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580819188-Coronel-Armas-2014
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"~eDElC DfE Sf~ULACIÓN COr-JYINUA DE LLUVIAS fE~
L~ DET~RMINACIÓN DIEL CAUDAL DE ESCORRIENYÍA D~ ¡
LA CIUDAD NUEVA fULERABAruJBA .. APURift~AC"
PRESENTADO POR EL BACHILLER
lUDS DANülO CORONEl ARMAS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESiONAL
ASESOR
M. Se. lng. ABEL ALBERTO rJJUÑIZ PAUCARMA VTA
HUANCAYO-PERÚ
2014
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRODELPERU
FACULTAD DE INGENfERfA CIVIL
DEDICATORIA
··~M'nnJ=tn;:cnF siMUIAoó.N CONTINUA DE.~~~''··~.
. . FUERABAM!JA,~ APURÍMAC,; • .
AO!tófi}[il¡rHJ'ánilo •l.:Orr.mél Armas
DE tA
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
AGRADECIMIENTO
A Dios, gracias a él he logrado concluir mí
profesión.
A mi asesor, Abel Muñiz Paucarmayta, por su
gran ayuda y comprensión en el desarrollo de esta
tesis.
A los docentes y compañeros de la facultad de
Ingeniería Civil de la Universidad Nacional del Centro
del Perú, por sus enseñanzas y experiencias
compartidas.
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENffA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC'
JI
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIER/A CIVIL
INDICE
DEDICATORIA .............................................................................................................•.•............ I
AGRADECIMIENTO .................................................................................................................. 11
INDICE ....................................................................................................................................... 111
IN DICE DE FIGURAS ............................................................................................................... VI
INDICE DE TABLAS ................................................................................................................ IX
LISTA DE SIMBOLOS .............................................................................................................. X
RESUMEN ................................................................................................................................ XII
INTRODUCCIÓN,. ................................................................................................................... XIII
CAPITULO!
PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN
1.1. PROBLEMÁTICA DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................... 15
1.2. OBJETIVOS .............................................................................................................. 16
1.3. JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACIÓN ........................................................... 17
1.4. FORMULACIÓN DE LA HIPOTESIS ..................................................................... 18
1.5. VARIABLES .............................................................................................................. 18
1.6. ORGANIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................... 19
CAPITULO 11
MARCO TEORICO
2.1. ANTECEDENTES ..................................................................................................... 21
2.2. MARCO CONCEPTUAL .......................................................................................... 23
2.2.1. EL CICLO HIDROLÓGICO .................................................................................. 23
2.2.2.
2.2.3.
2.2.4.
2.2.5.
2.2.6.
2.2.6.1.
2.2.7.
2.2.7.1.
PRECIPITACION .................................................................................................. 24
ESCORRENTIA .................................................................................................... 26
RELACION LLUVIA - ESCORRENTIA ............................................................. 27
CUENCA HIDROLÓGICA .................................................................................... 28
DRENAJE PLUVIAL URBANO ........................................................................... 29
ORDEN DE LA RED DE DRENAJE ............................................................... 29
FACTORES EN LA DETERMINACIÓN DE LA ESCORRENTIA .................... 30
PARAMETROS CLIMATOLÓGICOS ............................................................. 31
2.2. 7 .1.1. DA TOS HIDROMETEREOLOGICOS ......................................................... 31
2.2.7.2. PARAMETROS GEOMORFOLOGICOS ........................................................ 35
"MODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE lA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC'
111
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
2.2.7.2.1.
2.2.7.2.2.
2.2.7.2.3.
2.2.7.2.4.
2.2.7.3.
2.2.7.3.1.
ÁREA DE LA CUENCA .................................................•.............................. 35
ANCHO DE CUENCA .....•............................................................................. 35
PENDIENTE GENERAL DEL TERRENO ................................................... 36
CUBIERTA DE CUENCA ............................•••.............................................. 37
PARÁMETROS HIDRÁULICOS .........................•..•......................................... 37
INFILTRACIÓN .............................................................................................. 37
2.2.7.3.2. INFRAESTRUCTURA DE DRENAJE URBAN0 ....................................... 45
2.2.8. MODELACIÓN DE CUENCAS ............................................................................ 54
2.2.9. CLASIFICACIÓN DE LOS MODELOS ............................................................... 55
2.2.9.1. MODELOS ESTADÍSTICOS/ESTOCÁSTICOS ............................................. 55
2.2.9.2. MODELOS DE OPTIMIZACIÓN ...................................................................... 56
2.2.9.3. MODELOS DETERMINÍSTICOS ..................................................................... 56
2.2.9.3.1. MODELOS DE EVENTOS ............................................................................ 57
2.2.9.3.2. MODELOS DE SIMULACION CONTINUA ................................................ 58
2.2.10. CALIBRACION DEL MODELO ....................................................................... 73
2.3. DEFINICION DE TERMINOS .................................................................................. 75
CAPITULO 111
METODOLOGIA
3.1. DELIMITACION DEL SISTEMA ...........................................•....................•..•.......... 77
3.2. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO .............................•........................... 77
3.2.1. LOCALIZACION ................................................................................................... 77
3.2.2. CLIMA .............................................................................•...................................... 79
3.2.3. GEOMORFOLOGIA ............................................................................................. 79
3.2.4. GEOLOGIA ............................................................................................................ 79
3.3. PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN ................................................................ 79
3.3.1. PRECIPITACIÓN .................................................................................................. 80
3.3.2. ÁREA DE CUENCAS ........................................................................................... 83
3.3.3. ÁNCHO DE CUENCA .......................................................................................... 84
3.3.4. PENDIENTE GENERAL DEL TERRENO .......................................................... 84
3.3.5. INFILTRACIÓN ..................................................................................................... 85
3.4. MODELACION MEDIANTE SIMULACION CONTINUAEN SWMM V5 ............. 86
3.4.1. CONFIGURACION DEL PROYECTO ................................................................ 86
3.4.2. GRAFICAR LOS OBJETOS VISUALES ............................................................ 89
3.4.3. INTRODUCCION DE PROPIEDADES A LOS OBJETOS ............................... 91
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORREM"ÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC"
IV
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERfA CIVIL
3.4.4. EJECUCION DE SIMULACION .......................................................................... 94
3.4.5. REVISION DEL INFORME DE ESTADO ........................................................... 96
3.4.6. CALIBRACION ..................................................................................................... 98
CAPITULO IV
ANALISIS DE RESULTADOS
4.1. ANALISIS DE RESULTADOS .............................................................................. 104
4.2. RED DE DRENAJE ................................................................................................ 106
4.3. COMPARACIÓN DE RESULTADOS: METODO DE SIMULACIÓN CONTINUA
CON EL METODO RACIONAL ........................................................................................ 111
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES ................................................................................................... 115
5.2. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 117
ANEXOS
ANEXO A- PLANOS
ANEXO 8- TABLAS DE CÁLCULO
ANEXO C- RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
ANEXO O - REGISTRO FOTOGRAFICO
ANEXO E - INFORMACION ADICIONAL DE SUSTENTO
BIBLIOGRAFIA
~MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC'
V
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
INDICE DE FIGURAS
Figura Pág.
