determinacion de caudales | Guías, Proyectos, Investigaciones de Hidrología

Practica 3. Caudales HEC-HMS

Presentado por: Laura Castaño Carmona

Modelación hidrológica de cuencas

Especialización en Ingeniería Hidráulica y Ambiental

Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales

Abril de 2020

Resumen

La determinación de caudales hidrológicos

de una cuenca es importante para diferentes

proyectos como los son de abastecimiento,

captación, control de inundaciones en donde

la hidrología es necesaria para el

conocimiento de la disponibilidad de agua a

partir de modelaciones hidrológicas.

En esta práctica se debe realizar el cálculo de

los caudales máximos en 4 zonas de una

cuenca considerando diferentes factores

como, el periodo de retorno, área y la

precipitación media de la cuenca y otros

parámetros característicos de las diferentes

subcuencas pertenecientes a esta.

Los caudales máximos se obtendrán

mediante el software HEC-HMS el que,

mediante la elección de diferentes

ecuaciones para el cálculo de la infiltración,

escorrentía, flujo base y traslación a través

de toda la red se podrá obtener diferentes

hidrogramas de caudales con los que se

podrá tomar la decisión de cuál es el caudal

máximo en cada zona.

Objetivos

• Calcular los caudales máximos en las

zonas de la cuenca que se piden.

• Familiarizarnos con el modelo

hidrológico HEC- HMS.

• Generar varios hidrogramas para las

diferentes zonas y así realizar un

correcto análisis.

Marco teórico

El HEC-HMS fue desarrollado por el

Hydrologic Engineering Center (HEC) del

United States Corps of Engineers, el cual fue

diseñado para simular la escorrentía

superficial de respuesta de una cuenca a la

precipitación mediante la representación de

la misma como un sistema interconectado de

componentes hidrológicas e hidráulicas,

cada una de las cuales refleja un aspecto del

proceso precipitación-escorrentía dentro de

cada subcuenca, a partir de variables y

parámetros físicos e hidrológicos.

HEC-HMS es un programa que calcula el

hidrograma producido por una cuenca si le

facilitamos datos de la cuenca y datos de

precipitaciones.

Las diversas fases del programa son 4:

1. Infiltración (Loss): Separación de la

lluvia. Calcula que parte de la

precipitación va a generar escorrentía

directa.

2. Escorrentía (Transform): Calcula la

escorrentía directa producida por la

precipitación neta.

Vista previa parcial del texto

¡Descarga determinacion de caudales y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Hidrología solo en Docsity!

Practica 3. Caudales HEC-HMS

Presentado por: Laura Castaño Carmona Modelación hidrológica de cuencas Especialización en Ingeniería Hidráulica y Ambiental Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales Abril de 20 20 Resumen La determinación de caudales hidrológicos de una cuenca es importante para diferentes proyectos como los son de abastecimiento, captación, control de inundaciones en donde la hidrología es necesaria para el conocimiento de la disponibilidad de agua a partir de modelaciones hidrológicas. En esta práctica se debe realizar el cálculo de los caudales máximos en 4 zonas de una cuenca considerando diferentes factores como, el periodo de retorno, área y la precipitación media de la cuenca y otros parámetros característicos de las diferentes subcuencas pertenecientes a esta. Los caudales máximos se obtendrán mediante el software HEC-HMS el que, mediante la elección de diferentes ecuaciones para el cálculo de la infiltración, escorrentía, flujo base y traslación a través de toda la red se podrá obtener diferentes hidrogramas de caudales con los que se podrá tomar la decisión de cuál es el caudal máximo en cada zona. Objetivos

Calcular los caudales máximos en las zonas de la cuenca que se piden.
Familiarizarnos con el modelo hidrológico HEC- HMS.
Generar varios hidrogramas para las diferentes zonas y así realizar un correcto análisis. Marco teórico El HEC-HMS fue desarrollado por el Hydrologic Engineering Center (HEC) del United States Corps of Engineers, el cual fue diseñado para simular la escorrentía superficial de respuesta de una cuenca a la precipitación mediante la representación de la misma como un sistema interconectado de componentes hidrológicas e hidráulicas, cada una de las cuales refleja un aspecto del proceso precipitación-escorrentía dentro de cada subcuenca, a partir de variables y parámetros físicos e hidrológicos. HEC-HMS es un programa que calcula el hidrograma producido por una cuenca si le facilitamos datos de la cuenca y datos de precipitaciones. Las diversas fases del programa son 4: 1. Infiltración (Loss): Separación de la lluvia. Calcula que parte de la precipitación va a generar escorrentía directa. 2. Escorrentía (Transform): Calcula la escorrentía directa producida por la precipitación neta.

