CHAPTER 5 SEMANTIC ASSOCIATION
5.4 Associate the meaning and pragmatic function
5.4.1 Learning new words through associating shared characters
Son aquellas lluvias puntuales que caen localmente sobre una zona específica y producen flujos hiperconcentrados. Esta lluvia no es registrada por las estaciones meteorológicas debido a que se trata de un fenómeno local e instantáneo.
Para la modelación se tiene que estimar la celda de precipitación concentrada para el cual se produciría el fenómeno en la quebrada Malanche. Como se mencionó, esta precipitación se va a estimar por medio de las precipitaciones máximas de los registros históricos que se poseen y una vez llevadas al software Hyfran se selecciona la precipitación máxima para cada periodo de retorno arrojada por este software. Para el desarrollo de este proceso, se realizó la división de la zona de estudio; es importante mencionar que el comportamiento en la parte alta, media y baja de la cuenca es diferente, es así, que se realizó la división de la cuenca en parte baja, media
65 y alta. Posterior a ello, se desarrolló con los datos pluviométricos de las diferentes estaciones cercanas de acuerdo con la altitud que poseen para cada zona. Es decir, la zona baja está comprendida entre los 253 m.s.n.m a 1064 m.s.n.m, y será trabajada con las estaciones “LA CAPILLA 2” y “SANTA EULALIA” que se encuentran entre 442 m.s.n.m y los 970 m.s.n.m respectivamente; la zona media está comprendida entre los 1065 m.s.n.m a 2038 m.s.n.m, está será trabajada con las estación “ANTIOQUIA” y “LANGA” que se encuentran entre 1839 m.s.n.m y los 2839 m.s.n.m respectivamente; y la zona alta que se encuentra entre los 2039 m.s.n.m. y los 3342 m.s.n.m. será trabajada con la estación “SAN LAZARO DE ESCOMARGA” que se encuentran entre 3758 m.s.n.m.
De esta manera, se obtuvo la celda concentrada de precipitación para cada periodo de retorno en cada zona.
Tabla Nº 16 Precipitación (mm) de la celda concentrada para diferentes periodos de retorno
TR 25 TR 50 TR 100 TR 200
Parte Alta 57.00 65.25 73.66 82.31
Parte Media 21.86 25.14 28.38 31.64
Parte baja 16.94 20.3 23.45 26.586
Fuente: Elaboración Propia
Estas precipitaciones máximas serán los valores introducidos en el modelo hidrológico en el software HEC-HMS.
4.1.7 Tiempo de retardo
Para el cálculo del tiempo de retardo, se utilizará la ecuación propuesta por el “Soil Conservation Service”, SCS, detallada en el ítem 2.1.7.2. De esta manera, obtendremos
diferentes tiempos de retardo para cada zona. Esta división está basada en las altitudes de la
zona de estudio, dicha información se encuentra en el ANEXO Nº3. Tabla Nº 17 Tiempo de retardo
HEC-HMS Área (km2) H(msnm) Perímetro
(km) k L Ff Tc (H) Lag Time(h) Lag Time(min) Cuenca Alta 20.28 1303 38.40 2.39 18.076 0.062 1.696 1.018 61.055 Cuenca Media 75.00 973 104.74 3.39 50.897 0.029 6.274 3.764 225.849 Cuenca Baja 78.17 811 80.54 2.55 38.224 0.054 4.834 2.901 174.037
66 4.1.8 Cálculo del Número de Curva (CN)
Para el valor del número de curva (CN) se tomó como base el tipo de suelo y el uso de la tierra del área de estudio, dicha información teórica está definida en el ítem 2.1.7.3. Cabe resaltar, que un grupo hidrológico de suelo está definido como el conjunto de suelos que se pueden agrupar en una misma categoría, para estimar este parámetro se utilizó los porcentajes promedio de arena, limo y arcilla, dichos datos fueron obtenidos del SENAMHI en la investigación “Sistemas de seguimiento de la escorrentía a nivel Nacional” publicado en el año 2015, donde se observa arena profunda, suelos profundos depositados por el viento, y también existen limos agregados y un bajo porcentaje de arcilla.