Figura 2.01. Ciclo Hidrológico (U.S. Geological Survey, 2006) 23
Figura 2.02. Relaciones entre precipitación, flujo de agua en el suelo, 27
atmósfera y escorrentía (Gardner, 1958)
Figura 2.03. Esquema de una cuenca hidrológica exorreica (Breñal 28
Puyol, 2006)
Figura 2.04. Red de drenaje según Horton-Strahler (Fattorelli, 2011) 29
Figura 2.05. Red de drenaje según Shreve (Fattorelli, 2011) 30
Figura 2.06. Representación: evolución de tormentas (Aranda Monsalve, 31
2009)
Figura 2.07. Discretización de eventos de tormentas (Aranda Monsalve, 32
2009)
Figura 2.08. Curva típica de la velocidad de infiltración (Ven Te Chow, 38
2000)
Figura 2.09. Conductividad capilar como función de la succión matriz 41
para tres tipos de suelos (Gardner, 1958)
Figura 2.1 O. Esquematización de Modelo de Green Ampt (Fattorelli, 43
2011)
Figura 2.11. Sección típica de canal indicando componentes (Norma 47
08.60 Drenaje Pluvial Urbano, 2006)
Figura 2.12. Modelo conceptual del sistema de drenaje urbano (Gomez 62
Valentín, 2007)
Figura 2.13. Visión conceptual del fenómeno de la escorrentía en 64
SWMM V5 (U.S. Environmental Protection Agency, 2005)
"MODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVFAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE lA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC"
Autor: Luís Danílo Coronel Armas
VI
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FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
Figura 2.14. Conceptualización de objetos visuales en SWMM V5 (Anta 70
Alvarez, 2006)
Figura 3.01. Ubicación política del área en estudio (GMI, 2011) 78
Figura 3.02. Diagrama de fases para ejecución de la simulación 80
continua y el diseño del sistema de drenaje (Elaboración
propia, 2014)
Figura 3.03. Valores promedio de precipitación Media en las Estaciones 82
Disponibles
Figura 3.04. Vista de la división en cuencas de la zona urbana 83
(Elaboración propia, 2014)
Figura 3.05. Modificación de identificativos ID en SWMM V5 86
(Elaboración propia, 2014)
Figura 3.06. Modificación de valores por defecto para subcuencas en 87
SWMM V5 (Elaboración propia, 2014)
Figura 3.07. Edición de valores por defecto para modelo de Infiltración 88
en SWMM V5 (Elaboración propia, 2014)
Figura 3.08. Edición de valores predeterminados de nudos/líneas en 88
SWMM V5 (Elaboración propia, 2014)
Figura 3.09. Plano de fondo para creación de objetos visuales 89
(Elaboración propia, 2014)
Figura 3.1 O. Red de canales y nudos (cajas de paso), (Elaboración 90
propia, 2014)
Figura 3.11. Vista general de la ciudad con las subcuencas generadas 91
en SWMM V5 (Elaboración propia, 2014)
Figura 3.12. Ingreso de serie temporal de precipitación al modelo en 92
SWMM V5 (Elaboración propia, 2014)
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE lA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC"
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
VIl
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
Figura 3.13. Edición de propiedades de la Cuenca C-5 (Elaboración 93
propia, 2014)
Figura 3.14. Edición de propiedades de los nudos (Elaboración propia, 93
2014)
Figura 3. 15. Edición de propiedades de canales (Elaboración propia, 94
2014)
Figura 3.16. Opciones Generales de Simulación (Elaboración propia, 95
2014)
Figura 3.17. Fecha y hora de la simulación (Elaboración propia, 2014) 95
Figura 3.18. Tiempos de la simulación (Elaboración propia, 2014) 96
Figura 3.19. Ejecución de la simulación: ventana de proceso y estado de 97
simulación (Elaboración propia, 2014)
Figura 3.20. Informe de estado de simulación (Elaboración propia, 98
2014)
Figura 3.21. Comparación de resultados de calibración de parámetro n 101
de Manning de la cubierta de la cuenca (Elaboración
propia, 2014)
Figura 4.01. Serie cronológica de eventos de precipitaciones 104
(Elaboración propia, 2014)
Figura 4.02. Serie cronológica de eventos de escorrentía (Elaboración 105
propia, 2014)
Figura 4.03. Cuadro comparativo de caudales de escorrentía del Método 112
de Simulación continua y el Método Racional
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC'
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
VIII
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
INDICE DE TABLAS
Tabla Pág.
Tabla 2.01. Coeficiente n de Manning para Escorrentía Superficial 37
(McCuen-Federal Highway Administration Washington DC,
1996)
Tabla 2.02. Parámetros de infiltración de Green y Ampt para varias 45
clases de suelos (Rawls, Brakensiek y Miller, 1983)
Tabla 2.03. Relación base vs tirante para, máxima eficiencia, mínima 48
infiltración (ANA, 2010)
Tabla 2.04. Relaciones geométricas de las secciones transversales 50
más frecuentes (ANA, 2010)
Tabla 2.05. Coeficiente n de Manning en canales abiertos (Villón Béjar, 51
2002)
Tabla 2.06. Velocidades máximas no erosivas (Krochin, 1983) 52
Tabla 2.07. Clasificación de modelos matemáticos en hidrología 55
(Fattorelli, 2011)
Tabla 3.01. Precipitación Total Mensual de estaciones de Senamhi y 82
Análisis Regional
Tabla 3.02. Registro de precipitación utilizado para el modelo de 82
simulación continúa (Laboratorio de Calidad-Proyecto
Nueva Fuerabamba, 2014)
Tabla 3.03. Características generales de las subcuencas (Elaboración 84
propia, 2014)
Tabla 3.04. Calibración de parámetro n de Manning de la cubierta de la 99
cuenca (Elaboración propia, 2014)
Tabla 4.01. Dimensionamiento de canal mediante ecuación de Manning 1 06
y continuidad (Elaboración propia, 2014)
Tabla 4.02. Velocidades en canales en mis. (Elaboración propia, 2014) 110
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
IXUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
LISTA DE SIMBOLOS
A: Área de la cuenca, (Ha, Km2)
P¡: Volumen de Precipitación (mm)
t¡: Tiempo (s)
W¡: Tiempo de espera desde el final de tormenta anterior (s)
1: Intensidad de precipitación (mm/h)
L: Longitud de la cuenca (Km)
W: Ancho de la cuenca (Km)
Se: Pendiente de la cuenca
D: Desnivel constante entre curvas de nivel (m)
n: Coeficiente de rugosidad de Manning
Vx; Vy; Vz: Componentes de la velocidad en las direcciones x, y, z (m/s)
e: Contenido de humedad
Kx, Ky, Kz: Conductividad hidráulica en las tres dimensiones (bars)
h: Potencial de velocidad o energía total (presión + posición)
Kc: Conductividad capilar o conductividad no saturada (bars)
p: Carga hidrostática
Z: Carga de posición
De: Difusividad de agua en el suelo
n: Porosidad del suelo
<p: Altura de succión del suelo en el frente mojado
T: Ancho superior del canal (m)
b: Base o fondo del canal (m)
z: Valor horizontal de la inclinación del talud
C: Berma del camino (m)
H: Profundidad de rasante del canal (m)
"MODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE lA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURfMAC'
X
Autor: Luís Danílo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE /NGENIERIA CIVIL
y:
8:
R:
Q:
V:
fe:
q:
a:
Sf:
SO:
Ai/Ap:
Tirante o altura de agua (m)
· Ángulo que forma el talud con la horizontal
Radio hidráulico (m2/m)
Caudal (m3/s)
Velocidad (m/s)
Resistencia a la compresión del concreto (kg/cm2)
Ingreso lateral de caudal
Coeficiente de distribución de la cantidad de movimiento
Pendiente de la línea de energía
Pendiente del fondo de canal
Relación área impermeable área permeable de una subcuenca
"MODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN /A DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE lA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC"
Xl
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE /NGENIERIA CIVIL
RESUMEN
En la presente tesis se detalla un método basado en el modelo de
simulación continua de lluvias para la determinación del caudal de escorrentía,
importante para el diseño de sistemas de drenaje pluvial urbano. Este método
viene teniendo importantes avances debido a los modelos de cálculo cada vez
más elaborados, más prácticos y de información más detallada.
Tradicionalmente el diseño hidráulico del drenaje pluvial se realiza mediante
el método racional y el flujo uniforme, este método no toma en cuenta la
variabilidad temporal de la lluvia, consideran tormentas de diseño como eventos
aislados y está limitado para cuencas pequeñas.
A través del modelo de simulación continua de lluvias para la determinación
del caudal de escorrentía y mediante el software SWMM V5.0 se puede modelar
el sistema de drenaje pluvial urbano considerando la inclusión del tiempo en el
análisis y la no uniformidad del flujo. Esta metodología se aplicó en la ciudad
Nueva Fuerabamba ubicada en el departamento de Apurímac, con el fin de
obtener los parámetros asociados a la escorrentía: volúmenes de escorrentía,
pérdidas y caudales máximos para el diseño del sistema de drenaje pluvial
urbano.
Los métodos utilizados fueron de observación y método deductivo. Así se
obtuvo los parámetros necesarios mediante la normatividad vigente (Norma
OS.060, criterios de diseño de la Autoridad Nacional del Agua. Mediante los datos
de partida el objetivo inicial es modelizar la cuenca urbana y su red de drenaje.
Posteriormente a la modelización, con el ingreso de datos, obtenidos o hallados,
en el software SWMM V5.0 se procede a calcular mediante las ecuaciones de
conservación de la masa y de la cantidad de movimiento tanto para el flujo
gradualmente variado (ecuaciones de Saint Venant).
Luego se evaluará las ventajas del modelo de simulación continua de lluvias
que requiere un alto nivel de detalle y, consecuentemente, supone un incremento
del tiempo de trabajo para su elaboración, pero pretende ser una solución técnica,
eficiente y económica.
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC
XII
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
INTRODUCCIÓN
El desarrollo urbano puede afectar las condiciones naturales de una cuenca
y su ciclo hidrológico, modificando los ambientes naturales, impermeabilizando y
j,i
compactando el suelo, alterando las vías naturales de drenaje y aumentando la
cantidad y concentración de contaminantes en el agua.
En la segunda mitad del siglo XX muchas ciudades de gran desarrollo
reconocieron la necesidad de cambiar el paradigma de.l drenaje urbano y
propusieron un nuevo esquema, que considera las aguas lluvias como un recurso
urbano y enfrenta las causas de los problemas más que los síntomas. Este
enfoque reconoce que es necesario controlar el volumen, los caudales máximos y
la contaminación en la fuente, minimizando el cambio hidrológico y las
externalidades negativas del proceso de urbanización.