3. Flujo base (Baseflow): suma a la escorrentía directa la escorrentía básica, en caso de que existiera. 4. Traslación (Routing): calcula cómo evoluciona un hidrograma a medida que discurre a lo largo de un cauce. El programa realiza los cálculos de las tres primeras fases para cada subcuenca y calcula la última fase para cada tránsito a lo largo de un cauce. En los puntos de unión suma los caudales generados por varios elementos. Finalmente nos proporciona los hidrogramas generados para cada subcuenca y para el total de la cuenca **Desarrollo

Defino las características geométricas** de la cuenca en el software. Los datos de la cuenca dada para el trabajo están divididos en 4 subcuencas, las cuales se crearon en el programa y se les asignó su correspondiente área. Ilustración 1 Cuneca de trabajo En el software se esquematizo la cuenca de la siguiente forma: El trabajo es hallar los caudales en los puntos subbasin-1(Q1), subbasin-2(Q2), junction- 2 (Q3) y junction-1(Q4). Los caudales Q3 y Q4 se deben hallar en los juntions porque se deben sumar los caudales de la subcuenca propia y de las que venían aguas arriba. 2. Defino las lluvias Se tiene la precipitación por polígonos de Thiessen donde cada estación pluviométrica se rodea de un polígono y se supone que todo el polígono recibe la misma precipitación que el punto central. Se cuenta con 4 polígonos los cuales sus datos se ingresan en el programa con fecha del 28 de enero del 2014 desde las 6 de la mañana. ➢ PPT 1 Ilustración 2 Esquema cuenca

5.1.2 SCS Curve number

Initial abstraction (mm): usé valor igual al initial loss del método anterior.
Curve number: para obtener el numero de curva primero clasifique las diferentes subcuencas en los grupos hidrológicos de suelo del SCS según su contenido de arena limo y arcilla. Con las subcuencas clasificados según el suelo se busca en las tablas de CN del manual del programa el número de curva teniendo en cuenta las características del suelo. Según los datos suministrados de porcentajes de cultivo, pasto y de bosques clasifique el tipo de cobertura como Woods (Bosques) con combinaciones de césped como para huertas o árboles con una condición hidrológica buena. Tabla 2 Parámetros SCS Curve number model Subcuenca Tipo de suelo CN Impervious % Initial (mm) 1 A 32 2,25 21,5 7 2 A 32 1,34 32, 3 C 72 1,95 28, 4 D 79 2,18 17, 5.1.3 Green and Ampt
Initial Content: Se refiere al contenido de agua inicial del suelo al comienzo de la simulación.
Saturated Content: se asume que es la porosidad total del suelo.
Suction (mm) : se asumió en función a la textura del suelo teniendo en cuenta el área para cada tipo de suelo.
Conductivity (mm/h): Se refiere a la conductividad hidráulica.
Impervious (%): se calculó teniendo en cuenta el porcentaje de vías y techos en la subcuenca en sus diferentes áreas. Tabla 3 Parametros Green and Ampt model Subcuenca Porosity Suction (mm) Conductivity (mm/h) Impervious % 1 0,445 106,5 65,7 2, 2 0,444 66,6 71,4 1, 3 0,448 113,4 75,6 1, 4 0,475 316,3 0,3 2, 5.2 Escorrentía 5.2.1 Clark Unit Hydrograph
Tiempo de concentración (hr): Dato suministrado en los datos de entrada.
Storage coefficient (hr): representa el retardo que la cuenca impone a la superficie superficial para desplazarse. Esta en función al tiempo de concentración. 𝑹 = 𝟎𝟕𝟓 ∗ 𝑻𝒄 Tabla 4 Parámetros Clark Unit Hydrograph model Subcuenca Tc R 1 4,8 3, 2 2,7 2, 3 4,1 3,0 75 4 6,2 4, Ilustración 3 Grupos hidrológicos del suelo SCS Ilustración 4 Número de curva

5.2.2 SCS Unit Hydrograph Solo depende del Lag time que es el 60% del tiempo de concentración, pero el modelo lo exige en minutos. Subcuenca 1 2 3 4 Lag time(min) 172,8 97,2 147,6 223, 5.2.3 Snyder Unit Hydrograph