Figura 29 Porcentaje de arcilla, limo y arena respectivamente para el ámbito de estudio.
Fuente: “SISTEMAS DE SEGUIMIENTO DE LA ESCORRENTÍA A NIVEL NACIONAL”, por SENAMHI
Asimismo, antes de establecer un valor de CN con la Tabla Nº 5, el cual nos coloca en un suelo GRUPO “B”, se procedió a realizar una comprobación con los mapas de curva de nivel elaborados por el ANA (Autoridad Nacional del Agua), el cual nos brinda tres mapas del Perú, uno en condiciones secas, otro en condiciones normales y el último para condiciones húmedas, en dichos mapas se aprecia un rango de valores de CN para las diferentes zonas que existen en el Perú.
67 Figura 31 Mapa de la ANA para el cálculo de CN en condiciones secas.
Fuente: Autoridad Nacional del Agua (ANA)
Figura 30 Mapa de la ANA para el cálculo de CN en condiciones normales.
68 De esta manera, una vez analizado todas los escenarios detallados, se trabajó con el mapa de condiciones húmedas, ya que nuestra zona de estudio presenta está característica en la fecha donde sucedió el fenómeno y cumple con lo visto anteriormente. Asimismo, tomando en cuenta la Tabla Nº5, y el rango de valores del mapa de la ANA en las condiciones mencionadas, el cual nos brinda un intervalo de 86 a 90, se tomó el valor igual de CN=90. 4.1.9 Hidrograma Líquido
Para el cálculo del hidrograma líquido, se realizó el cálculo de las frecuencias para las máximas precipitaciones en la parte alta, media y baja en cada periodo de retorno, para ello se tomaron los datos de la Tabla N°16.
En las Tablas N°18 y N°19 se puede apreciar las frecuencias de las precipitaciones máximas 24h para cada periodo de retorno. Asimismo, se incluyó el de TR_2, que según literatura
representa el caudal formativo o dominante, ya que un río es siempre variable y este caudal
es especialmente importante porque es el responsable principal de la forma y dimensiones de este. Por otro lado, se debe mencionar que en el presente estudio solo se hace mención de estos cálculos, mas no se realizará el uso de esta data, ya que se está analizando un evento extraordinario, donde esta definición no se ajusta a los fines.
Figura 32 Mapa de la ANA para el cálculo de CN en condiciones húmedas.
69 Tabla Nº 18 Frecuencia de precipitaciones máximas 24h de los periodos de retorno 25, 50, 100 y 200 años
Fuente: Elaboración Propia
Tabla Nº 19 Frecuencia de precipitaciones máximas 24h de los periodos de retorno 2 años y tormenta 2017
FREC TR_2 TOR_2017
C_BAJA C_MEDIA C_ALTA C_BAJA C_MEDIA C_ALTA
5min 0.12 0.65 2.45 2.26 2.90 3.56 15min 1.40 3.00 8.40 7.80 9.71 11.70 1h 2.00 4.20 11.80 11.03 13.73 16.54 2h 2.30 5.00 14.10 13.11 16.33 19.67 3h 2.60 5.50 15.60 14.51 18.07 21.77 6h 3.10 6.60 18.50 17.26 21.49 25.89 12h 3.60 7.80 22.00 20.52 25.56 30.79 1dia 4.30 9.30 26.20 24.41 30.40 36.61 2dia 6.64 16.56 50.40 46.82 58.79 71.22 4dia 14.92 44.74 146.20 135.45 171.38 208.67 7dia 19.56 59.32 194.60 180.26 228.18 277.90 10dia 20.84 80.48 283.40 261.90 333.76 408.34
Fuente: Elaboración Propia
Antes de entrar al modelamiento en el software HEC-HMS, se necesitan una serie de datos que son inputs de este software. Algunos datos están expresados en la tabla N°17 y otros en la tabla N°20.