Desde principios de la década del '70, la modelación matemática por
computadora se convirtió en una herramienta importante para el planeamiento,
diseño y operación de sistemas de drenaje. Entre los modelos más difundidos
para el análisis, planificación, diseño y operación de sistemas de drenaje pluvial
urbano, resaltan los modelos de simulación continua, los cuales son aplicados
utilizando programas de cómputo como el software SWMM VS.O, mediante el cual
se puede realizar un análisis de inundación y puntos críticos de la red de drenaje
identificando de esta manera sus carencias y puntos débiles para estudiar
posibles soluciones mediante el escenario creado.
Las ciudades de la sierra central del país vienen sufriendo innumerables
inundaciones durante cada temporada de lluvias debido al colapso del sistema de
drenaje, ocasionando pérdidas económicas importantes e incomodidad en la
población. Por tal motivo resulta evidente la necesidad de contar con un sistema
de drenaje adecuado, que sea capaz de evacuar las precipitaciones pluviales
tomando las medidas necesarias para evitar inundaciones.
Por lo tanto, para conseguir una representación más cercana a la realidad
del comportamiento de una cuenca urbana durante las precipitaciones, es
importante considerar la interacción hidráulica de la escorrentía superficial entre la
cuenca y el sistema de drenaje pluvial.
nMODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC'
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
XIII
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DEINGENIERIA CIVIL
CAPITULO 1
PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN
uMODELO DE SIMUlACIÓN CONrfNUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC'
14
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
1.1. PROBLEMÁTICA DE LA INVESTIGACIÓN
En Perú, la forma tradicional de urbanizar las ciudades, ha tenido tres
efectos hidrológicos importantes. Por una parte al impermeabilizar los suelos
aumenta el volumen de escorrentía generado principalmente por las tormentas
más frecuentes. Además al incorporar pequeños cauces como calles, cunetas y
superficies más lisas, las que sumadas a soluciones basadas exclusivamente en
una red de colectores artificiales, facilita el escurrimiento y contribuyen a flujos
más rápidos, >con menores tiempos de concentración y caudales máximos de
mayor magnitud.
Por efecto de la urbanización, los cauces naturales que conformaban la red
de drenaje natural sufren alteraciones, lo que afecta de forma directa su
capacidad de desagüe y por tanto se propicia la existencia de inundaciones,
comúnmenteproducida por incapacidad de la red de drenaje artificial construida
en su lugar.
La creciente población en las zonas rurales de nuestro país ha generado la
formación de ciudades que por su rápido desarrollo no han podido tomar las
medidas necesarias en la organización de sistemas de drenaje pluvial, siendo
este un problema cuando se presentan tormentas y principalmente en la
temporada de lluvia, viéndose afectados por inundaciones, bloqueos de vías,
problemas de tránsito y peatonales, etc.
Es principalmente en las zonas altoandinas del país, entre las que se
encuentra la ciudad Nueva Fuerabamba - Apurímac ubicada a 3800 m.s.n.m.
Donde el diseño y la construcción de un óptimo sistema de drenaje pluvial
representan un gran desafío debido al impacto de las precipitaciones de lluvia.
Por tal motivo es importante hacer un adecuado diseño de drenaje pluvial
urbano, considerando el impacto de todas las variables que intervienen en el
cálculo del caudal de escorrentía.
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC"
15
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
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1.1.1. PROBLEMA GENERAL
• Cómo influye el Modelo de Simulación Continua en la determinación del
caudal de escorrentía para el Diseño del Sistema de Drenaje Pluvial de la
Ciudad Nueva Fuerabamba - Apurímac?
1.1.2. PROBLEMAS ESPECÍFICOS
• ¿De qué manera los parámetros climatológicos como el registro de datos
hidrometereológicos intervienen en la determinación del caudal de
escorrentía para el Diseño del Sistema de Drenaje Pluvial de la Ciudad
Nueva Fuera bamba - Apurímac?
• ¿Cómo participan los parámetros geomorfológicos como: el área de cuenca,
ancho de cuenca, pendiente del terreno y cubierta de cuenca, en la
determinación del caudal de escorrentía para en el Diseño del Sistema de
Drenaje Pluvial de la Ciudad Nueva Fuerabamba- Apurímac?
• ¿De qué forma influyen los parámetros hidráulicos como: infiltración y la
infraestructura de drenaje (colectores interceptores pluviales, depósitos de
retención y estructuras de conexión y mantenimiento) en la determinación
del caudal de escorrentía para el Diseño del Sistema de Drenaje Pluvial de
la Ciudad Nueva Fuerabamba- Apurímac?
1.2. OBJETIVOS
1.2.1. OBJETIVO GENERAL
• Determinar la influencia del Modelo de Simulación Continua en la
determinación del caudal de escorrentía para el Diseño del Sistema de
Drenaje Pluvial de la Ciudad Nueva Fuerabamba- Apurímac.
uMODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC
16
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
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FACULTAD DE INGENlERIA CIVIL
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Evaluar la influencia de los parámetros climatológicos como el registro de
datos hidrometereológicos en la determinación del caudal de escorrentía
para el Diseño del Sistema de Drenaje Pluvial de la Ciudad Nueva
Fuerabamba- Apurímac.
• Establecer la participación de los parámetros geomorfológicos como: el área
de cuenca, ancho de cuenca, pendiente del terreno y cubierta de cuenca en
la determinación del caudal de escorrentía para el Diseño del Sistema de
Drenaje Pluvial de la Ciudad Nueva Fuerabamba- Apurímac.
• Conocer la influencia de los parámetros hidráulicos como: infiltración y la
infraestructura de drenaje (colectores interceptores pluviales, depósitos de
retención y estructuras de conexión y mantenimiento) en la determinación
del caudal de escorrentía para el Diseño del Sistema de Drenaje Pluvial de
la Ciudad Nueva Fuerabamba- Apurímac.
1.3. JUSTIFICACION DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1. JUSTIFICACION METODOLGICA
Mediante un modelo de simulación computacional, entender mejor y
visualizar el comportamiento de la transformación lluvia - escorrentía en la ciudad
Nueva Fuerabamba - Apurímac.
1.3.2. JUSTIFICACION PRACTICA
Dar una mayor exactitud en el cálculo del caudal de escorrentía para el
diseño de drenaje pluvial urbano.
uMODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE tA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC
Autor: Luís Danilo Coronel Armas
17
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
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1.4. FORMULACIÓN DE LA HIPOTESIS
1.4.1. HIPOTESIS GENERAL
• El modelo de simulación continua de lluvias influye en la determinación del
caudal de escorrentía permitiendo diseñar sistemas de drenaje pluvial
optimizados.
1.4.2. HIPOTESIS ESPECÍFICOS
• Los parámetros climatológicos como el registro de datos
hidrometereológicos son componentes de entrada en la determinación del
caudal de escorrentía para el Diseño del Sistema de Drenaje Pluvial de la
Ciudad Nueva Fuerabamba- Apurímac.
• Los parámetros geomorfológicos como: el área de cuenca, ancho de cuenca,
pendiente del terreno y cubierta de cuenca son necesarios para la
determinación del caudal de escorrentía para el Diseño del Sistema de
Drenaje Pluvial de la Ciudad Nueva Fuerabamba- Apurímac.
• Los parámetros hidráulicos como: infiltración y la infraestructura de drenaje
(colectores interceptores pluviales, depósitos de retención y estructuras de
conexión y mantenimiento) se usan para obtener el caudal de escorrentía
para el Diseño del Sistema de Drenaje Pluvial de la Ciudad Nueva
Fuerabamba- Apurímac.
1.5. VARIABLES
1.5.1. VARIABLES INDEPENDIENTES
• Modelo de simulación continúa
• Parámetros climatológicos
• Parámetros geomorfológicos
• Parámetros hidráulicos
1.5.2. VARIABLE DEPENDIENTE
• Caudal de Escorrentía
~MODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVlAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
CIUDAD NUEVA FUERABAMBA- APURÍMAC'
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1.6. ORGANIZACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Se presenta la organización de la investigación según lo descrito a
continuación:
En el Capítulo 1 se hace mención al planteamiento del problema, en donde
se describen los problemas, objetivos, hipótesis y variables del proyecto.
En el Capítulo 2 se hace mención a las consideraciones teóricas que son
útiles para explicar el fenómeno de transformación lluvia - escorrentía y el análisis
dimensional para el planteamiento de la hipótesis.
En el Capítulo 3 se realiza la metodología de la investigación, se delimita el
sistema, luego se realiza el procesamiento de los parámetros climatológicos,
geomorfológicos e hidráulicos. Se continúa con la modelación hidráulica con el
software SWMM VS, obtención de resultados y calibración.