Standard Lag: es el mismo lag time pasado pero este modelo lo pide en horas.
Peaking coefficient: es el coeficiente al pico el cual su rango es de 0,4 a 0,8. Para el cálculo asumí un valor de 0,6. Tabla 5 Parametros Snyder Unit Hydrograph model Subcuenca 1 2 3 4 Standard lag (h) 2,88 1,62 2,46 3, Peaking coefficient 0,6 0,6 0,6 0, 5.3 Flujo base Para el flujo base utilice el modelo Constant Monthly el cual era el único el cual solo pedía un parámetro, los demás modelos exigían mas de dos parámetros que no conocen. Asumí que durante todo el año el flujo base es igual en todas las subcuencas menos en la subcuenca 1 que no se tuvo en cuenta el flujo base. Subcuenca Flujo base m3/s 1 None 2 0, 3 2, 4 4, 5.4 Traslación 5.4.1 Lag: Solo nos piden el tiempo de retardo en minutos. 𝑳𝒂𝒈(𝒎𝒊𝒏) = (𝟎. 𝟔 ∗ 𝑻𝒄) ∗ 𝟔𝟎 Traslacion Lag (min) Reach 4 (Q1-Q3) 147, Reach 2 (Q3-Q4) 223, Reach 1 (Q2-Q4) 223, El tiempo de concentración para cada Reach es el de la cuenca en el que se está trasladando el caudal, es decir por ejemplo el caudal_1 se traslada al caudal_ 3 entonces para los cálculos se utiliza el tiempo de concentración de la cuenca 3. 5.4.2 Muskingum Para este modelo se necesita dos parámetros K y X. La teoría dice que K puede asimilarse al tiempo de recorrido de la onda de un extremo a otro del tramo estudiado y que X es una constante que puede estar entre 0 y 0,5 pero normalmente vale 0,2 - 0,3. Para el trabajo se asume X=0,2 y K=Tc Traslacion K(hr) X Reach 4 (Q1-Q3) 4,1 0, Reach 2 (Q3-Q4) 6,2 0, Reach 1 (Q2-Q4) 6,2 0, 6. Combinaciones S e debe obtener 10 hidrogramas diferentes para los 4 caudales que se piden. Para esto se deben realizar diferentes combinaciones de los modelos, obteniendo así varios resultados y diferentes hidrogramas los cuales después del respectivo análisis se debe decidir con cual caudal trabajar o si realizar un promedio, todo esto depende de la comparación de los 10 hidrogramas para cada caudal. Se debe tener en cuenta que no se puede repetir los mismos métodos en las subcuencas 1 y 2 puesto que su calculo solo depende de la infiltración y escorrentía pues el flujo base no varía y no hay traslación en esos puntos. Por esto mismo solo se obtienen 9 diferentes hidrogramas para Q1 Y Q2. La siguiente tabla muestra las combinaciones realizado:

Se puede observar que, dependiendo del modelo de infiltración, la escorrentía producida por la lluvia varia notablemente, para el modelo Initial and Constant la cantidad de agua infiltrada no varia a lo largo de toda la lluvia, mientras que el modelo de SCS y Green and Ampt para cada intervalo de tiempo la infiltración varia y es mucho mayor que el primer modelo, por ende, serían los modelos más confiables. Otro punto para analizar es la traslación de los caudales a través del cauce, para calcular Q3 se debió sumar el caudal producido en la subcuenca 3 mas el caudal trasladado de la subcuenca 1 y para el calculo de Q4 se sumaron el caudal en la subcuenca 4 mas el caudal trasladado de la subcuenca2 y la subcuenca 3. En modo de ejemplo se pude observar la combinación 9 la cual tiene en toda la cunca los 3 modelos de infiltración y los 3 modelos de escorrentía. Gráfica 1 Caudal total 3 Gráfica 2 Caudal total 4

Se puede observar que efectivamente los junctions que es de donde se toma los datos para los caudales 3 y 4 cumple con las condiciones de la cuenca que es realizar la sumatoria e los caudales de aguas arriba implementado modelos de traslacion.

8. Caudales Para determinar el caudal de las diferentes zonas que se requieren se pasaron las tablas de los hidrogrmas de cada combinacion, para asi obtener diferentes hidrogramas para cada subcuenca, obteniendo así:

Q1. Caudal 1
Q2. Caudal 2

Q4 son mucho mayores a las demas combinaciones. Por consiguiente decido no utilizar las 3 primeras combinaciones para calcular los caudales totales de los puntos pedidos, a las otras 7 combinaciones simplemente les saco el promedio para obtener los caudales.

9. Conclusiones

Es necesario considerar siempre las pérdidas pues varían notablemente los resultados de los caudales siendo de mayor valor. En general el método de pérdida de mejores resultados es Green and Ampt.
El modelo de escorrentía de mejores resultados es el SCS, seguido por el de Clark según los datos obtenidos de las diferentes combinaciones.
Es importante conocer las características del terreno para así poder obtener el número de curva para obtener resultados más reales posibles.
Es importante saber que se quiere obtener, las propiedades reales de la uenca, analizar los datos con los que se cuenta, la habilidad y conocimiento hidrológico para garantizar la eficacia del modelado y la comprensión de los resultados obtenidos. - Se deben analizar los resultados correctamente para asegurarse de que en cada sección se están realizando los cálculos correspondientes y garantizarnos que la modelación se está realizando correctamente. - Para un buen resultado es necesario aplicar varias combinaciones alrededor de toda la cuenca. 10. Referencias - https://rhydroingenieros.com/blog/met odo-de-infiltracion-green-y-ampt-en- hec-hms - HEC-HMS manual elemental - https://www.ecorfan.org/handbooks - https://www.agua.imdea.org/sites/defa ult/files/pdf - HEC-HMS_Technical Reference Manual

determinacion de caudales, Guías, Proyectos, Investigaciones de Hidrología

Documentos relacionados

Vista previa parcial del texto

¡Descarga determinacion de caudales y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Hidrología solo en Docsity!

Practica 3. Caudales HEC-HMS