FREC TR_25 TR_50 TR_100
C_BAJA C_MEDIA C_ALTA C_BAJA C_MEDIA C_ALTA C_BAJA C_MEDIA C_ALTA
5min 2.10 2.81 5.7 2.46 3.16 6.61 2.80 3.50 7.50 15min 5.4 7.0 18.2 6.5 8.0 20.8 7.49 9.1 23.5 1h 7.7 9.9 25.8 9.2 11.4 29.5 10.6 12.8 33.3 2h 9.1 11.7 30.6 10.9 13.5 35.1 12.6 15.2 39.6 3h 10.1 13.0 33.9 12.1 14.9 38.8 13.9 16.9 43.8 6h 12.0 15.5 40.3 14.4 17.8 46.1 16.6 20.1 52.1 12h 14.2 18.4 47.9 17.1 21.1 54.9 19.7 23.9 61.9 1dia 16.9 21.9 57.0 20.3 25.1 65.3 23.5 28.4 73.7 2dia 32.1 41.9 87.0 38.8 48.5 103.5 45.1 55.0 120.3 4dia 64 84 250.0 78 97 300 90.2 110 350 7dia 118.5 157.9 288.0 145.4 184.1 354.0 150 210.0 421.3 10dia 182.7 241.7 451.0 223.0 281.1 550.0 220.6 320.0 650.9
70 Tabla Nº 20 Características hidrológicas de las microcuencas
MICROCUENCAS CARACTERISTICAS DE MICROCUENCAS Transformación Flujo Base Método Clark Pérdida inicial (mm) Condición humedad antecedente Condición hidrológica Cobertura Grupo de Suelos Número de Curva % Impermeable Tiempo de concentración (hr) Coeficiente de Almacenamie nto (hr) Constante Mensual (m3/s)
Parte Alta 13.5 II Media
Poca vegetación y zona impermeab le B 90 0.0 1.70 2.55 0.000
Parte Media 16.9 II Media Desierto B 90 0.0 6.20 9.30 0.000
Parte Baja 21.8 II Media Desierto B 85 0.0 4.80 7.20 0.000
El software HEC-HMS fue desarrollado para el modelación de procesos hidrológicos que ocurren en una cuenca desde precipitaciones habituales hasta simulaciones de tormentas hipotéticas. De todo esa variedad de métodos que nos permite usar el software se optó por emplear la metodología del FRECUENCY STORM debido a que este método nos permite introducir datos de frecuencias de precipitaciones máximas en cada subcuenca, lo que representaría un comportamiento hídrico de la cuenca más exacto y por ende nos permitirá obtener un hidrograma más preciso. Esta metodología requiere del tiempo de concentración, coeficiente de almacenamiento y del número de curva (CN), los cuales son parámetros previamente obtenidos mediante HEC-GeoHMS.
Con todos los datos obtenidos para el desarrollo en el software, se procede a realizar el modelamiento en HEC-HMS. Para este modelo se usó tres componentes el Basin Model, Meteorolodic Model y Control Specifications, los cuales se detallarán a continuación.
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Figura 33 Componentes del modelo hidrológico en el HEC-HMS
Fuente: Elaboración propia
El Basin model es el componente donde se define las características de las subcuencas, en nuestro caso contamos con tres subcuencas cuenca alta, cuenca media y cuenca baja y a cada subcuenca se le insertan los datos obtenidos en las tablas N°17 y en la tabla N°20.
Para esto se debe generar un Subbasin , un junction para cada subcuenca y un reach entre cada subuenca. Estos tools nos permiten definir el comportamiento de la cuenca.
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Fuente: Elaboración propia
Figura 35 Tools del componente BASIN MODEL
Fuente: Elaboración propia
En el tool subbasin se pueden definir características geomorfológicas e hidrológicas de la subcuenca como el área de la subcuenca, su tiempo de concentración, el número de curva que posee, estos datos se calcularon en las tablas N°17 y N°20. Además, en este tool se define que métodos se usaran para la perdida y transformación de la precipitación. Como ya se explicó previamente, en nuestro caso se usará el Loss Method: SCS Curve Number y el Transform Method: Clark Unit Hydrograph.