En el Capítulo 4 se presenta el análisis de resultado y la presentación final
del sistema de drenaje pluvial urbano.
En el Capítulo 5 se hace mención de las conclusiones y recomendaciones
de la investigación.
Los datos tomados para la modelación hidráulica son de la ciudad Nueva
Fuerabamba-Apurímac (Área de Influencia: 31.42 Ha).
Se obtuvo un registro amplio de precipitaciones detalladas para generar un
registro continuo de variables de diseño de interés en la ciudad Nueva
Fuerabamba y así obtener funciones de distribución de los parámetros asociados
a la escorrentía (volúmenes de escorrentía, pérdidas y caudales máximos de
escorrentía).
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
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CAPITULO 11
MARCO TEORICO
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2.1. ANTECEDENTES
Es habitual que cada año, en la sierracentral del país, se presenten
episodios de inundaciones en núcleos urbanos. En ocasiones los sistemas de
drenaje pluvial, no son suficientes para gestionar estos eventos y la insuficiente
capacidad de la red de drenaje produce reboses de agua en la superficie,
ocasionando daños personales y materiales.
Investigadores nacionales y extranjeros han realizado estudios sobre la
simulación continua de lluvias en la obtención del caudal de escorrentía, para el
diseño de sistemas de drenaje pluvial urbano, los más destacados son:
2.1.1. NACIONAL
(Chavez Aguilar, 2006) Realizó estudios sobre simulación y optimización de
un sistema de alcantarillado urbano en la ciudad de Tumbes, localidad que se
encuentra en la zona de influencia del fenómeno del niño.
Su objetivo fue de evaluar diseñar una red pluvial para la ciudad de
Tumbes. Dicha red debía ser la más económica y además debía garantizar que
no habrá desbordes ni inundaciones. Con la investigación se propuso estudiar las
restricciones existentes, parámetros hidráulicos, intensidades de lluvia de diseño,
caudales de escorrentía variables en el tiempo.
En su estudio indica que los modelos de simulación sirven para el diseño,
toma de decisiones; por lo que es una necesidad sumar dichas herramientas a la
gestión de manera correcta, es decir conocer las hipótesis en que se basan los
métodos de cálculo, las fórmulas que se utilizan, los parámetros que se requieren
para los cálculos internos, todo esto para evitar errores de convergencia y
asimismo permitir el análisis de los resultados.
También resalta la importancia de los programas como el SWMM V5 que
han permitido el análisis de problemas cuantitativos y cualitativos no puntuales,
como por ejemplo, problemas de drenaje urbano.
Concluye que el empleo de modelos de simulación para el diseño de redes
de alcantarillado, garantiza el costo mínimo bajo los reglamentos de diseño.
HMODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVTAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENrÍA DE LA
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2.1.2. INTERNACIONAL
(Aranda Monsalve, 2009) Realizó estudios de simulación continua de
lluvias para el diseño de sistemas de drenaje urbano en las ciudades de Chillán y
Santiago - Chile.
Su objetivo fue de comparar y analizar un método basado en la simulación
continua mediante un registro completo de precipitaciones para estimar la
respuesta de la cuenca y así generar un registro continuo de variables de diseño
relacionados a la escorrentía. En la investigación compara la metodología
seguida para el diseño de simulación continua con la metodología seguida
mediante el uso de tormentas de diseño verificando que esta última metodología
reproduce de manera confiable condiciones de caudales máximos de eventos
menos frecuentes.
Como conclusión de su investigación indica que la simulación continua es
capaz de reproducir las funciones de distribución extendidas de todas las
variables necesarias para el diseño: caudales máximos, volúmenes de escorrentía
y de pérdidas para los eventos de tormentas frecuentes y no frecuentes.
(Gaytan Bautista & Reyes Espinoza, 2012) Realizaron el estudio de la
simulación hidráulica en el diseño de los sistemas de alcantarillado para el
fraccionamiento villas de Guadalupe, en Zacatecas - México.
El objetivo de la investigación fue de presentar una propuesta de solución a
los problemas de inundación en la ciudad debido a la falta de un sistema de
alcantarillado pluvial que permita el desalojo de las aguas pluviales.
En la realización de la simulación continua se utilizó el software SWMM
{Storm Water Management Model) y la normatividad vigente para determinar el
escurrimiento, y luego determinar las variables necesarias para determinar el
diseño de la red de drenaje pluvial urbana.
Se concluyó del estudio, que la aplicación de modelos de simulación tiene
ventajas respecto a los métodos de diseño tradicionales, en base a que se puede
predecir los puntos críticos de la red de drenaje pluvial, donde se presente
problemas de inundación para así tomar las medidas correctivas.
"MODELO DE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE lA
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2.2. MARCO CONCEPTUAL
2.2.1. EL CICLO HIDROLÓGICO
Según (Chow, 2000) en la Tierra, el agua existe en un espacio llamado
hidrosfera, que se extiende desde unos quince kilómetros arriba en la atmósfera
hasta un kilómetro por debajo de la litosfera o corteza terrestre. El agua circula en
la hidrosfera a través de un laberinto de caminos que constituyen el ciclo
hidrológico.
El ciclo hidrológico es el foco central de la hidrología. El ciclo no tiene
principio ni fin y sus diversos procesos ocurren en forma continua. En la figura
2.01 se muestra en forma esquemática como el agua se evapora desde los
océanos y desde la superficie terrestre para volverse parte de la atmosfera; el
vapor de agua se transporta y se eleva en la atmosfera hasta que se condensa y
precipita sobre la superficie terrestre o los océanos; el agua precipitada puede ser
interceptada por la vegetación, convertirse en flujo superficial sobre el suelo,
infiltrarse en él correr a través de él como flujo subsuperficial y descargar en los
ríos como escorrentía superficial.
Figura 2.01. Ciclo Hidrológico
Sublimación ,.
·:r Evapotranspiración ~:""-
t ~· ;U Evaporación.~, Escurrimf~os de 1
la superficie
Agua contenida en
los océanos
Fuente: U.S. Geological Survey (Servicio Geológico de Estados Unidos de América), 2006
.. MODELO DE SIMULACIÓN CONfiNUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
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2.2.2. PRECIPITACION
2.2.2.1. DEFINICIÓN
(Villón Béjar, 2002), Indica que la precipitación, es toda forma de humedad
que originándose en las nubes, llega hasta la superficie del suelo; de acuerdo a
esta definición la precipitación puede ser en forma de: lluvias, granizadas, garúas
y nevadas. Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica, la precipitación es
la fuente primaria del agua de la superficie terrestre, y sus mediciones y análisis
forman el punto de partida de los estudios concernientes al uso y control del agua.
2.2.2.2. ORIGEN DE LA PRECIPITACION
(Villón Béjar, 2002), Menciona que una nube está constituida por
pequeñísimas gotas de agua, que se. mantienen estables gracias a su pequeño
tamaño, algunas características de las gotas de las nubes son:
• Diámetro aproximado de las gotitas: 0.02 mm
• Espaciamiento entre gotitas: 1 mm
• Masa: 0.5 a 1 gr/m3
Por el contrario, las gotas de lluvia, tiene un diámetro de 0.5 a 2 mm, es
decir, un aumento en el volumen de las gotitas de las nubes, de 100,000 a
1,000.000 de veces.
En este sorprendente aumento está el origen de las precipitaciones y se
asume principalmente gracias a dos fenómenos:
• Unión entre sí de numerosas gotitas.
• Engrosamiento de una gota por la fusión y condensación y otras.
2.2.2.3. FORMAS DE PRECIPITACIÓN
(Villón Béjar, 2002), Clasifica la precipitación como sigue:
• LLOVIZNA, pequeñas gotas de agua, cuyo diámetro varía entre 0.1 y 0.5
mm, las cuales tienen velocidad de caída muy bajas.
• LLUVIA, gotas de agua con diámetro mayor 0.5 mm.
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• ESCARCHA, capa de hielo por lo general transparente y suave, pero que
usualmente contienebolsas de aire.
• NIEVE, compuesta de cristales de hielo blanco traslúcido, principalmente de
forma compleja.
• GRANIZO, precipitación en forma de bolas o formas irregulares de hielo, que
se producen por nubes convectivas, pueden ser esféricos, cónicos o de
forma irregular, su diámetro varía entre 5 y 125 mm.
2.2.2.4. MEDICIÓN DE PRECIPITACIÓN
(Perez Morales, 2009), Debido a que la precipitación ocurre en un espacio
geográfico, resulta más conveniente expresarla en términos de una altura de
lámina de agua, en mm. Sin embargo, es necesario suponer que se distribuye
uniformemente sobre un área unitaria. Esto no es necesariamente cierto, ya que
es común, aún en eventos de poca extensión, notar diferencias en la cantidad de
agua precipitada. Pero, para fines prácticos y con el objeto de facilitar el análisis,
se asume el principio de uniformidad.
