar previamente la dependencia estadística entre el caudal punta y el volumen del hidrograma. Para ello, se ha desarrollado un procedimiento que permite describir dicha dependencia estadística de una manera sencilla y robusta, mediante un enfoque alternativo a la obtención directa de la función de distribución conjunta bivariada, consistente en emplear dos funciones: la función de distribución marginal del caudal punta (la ley de frecuencia de caudales punta habitualmente utilizada en hidrología de crecidas), y la función de distribución condicionada del volumen respecto al caudal, es decir, la función que indica cuál es la probabilidad de que un hidrograma de avenida tenga un determinado volumen sabiendo que su caudal punta tiene un valor determinado. Se ha analizado la relación entre el caudal y el volumen de los hidrogramas a partir de la información disponible en distintas estaciones de aforos. Se ha observado una fuerte dependencia entre ambas variables del hidrograma, lo que acota el rango de combinaciones normales de ambas variables que muestran una relación casi lineal a escala logarítmica. El análisis en las regiones estadísticas defi nidas en trabajos previos (ver primer artículo de esta serie; Jimé- nez et al., 2014) parece indicar que se podría considerar una única relación entre el caudal y el volumen a nivel regional, lo que permite incrementar el número de datos disponibles para caracterizar la relación de dependencia entre ambas variables, reduciendo la incertidumbre y aumentando la robustez de la estimación. La caracterización de la relación caudal-volumen a nivel regional se ha realizado partiendo de una estandarización de los datos dividiendo los caudales y volúmenes por sus valores medios en cada estación. La distribución condicionada del volumen respecto al caudal viene defi nida por una distribución log-normal, diferente para cada valor del caudal punta, estando determinada su media por una ecuación de regresión regional entre los valores adimensionales de caudal y volumen, y su desviación típica por un valor regional igual a la desviación estándar del ajuste de la regresión. b) Figura 19. Infl uencia de la longitud de aliviadero en las curvas caudal-volumen. a) Longitud de aliviadero de 15 m. b) Longitud de aliviadero de 20 m. Caudal (m3 /s) Volumen (Hm3 ) Se ha propuesto un método para su aplicación práctica al análisis de la seguridad hidrológica de las presas a través de un procedimiento de cálculo probabilístico basado en la generación estocástica de un número elevado de hidrogramas, y se ha aplicado a dos casos de ejemplo. La generación sintética de hidrogramas consiste en tres pasos: generación de un conjunto de caudales punta y de un volumen de hidrograma para cada caudal punta (a partir de la generación aleatoria de probabilidades), y asignación de una forma de hidrograma a cada pareja de caudal punta-volumen. Estos hidrogramas se han obtenido de manera simplificada reescalando un hidrograma procedente de la modelación hidrológica de la cuenca vertiente a cada presa. Como resultado, se llega a que no existe un único hidrograma para un periodo de retorno de T años sino un conjunto de hidrogramas que producen el mismo nivel máximo en el embalse, situados formando una curva en el espacio bidimensional caudal-volumen. Cuanto más suave sea la pendiente de las curvas caudal-volumen, mayor será la dependencia respecto del volumen. Por el contrario, cuanto más pronunciada sea la pendiente, mayor será la dependencia respecto del caudal punta. También se ha obtenido como resultado la ley de frecuencia de niveles máximos en el embalse, fundamental para la seguridad de la presa, y la de caudales máximos vertidos, necesaria para analizar el riesgo aguas abajo del embalse.

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