La mayoría de los aparatos que se utilizan para medir precipitación se basan
en recipientes cilíndricos, expuestos a la intemperie y abiertos en la parte superior
para captar el agua que se precipita, registrando su altura.
2.2.2.4.1.. PLUVIOMETRO
(Perez Morales, 2009), Cilindro con un embudo que alimenta una probeta
graduada en el cual se miden alturas totales de lluvia.
2.2.2.4.2. PLUVIOGRAFO
(Perez Morales, 2009), Similar al pluviómetro con la adición de un sistema
de registro continuo de alturas de lluvia, basado en flotadores que causan el
desplazamiento de una aguja sobre un papel graduado, colocado sobre un
cilindro giratorio, ligado a un reloj.
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Cuando la aguja llega al borde superior, automáticamente se regresa al
borde inferior y continúa registrando.
2.2.3. ESCORRENTIA
(Fattorelli, 2011 ), Menciona que usualmente cuando la tasa de la
precipitación excede la tasa de infiltración superficial, el exceso de agua comienza
a acumularse temporalmente en pequeñas depresiones de la superficie del suelo
o simplemente escurre convirtiéndose en escorrentía superficial.
El total de la precipitación puede considerarse constituida de dos
componentes: una de "exceso de lluvia" o "precipitación efectiva" y otra de
"pérdidas".
La primera es la que contribuye directamente a formar la escorrentía
superficial, mientras que la segunda, es la precipitación remanente como
evaporación, evapotranspiración, intercepción por vegetación o por el suelo e
infiltración que en un principio no aporta a la escorrentía superficial. El proceso así
descrito incluye otros componentes como escorrentía subsuperficial y el flujo
subterráneo.
La escorrentía superficial está formada en un primer momento por el flujo en
forma de lámina sobre la superficie del suelo. Si la cuenca receptora tiene
pendiente este flujo fluye por gravedad hacia cursos de agua o canales de
drenaje, los cuales se van agrupando en cauces de orden superior formando
luego los tributarios principales de los grandes ríos.
En cuencas con pendiente y sistemas de drenaje definidos la escorrentía
superficial mostrada en la figura 2.02, forma el caudal total que fluye a la salida de
la cuenca. Este caudal total se divide, por razones prácticas, en dos: escorrentía
directa y flujo base.
La primera es aquella parte de la escorrentía que llega rápidamente al
sistema de canales de drenaje después de una lluvia, formando la creciente;
mientras que la segunda es aquella componente proveniente del afloramiento de
aguas subterráneas y el flujo subsuperficial.
uMODELO OE SIMUlACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
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Figura 2.02. Relaciones entre precipitación, flujo de agua en el suelo, atmósfera y escorrentía
PRECIPITACIÓN
EV APO"IRANSPIRACIÓN
NEO
Fuente: Gardner, 1958
2.2.4. RELACION LLUVIA- ESCORRENTIA
(Chereque Morán, 1989), Un problema Clásico en hidrología está constituido
por la obtención de la escorrentía directa que corresponde a una determinada
lluvia, en un lugar específico. Poder inferir el caudal proveniente de una
precipitación tiene múltiples aplicaciones. Por ejemplo, permite obtener los
caudales de un río sin estaciones hidrométricas o extender los registros cortos de
caudales a fin de someterlos a análisis estadísticos. Por estas y otras razones un
problema clásico en hidrología está constituido por la obtención de la escorrentía
directa que corresponde a una determinada lluvia en un lugar específico.
(Aparicio Mijares, 1992), Es sumamente común que no se cuente con
registros adecuados de escorrentía en el sitio de interés para determinar los
parámetros necesarios para el diseño y operación de obras hidráulicas. En
general, los registros de precipitación son más abundantes que los de escorrentía
y, además, no se afectan por cambios en la cuenca, como construcción de obras
de almacenamiento y derivación, talas, urbanización, etc. Por ello, es conveniente
contar con métodos que permitan determinar la escorrentía en una cuenca
mediante las características de la misma y la precipitación. Las características de
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la cuenca se conocen por medio de planos topográficos y de uso de suelo, y la
precipitación a través de mediciones directas.
2.2.5. CUENCA HIDROLÓGICA
(Bateman, 2007), La cuenca es la unidad hidrológica superficial más
utilizada. No coincide ni tiene por que con las unidades hidrológicas subterráneas.
Consiste en una porción de territorio que se puede aislar de forma que si esta
fuese impermeable toda el agua que escurriría por ella drenaría por un mismo
punto.
(Breñal Puyol, 2006), La cuenca hidrológica, junto con los acuíferos, son las
unidades fundamentales de la hidrología. Desde el punto de vista de su salida
existen dos tipos de cuencas: endorreicas (cerradas) y exorreicas (abiertas).
2.2.5.1. CUENCAS ENDORREICAS
(Breñal Puyol, 2006), El punto de salida se ubica dentro de los límites de la
cuenca y generalmente es un lago.
2.2.5.2. CUENCAS EXORREICAS
(Breñal Puyol, 2006), El punto de salida se localiza en los límites de la
cuenca y a su vez la descarga se vierte en una corriente o en el mar, tal como se
observa en la figura 2.03.
Figura 2.03. Esquema de una cuenca hidrológica exorreica
Fuente: Breñal Puyo!, 2006
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2.2.6. DRENAJE PLUVIAL URBANO
(Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento, 2006), Comprende la
recolección, transporte y evacuación a un cuerpo receptor de las aguas pluviales
que se precipitan sobre un área urbana.
2.2.6.1. ORDEN DE LA RED DE DRENAJE
(Fattorelli, 2011 ), Refleja el grado de ramificación o bifurcación dentro de una
red de drenaje. Puede determinarse de acuerdo a criterios expuestos por
diferentes autores, entre ellos se tiene:
2.2.6.1.1. HORTON-STRAHLER
(Fattorelli, 2011 ), Consiste en atribuirle el número de orden a los canales de
la siguiente manera, figura 2.04:
- Corrientes de primer ord~n: Pequeños canales que no tienen tributarios.
- Corrientes de segundo orden: Cuando dos corrientes de primer orden se
unen.
- Corrientes de tercer orden: Cuando dos corrientes de segundo orden se
unen.
- Corrientes de orden n + 1: Cuando dos corrientes de ordenn se unen.
Figura 2.04. Red de drenaje según Horton-Strahler
--- Ordern1
--- Ol1lilern2
--- Ordern3
--- Omern·4
Fuente: Fattorelli, 2011
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DITERMfNACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
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2.2.6.1.2. B. SHREVE
(Fattorelli, 2011 ), Es otro esquema de organización planimétrica de la red
hidrográfica en la que se obtiene un árbol de bifurcación como el que se muestra
en la figura 2. 05 donde el orden o "magnitud" de un segmento de corriente
formado en una unión, es la suma de las magnitudes de los dos tributarios, así:
- Corrientes de primer orden: Pequeños canales que no tienen tributarios.
- Corrientes de segundo orden: Cuando dos corrientes de primer orden se
unen.
- Corrientes de tercer orden: Cuando se unen una corriente de segundo
orden y una de primer orden.
- Corrientes de orden n + m: Cuando se unen dos corrientes de orden n y
m.
La magnitud de cualquier segmento de corriente iguala el número de la
magnitud de sus fuentes, lo cual significa que la magnitud Shreve es una de las
relaciones más simples para predecir el flujo de corriente que otros sistemas de
ordenamiento.
Figura 2.05. Red de drenaje según Shreve
Nivel de bifurcación
4
------
3
2
1
Fuente: Fattorelli, 2011
2.2.7. FACTORES EN LA DETERMINACIÓN DE LA ESCORRENTIA
(Fattorelli, 2011), Los factores que intervienen en los estudios hidrológicos
son muy diversos: topografía, geología, edafología, climatología, vegetación, etc.
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La influencia de estos elementos no puede ser reducida a expresiones puramente
matemáticas, pero el estudio de ciertas relaciones puede dar una idea cualitativa
del problema.
Las relaciones existentes entre los elementos hidrológicos y los físico-
geográficos son dependientes. Así, un parámetro cualquiera del régimen
hidrológico es función de varios elementos físico-geográficos.
2.2.7.1. PARAMETROS CLIMATOLÓGICOS
2.2. 7.1.1. DATOS HIDROMETEREOLOGICOS
2.2.7.1.1.1. TORMENTAS
(Aranda Monsalve, 2009), Una tormenta es un conjunto de intervalos de
lluvia producido por una situación meteorológica favorable. La evolución de las
tormentas en el tiempo se puede representar como la figura 2.06 donde cada
tormenta corresponde a un pulso de precipitación total P¡, que ocurre en un tiempo
t¡ después de un tiempo de espera W¡ desde el final de la tormenta anterior.
Figura 2.06. Representación de evolución de tormentas en el tiempo
p
PI
P1
P2
1
t1 t2 ti t
w1 w2
4----;"
Wl
Fuente: Aranda Monsalve, 2009
A lo largo de la práctica de la hidrología se han escogido las variables
descriptivas de importancia que permiten caracterizar una tormenta, como la
magnitud o precipitación total, la duración y la intensidad. Así la tormenta Pi
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puede ser caracterizada en detalle como un hietograma que representa la
evolución de la precipitación durante el tiempo que dura como se muestra.
Un criterio para distinguir el tiempo entre eventos de tormentas es el mínimo
tiempo sin lluvia que separa una tormenta de otra (IETD). Bajo este concepto si el
periodo sin lluvia o tiempo entre tormentas (TET) desde el final de una tormenta al
inicio de otra es igual o menor aiiETD se considera que ambas lluvias pertenecen
al mismo evento, mientras que si el intervalo en que no llueve es mayor al IETD
las lluvias corresponden a eventos diferentes. Una vez hecha esta distinción es
posible discretizar la serie continua de precipitaciones a partir de la definición del
IETD y estimar las características de cada tormenta.
Figura 2.07. Díscretizacíón de eventos de tormentas
p
'TET_1<1ETO
Evento i
Fuente: Aranda Monsalve, 2009
2.2.7.1.1.2. EFECTOS DE ESCALA
TET_2>1E1ll
Evento i+1
(Gomez, 2007), El estudio hidrológico de cuencas urbanas presenta una
serie de particularidades derivadas del hecho urbano. En primer lugar, las
dimensiones de las cuencas son mucho más pequeñas que las correspondientes
a los ríos. Mientras que en el estudio hidrológico habitual de un río, la unidad de
medida de la cuenca suele ser el Km2, con superficies totales de decenas, cientos
o incluso miles de kilómetros cuadrados, en zona urbana la unidad de medida es
la Hectárea, o sea 100 veces menos que 1 Km2.
uMODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
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Este trabajo a escala reducida hace que todos los demás elementos del
estudio queden afectados por un factor de escala. No encontraremos caudales de
miles o cientos de metros cúbicos por segundo sino del orden de pocos metros
cúbicos por segundo. Pero el hecho más significativo es la reducción de la escala
de tiempo en todos los procesos. Los tiempos de concentración se medirán en
minutos (no en horas ni días) y por esta razón, la cuenca urbana será sensible a
efectos de lluvias muy intensas y que duren pocos minutos. Un suceso de lluvia
muy intensa de duración 15 minutos, que actúe sobre una pequeña superficie
(pocas Hectáreas) tendrá una repercusión indudable en el caudal punta pero si la
superficie total de la cuenca es de decenas o cientos de Km2, esa influencia
quedará muy limitada, al difuminarse entre los efectos globales de una gran
cuenca.
Este nivel de detalle en la información puede suponer un problema ya que
no siempre está disponible, al carecer o bien de observatorios meteorológicos, o
por falta de equipamiento de estos con un pluviómetro de intensidad.
2.2. 7 .1.1.3. ANALISIS DE DATOS DE LLUVIA
(Gomez, 2007), Para estudios de dimensionamiento o comprobación de la
situación de una cuenca o un tramo de cauce concreto ante lluvias extremas,
estamos hablando de estudios de sucesos de lluvias. Para este tipo de análisis se
pueden emplear tres tipos de información pluviométrica:
Lluvias históricas registradas y que produjeron serias consecuencias desde
el punto de vista de inundación en la cuenca, y que dejaron además secuelas en
la memoria histórica de la población. Se tratará de un proceso de diseño de una
infraestructura (encauzamiento, etc.) cuyo objetivo final es que si se volviera a dar
una precipitación igual a la que se registró ese día, no se produjeran
inundaciones.
Series temporales de lluvias, registradas en observatorios dentro de la zona
de estudio, o incluso series sintéticas generadas a partir de métodos estadísticos.
Con estos datos de lluvia, aplicaremos un modelo de transformación lluvia-
escorrentía y así se obtienen los diferentes hidrogramas de caudal, sobre los que
se realiza un análisis estadístico para determinar el valor del flujo asociado a un
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periodo de retorno determinado. Otra manera de utilizar estos datos será
establecer un análisis de comportamiento de la cuenca no en el dominio de la
probabilidad de inundación sino en el de frecuencia de inundación.
lluvias de proyecto, obtenidas a partir de información globatizada en forma
de curvas Intensidad, Duración, Frecuencia.Podemos definir a esta lluvia de
proyecto como una lluvia tipo, o lluvia sintética que se puede asociar a un cierto
periodo de retorno, y se admite (a pesar de que no sea estrictamente cierto) que
el caudal de escorrentía calculado a partir de esta lluvia de proyecto tiene el
mismo periodo de retorno. Esta idea introduce un concepto de seguridad/riesgo,
al asociar una noción de periodo de retorno al hietograma de lluvia a utilizar, y por
ende al caudal de diseño.
2.2.7.1.1.4. INTENSIDAD Y DURACION DE LA PRECIPITACION
(Fattorelli, 2011 ), La intensidad resulta fundamental porque se relaciona con
la tasa de infiltración del suelo. Si la intensidad de la lluvia es mayor a la tasa de
infiltración, todo el excedente de la lluvia es escorrentía superficial.
La intensidad (lámina/tiempo) se relaciona con la duración de la
precipitación, así una lluvia de intensidad de 40 mm probablemente no produzca
escorrentía en 24 horas pero en una hora seguramente producirá una creciente
importante.
En cuencas montañosas, adquiere singular importancia la lámina total que
precipita en lluvias de larga duración. En esas condiciones el perfil del suelo se
satura y lluvias posteriores producen fuertes crecientes. El monitoreo de la lluvia
total caída y el conocimiento de las condiciones edáficas del perfil, son en estos
casos elementos de gran importancia en el pronóstico y prevención de crecientes
e inundaciones.
(Breñal Puyol, 2006), La estimación de la intensidad de lluvia se lleva a cabo
dividiendo el valor de la altura de lluvia por el intervalo considerado. Para el caso
de la intensidad máxima, entonces se analizan diferentes intervalos de tiempo que
se registran en las estaciones pluviográficas (5, 10, 15, 30 minutos, etc.),
obteniendo un valor máximo para cada intervalo.
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2.2.7.2. PARAMETROS GEOMORFOLOGICOS
2.2. 7 .2.1. ÁREA DE LA CUENCA
(Fattorelli, 2011), La delimitación exacta de las cuencas se efectúa sobre los
planos correspondientes a las restituciones planialtimétricas a escala adecuada.
De acuerdo a los órdenes de magnitud de las escalas de los planos base en
trabajos de hidrología, suelen considerarse como suficientes las escalas de
trabajo recién mencionadas en todos los casos se determina primero la línea de
contorno de cada cuenca coincidente con la divisoria topográfica.
(Ramirez Orozco, 2012), La lfnea imaginaria que delimita a la cuenca se
denomina divisoria. La divisoria "separa" a la cuenca de otras adyacentes y en
ese sentido es la unión de los puntos altos entre esas dos regiones, distribuyendo
el escurrimiento generado por la precipitación. La divisoria pasa tanto por el punto
más alto de la cuenca, pero también lo hace por la salida de la misma y une a los
puntos más altos sobre una transversal a lo largo del mismo. Al quedar definido la
divisoria de la cuenca, queda definida también una de las características más
importantes de esta, el área. El área se define entonces como la superficie de la
proyección horizontal delimitada por la divisoria.
2.2. 7 .2.2. ANCHO DE CUENCA
(Breñal Puyol, 2006), Es la longitud perpendicular a la longitud del eje mayor
de la cuenca y para su estimación se miden las longitudes perpendiculares
representativas de cada parte de la cuenca, tomando como referencia la recta que
se ha trazado para la longitud del eje mayor.
(lbañez Asensio, 2011) Para determinar el ancho de cuenca, previamente se
debe conocer el área y la longitud de la cuenca. La longitud L de la cuenca viene
definida por la longitud de su cauce principal, siendo la distancia equivalente que
recorre entre el punto de desagüe aguas abajo y el punto situado a mayor
distancia topográfica aguas arriba.
Al igual que la superficie, este parámetro influye enormemente en la
generación de escorrentía y por ello es determinante para el cálculo de la mayoría
de los índices morfométrícos.
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Finalmente, el ancho se define como la relación entre el área (A) y la
longitud de la cuenca (L); se designa por la letra W de forma que:
W=~
L
Dónde:
W: Ancho de la cuenca en Km
A: superficie de la cuenca en km2
L: longitud de la cuenca en km
2.2.7.2.3. PENDIENTE GENERAL DEL TERRENO
(2.01)
(Fattorelli, 2011), La pendiente general del terreno de la cuenca, constituye
otro de los factores cuya consideración puede resultar de sumo interés, pues, por
una parte, indica en qué grado deben ascender las masas de aire en su
desplazamiento sobre ·1a cuenca y por otra parte, influenciar la forma en la que el
agua ya precipitada, se dirige hacia una sección de control determinada.
La pendiente del terreno natural tiene una relación directa con la velocidad
del escurrimiento sobre la cuenca, pero además, presenta una dependencia muy
compleja, con el fenómeno de la escorrentía superficial propiamente dicha, dada
su marcada interrelación con la infiltración, el contenido de humedad del suelo, las
irregularidades localizadas y el crecimiento de la vegetación.
(Perez Morales, 2009), El Valor representativo del cambio de elevación en el
espacio de una cuenca se puede determinar según:
2.2.7.2.3.1. CRITÉRIO DE ALVORD
Dónde:
S
D.L
c=-
A
Se = Pendiente de la cuenca.
D = Desnivel constante entre curvas de nivel (m).
L =Longitud total de las curvas de nivel dentro de la cuenca (m).
A= Área de la cuenca (m2).
(2.02)
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2.2.7.2.4. CUBIERTA DE CUENCA
(U.S. Environmental Protection Agency, 2005), Una cuenca es una porción
del terreno que contiene una mezcla de superficies permeables e impermeables
las cuales drenan a un punto común de descarga.
La rugosidad de la superficie del suelo es una medida de las irregularidades
y de la variabilidad del microrrelieve, inducida por la granulometría del terreno. Es
un factor importante en muchos procesos en la superficie de la cuenca así como
procesos de difusión de C02 y vapor de agua, así como procesos de escorrentía y
de erosión eólica e hídrica.
La vegetación tiene efectos diferentes sobre el reg1men de escorrentía,
dependiendo principalmente del tipo, densidad y edad de la vegetación. La
extensión de áreas cubiertas por superficies impermeables artificiales también son
caracterizadas por los coeficientes n de Manning.
A continuación se presenta los coeficientes n de Manning para escorrentía
superficial el cual varía de acuerdo a la cubierta de la superficie de la cuenca:
Tabla 2.01.- Coeficiente n de Manning para Escorrentía Superficial
Tipo de superficie Coef. De rugosidad n Rango habitual
Pavimentos/concreto 0.011 0.01-0.013
Arena fina 0.01 0.01-0.16
Terreno de grava 0.2 0.012-0.03
Pasto natural 0.13 0.10-0.20
Arcilla-limo 0.02 0.012-0.033
Terreno irregular (natural) 0.13 0.01-0.32
Hierba 0.45 0.39-0.63
Fuente: McCuen-Federal Highway Administration Washington OC, 1996
2.2.7.3.
2.2.7.3.1.
PARÁMETROS HIDRÁULICOS
INFILTRACIÓN
(Chow, 2000), La infiltración se refiere al ingreso del agua al suelo desde la
superficie. Es un proceso directamente relacionado con las condiciones y
características de la superficie del suelo, particularmente la tensión no capilar del
suelo. Existe una relación muy importante entre la intensidad de la lluvia y la
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capacidad de infiltración del suelo. Durante períodos secos, la porosidad del suelo
está libre de humedad y entonces aumenta su capacidad de infiltración.
La humedad en el suelo produce que tanto suelo como . vegetación se
hinchen, cerrando los poros y el paso del agua (condición de saturación).
Consecuentemente, durante una lluvia la tasa potencial de infiltración comienza
con valores altos y decrece a medida que transcurre el tiempo, produciéndose, en
algún momento una tasa pequeña, que es fácilmente superada por la intensidad
de la lluvia y comienza el encharcamiento de la superficie del suelo. Esto
lógicamente estará siempre ligado a la relación entre la capacidad de infiltración y
la intensidad de la precipitación. La figura 2.08 es una representación
esquemática de la curva de variación de la velocidad de infiltración en el suelo.
Figura 2.08. Curva tfpica de la velocidad de infiltración
liempot
Fuente: Ven Te Chow, 2000
(Fattorelli, 2011 ), En general, exceptuando el caso particular de un suelo
saturado, la infiltración de agua o mejor la velocidad con que el agua penetra en el
suelo, en movimiento no permanente, es función del tiempo y de diversos factores
como el contenido de humedad existente en el perfil del suelo.
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Esta dependencia con respecto al tiempo establece una de las diferencias
fundamentales con el concepto físico de conductividad hidráulica, diferencia que
además se manifiesta en la expresión matemática del fenómeno.
La infiltración es un caso particular del fenómeno general del movimiento del
agua en medios permeables. En condiciones de flujo no permanente y no
saturado, se deduce la ecuación diferencial de la infiltración, partiendo de la
ecuación de continuidad para medios permeables no saturados:
Dónde:
iJVx + iJVy + iJVz = oc
iJx iJy iJz iJt
(2.03)
Vx; Vy; Vz = son las componentes de la velocidad en las direcciones x, y, z.
e= es el contenido de humedad.
Aplicando la ley de Darcy en tres dimensiones se tiene:
Dónde:
Vx = -Kx. (::)
Vy = -Ky. (:;)
Vz = -Kz. (::)
(2.04)
(2.05)
(2.06)
Kx, Ky, Kz = son los valores de las conductividades hidráulicas en las tres
dimensiones.
h =es el potencial de velocidad o energía total (presión+ posición).
El signo negativo en el lado derecho de la Ley de Darcy se debe a que el
agua avanza en la dirección en que el potencial de velocidad, h, disminuye.
Reemplazando las ecuaciones (2.03) en (2.04), (2.05) y (2.06) se tiene la
generalización de la ecuación de Darcy para medios saturados y no saturados,
que es la ecuación de Richards:
nMODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE LA
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íJ ( íJh) íJ ( íJh) íJ ( íJh) oc - -Kx.- +- -Ky.- +- -Kz.- = --
ox íJx íJy íJy íJz íJz íJt
(2.07)
La ecuación de Richards, físicamente expresa que la cantidad total de un
fluido que entra o sale de un volumen de control en un medio permeable, es igual
al cambio del contenido de la masa del fluido en el medio. Ese flujo que entra o
sale es directamente proporcional a la conductividad hidráulica y al gradiente del
potencial.
Si el medio está saturado:
Si el medio es isotrópico:
oc= o
at
Kx = Ky = Kz = Kc
(2.08)
(2.09)
Para medios permeables no saturados la conductividad hidráulica no es
constante, es función de la succión matriz o del contenido de agua. Se le conoce
como conductividad capilar o conductividad no saturada y se la designa con Kc.
Considerando sólo el término x de la ecuación (2.07), se tiene:
!... (K c. oh)=_ oc
ox íJx ot (2.10)
Cuando el medio es no saturado, la ecuación (2.1 O) es matemáticamente
igual a la ecuación de flujo calórico. En estas condiciones, la conductividad
capilar, Kc, es función de e y h. La figura 2.09 muestra las curvas de Kc, para tres
tipos de suelos.
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Figura 2.09. Conductividad capilar como función de la succión matriz para tres tipos de
suelos
111Ull -~ Arena
E ~o
E :Lima
S
u Arcilla
~ ~ .. o .... .,.
a.
t'l 1fi0 -1 !,)
"' .,.
"' > ·2
~ 1tll
:::1
"U
e
~ o o 110
Succión·· 'Bae
Fuente: Gardner, 1958
En las curvas (Figura 2.D9) se puede ver que los suelos arenosos tienen
mayor Kc que los arcillosos cuando la succión tiene valores menores de 1.0, pero
cuando la succión pasa de 2 ó 3 bars, la arcilla tiende a tomar valores mayores de
K c.
Se han usado ecuaciones empíricas para determinar Kc y ellas se
determinan experimentalmente en laboratorios de suelos.
Si en la ecuación 2.07, se considera sólo el flujo vertical, z, con signo
positivo en la dirección en que disminuye el potencial de velocidad, y
transponiendo términos se tiene:
oc = .2.. (K. oh)
ot oz oz (2.11)
Dado que el potencial de velocidad, h, es igual a:
h=p+z (2.12)
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Dónde:
p = Es la carga hidrostática.
Z = es la carga de posición.
Reemplazando (2.12) en (2.11) se tiene:
ac =!-.(K. ap) + aK
at az az az (2.13)
En suelos no saturados la presión, p, en este caso succión, es función del
contenido de humedad, e, que a su vez varia con la profundidad, z. Igualmente la
conductividad hidráulica, K, es variable.
Así, p = f(c) y e= f(z)
Luego, en la ecuación (2.13):
K ap =K ap ac . az . ac. az
Pero la difusividad del agua en el suelo, De, es:
ap
De= K. ac
Reemplazando (2.15) en (2.14) queda:
K ap = D ac . az . az
(2.14)
(2.15)
(2.16)
Sustituyendo (2.16) en (2.13) se obtiene la expresión matemática de la
infiltración en la dirección vertical:
ac =!_(ve. ac) + aK
at az az az (2.17)
La solución analítica de la ecuación (2.17), no es posible sino en casos
particulares o con hipótesis simplificatorias. A continuación, se presentan algunas
soluciones propuestas por diversos autores.
uMODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTÍA DE tA
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2.2. 7 .3.1.1. ECUACIÓN DE GREEN Y AMPT
(Fattorelli, 2011 ), Green y Ampt en 1911, desarrollaron un modelo
simplificado de la ecuacióh de Richards de la infiltración vertical (Ecuación 2.17)
que se representa en la figura 2.10.
(2.18)
El método de Green y Ampt (Mein y Larson, 1973), asume las condiciones
de Richards, ecuación (2.07), es decir, suelo uniforme en todo el perfil y
condiciones iniciales de contenido de agua constantes. A medida que el contenido
de agua en el suelo se incrementa, el modelo considera el movimiento del agua
que se infiltra como un frente con un desplazamiento tipo pistón (figura 2.10).
El método original fue modificado para tener en cuenta las pérdidas en
superficie y las condiciones del contenido inicial de agua variable en el tiempo.
Figura 2.1 O. Esquematización de Modelo de Green Ampt
e.
1
L
l.
Fuente: Fattorelli, 2011
n
Zona mojaclo~~""'&- condUctividad
lhidráutlca k
Frente mojado 'real
"MODELO DE SfMULACIÓN CONTINUA DE W.NIAS EN LA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTfA DE fA
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Dónde: Los Ejes horizontal (x) y vertical (z): corresponden al contenido de
humedad y la distancia desde la superficie del suelo, respectivamente.
Si: es el valor inicial de la humedad del suelo.
es: es el valor de humedad en suelo saturado.
L: es la profundidad de penetración del frente mojado.
ho: es el contenido inicial (constante) de agua.
n: es la porosidad del suelo.
Considerando un volumen de control, como el que se representa en la figura
2.1 O, sí se tiene un suelo mojado de profundidad L, al iniciarse el proceso de
infiltración el suelo tenía un contenido de humedad Sí, luego al penetrar el agua,
ese contenido se incrementa a un valor es. Considerando que la porosidad, n, es
la que se llena de agua, a medida que el agua se infiltra en el perfil el contenido
de humedad va desde Si hasta n.
El contenido de humedad, e, es la relación entre el volumen de agua y el
volumen total dentro de la superficie de control. El incremento de agua que se
almacena en el volumen de control considerado, a consecuencia de la infiltración
es L(n- Sí). Teniendo en cuenta una sección transversal unitaria y llamando V a la
profundidad acumulada de agua infiltrada en el suelo que es función del tiempo se
tiene:
V¡(t) =L. (n- 8¡) = L.Ll8 (2.19)
Dónde: Ll8 = n- 8¡
A partir de estos conceptos y de la ecuación de Darcy (Ecuación 2.04, 2.05,
y 2.06) se desarrolla la ecuación de Green y Ampt para la lámina de infiltración
acumulada (Chow et al., 1994).
K(t) = V¡(t)- <p.Ll8.ln (1 + v,(t))
<p.Ll9
Dónde: <p es la altura de succión del suelo en el frente mojado.
K (t) es la conductividad hidráulica de suelo no saturado.
(2.20)
"MODELO DE SIMULACIÓN CONTINUA DE LLUVIAS EN lA DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE ESCORRENTiA DE lA
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Tabla 2.02.- Parámetros de infiltración de Green y Ampt para varias clases de suelos
1 Cabeza de
Clase de suelo Porosidad
Porosidad succión del Conductividad
efectiva suelo en el hidráulica
frente mojado
n e e 4J (cm) K(cm/h)
Arena 0.437 0.417 4.95 11.78
(0.374-0.500) (o. 354-0.480) (0.97-25.36)
Arena margosa 0.437 0.401 6.13 2.99
f---·---- (0:363-0.506) (0.329-0.473) (1.35-27.94)
Marga arenosa 0.453 0.412 11.01 1.09
(0.351-0.555) (0.283-0.541) (2.67-45.47)
Marga 0.463 0.434 8.89 0.34
(0.375-0.551) (0.334-0.534) (1.33-59.38)
Marga limosa 0.501 0.486 16.68 0.65
(0.420-0.582) (0.394-0.578) (2.92-95.39)
Marga arenoarcillosa 0.398 0.330 21.85 0.15
(0.332-0.464) (0.235-0.425) (4.42-108.0)
Marga arcillosa 0.464 0.309 20.88 0.1
(0.409-0.519) (0.279-0.501) ( 4. 79-91.10)
Marga limo-arcillosa 0.471 0.432 27.30 0.1
(0.418-0.524) (0.347-0.517) (5.67-131.50)
Arcilla arenosa 0.43 0.321 23.90 0.06
(0.370-0.490) (0.207-0.435) (4.08-140.2)
Arcilla limosa 0.479 0.423 29.22 0.05
( 0.425-0.533) (0.334-0.512) (6.13-139.4)
Arcilla 0.475 0.385 31.63 0.03
(0.427-0.523) (0.269-0.501) (6.39-156.5)
Los numeras entre parentesis debajo de cada parámetro son una desviación estándar
alrededor del valor del parámetro dado.
Fuente: Rawls, Brakensiek y Miller, 1983
2.2.7.3.2. INFRAESTRUCTURA DE DRENAJE URBANO
-
(Gomez Valentín, 2007), Normalmente esta infraestructura está encaminada
a corregir los efectos negativos provocados por la urbanización, o sea se tiende a
disminuir los caudales punta y/o aumentar la capacidad de la red de drenaje.
Dada la elevada densidad de nuestras ciudades es prácticamente imposible
disminuir de forma significativa la escorrentía mediante la infiltración natural en el
terreno: ello requeriría disponer de espacio suficiente para, por ejemplo, crear
zonas verdes donde se produjera dicha infiltración.
De todos modos, existen sistemas que pueden empezar a ser tenidos en
cuenta, como aprovechar mejor las superficies urbanas existentes (rotondas,
parques, aceras anchas, etc.) para empezar a utilizar estas metodologías de
retener e infiltrar el máximo posible de agua de lluvia. Aguas que se infiltren, o
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lleguen más tarde a la red de drenaje, redundarán en una reducción de los
tamaños de los conductos de alcantarillado necesarios lo que se traducirá en un
ahorro de construcción, de los mismos.
2.2.7.3.2.1. DEPÓSITOS DE RETENCIÓN
(Gomez Valentín, 2007), Una forma de evitar inundaciones cuando la
capacidad de la red de drenaje es insuficiente consiste en el almacenamiento
parcial de la escorrentía. Existen tres diferentes maneras de conseguir
artificialmente este almacenamiento: balsas, depósitos subterráneos, utilización
de la propia red de colectores cuando existe una fuerte distribución espacial de la
lluvia y no toda la red drena al mismo tiempo, etc.
El correcto diseño de estas estructuras requiere un buen conocimiento del
hidrograma de proyecto ya que la forma y el volumen de éste fijarán la capacidad
de almacenamiento necesaria.
En las redes unitarias, cada vez son más utilizados los depósitos de
retención para almacenar la escorrentía de una lluvia no muy intensa o la
escorrentía inicial debida a una lluvia intensa.
Estas escorrentías suelen presentar una elevada carga contaminante lo que
aconseja evitar su vertido sin previo tratamiento. El almacenamiento de esta
escorrentía permite su tratamiento posterior sin tener que incrementar
notablemente la capacidad de las plantas depuradoras.
2.2. 7 .3.2.2. COLECTORES INTERCEPTORES PLUVIALES
(Gomez, 2007), El resolver problemas de drenaje en zonas urbanas
densamente pobladas mediante la construcción de nuevos colectores presenta la
dificultad de compatibilizar dicha construcción con Ja escasez de espacio
disponible en superficie, la afección a las redes de servicios urbanos y la
incidencia en un tráfico durante la construcción. Ello puede ser paliado en gran
medida si el nuevo colector se sitúa a la profundidad suficiente para que pueda
ser construido en túnel.
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2.2. 7 .3.2.2.1.CUNETAS
(Ministerio de Vivienda Construcción y Saneamiento, 2006), Estructura
hidráulica descubierta, estrecha y de sentido longitudinal destinada al transporte
de aguas de lluvia, generalmente situada al borde de la calzada.
Figura 2.11. Sección típica de canal indicando componentes
T
H
Fuente: Norma 08.60 Drenaje Pluvial Urbano, 2006
Dónde:
T = Ancho superior del canal
b = Base del canal
z = Valor horizontal de la inclinación del talud
C = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal sea de
tercer, segundo o primer orden respectivamente.
H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal. En algunos casos el
camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las necesidades del
canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será necesaria,
dependiendo de la intensidad del tráfico.
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2.2. 7 .3.2.2.1.1. SECCIÓN HIDRÁULICA ÓPTIMA
2.2.7.3.2.2.1.1.1. DETERMINACIÓN
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