73 Figura 36 Caracterización de subbasin de la subcuenca alta
Fuente: Elaboración propia
En la Figura Nº 36 se observa la caracterización de subbasin la subcuenca alta, el mismo proceso se debe realizar para la subcuenca media y la subcuenca baja. Una vez caracterizadas las subcuencas se procede a definir el tool Junction, en este tool solo se define el Downstream y las demás opciones se dejan como aparece por defecto.
Figura 37 Caracterización de Junction de la subcuenca alta
Fuente: Elaboración propia
Por último, se define el tool Reach, en él se define el método a usar para el tránsito de avenidas que se generan por el movimiento del flujo de escurrimiento desde las salidas de las subcuencas hasta el Outlet. En esta investigación se usó el método de Muskingum, el cual está basado en la ecuación de continuidad y la relación de almacenamiento, caudales de ingreso y de salida. Se procede a ingresar cada valor de Muskingum calculado a cada uno de los Reach.
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Fuente: Elaboración propia
El siguiente componente es Metereological Models, en este componente se define el método a usar para el modelamiento de las precipitaciones. Para esta investigación como se explicó se utilizó el método FRECUENCY STORM por las características que ofrece, para ello se crean diferentes escenarios para cada periodo de retorno y la tormenta del 2017.
Figura 39 Modelos meteorológicos para cada periodo de retorno y la tormenta del 2017
Fuente: Elaboración propia
Como se puede observar en la figura 39 se ha creado diversos escenarios para cada periodo de retorno, al seleccionar un escenario se despliegan las opciones para poder designar precipitaciones a cada subcuenca. Esto es posible por la metodología de trabajo del HEC- HMS que permite relacionar el Basin Model con el Meteorologic Model atreves de los subbasins que representan las características de las subcuencas tanto las geomorfológicas en el Basin Model como las características meteorológicas en el Meteorologic Model.
Para asignar las precipitaciones a cada subcuenca se hacen uso de los datos obtenidos en las tablas N°18 y N°19. En la figura 40 se puede observar el proceso para el escenario de la tormenta que ocurrió en marzo del 2017. El mismo proceso se hace para cada periodo de retorno
75 Figura 40 Frecuencias de precipitaciones máximas 24h en cada subcuenca para la tormenta del 2017
Fuente: Elaboración propia
Finalmente creamos el componente Control Specifications. Se ingresa el tiempo de considerado para la simulación del hidrograma y el intervalo de tiempo. Se ha estimo como fecha de inicio el 15 de marzo del 2017 a las 18:00 horas y fecha de término el 17 de marzo del 2017 a las 18:00 horas, el intervalo de tiempo es de 15 minutos. La finalidad de establecer esta fecha es el de simular el evento que activó a la quebrada Malanche que pertenece a Punta Hermosa y que ocurrió precisamente el 15 de marzo en horas de la tarde.
Figura 41 Caracterización del componente Control Specifications
Fuente: Elaboración propia
Una vez definido los tres componentes requeridos por el HEC-HMS, el siguiente y último paso es realizar la simulación del modelo. Para este paso el HEC-HMS cuenta con una
76 herramienta denominada Compute que permite realizar las simulaciones matemáticas para los diversos modelos que se pueden crear en el HEC-HMS. Para nuestro caso en estudio se debe crear una simulación para cada periodo de retorno. En la figura 42 se puede observar el proceso a seguir para la creación de las simulaciones.
Figura 42 Proceso para crear una simulación para un modelo hidrológico
Fuente: Elaboración propia
Una vez creada las simulaciones tendremos un menú como se muestra en la figura 43, se selecciona el modelo que se desea simular y se presiona el botón Compute All Elements y la simulación se ejecuta.
Figura 43 Proceso para la simulación del modelo hidrológico de la tormenta del 2017
Fuente: Elaboración propia
Una vez ejecutada la simulación se puede obtener los hidrogramas para cada escenario que se planteó en el HEC-HMS (TR_2, TR_25, TR_50, TR_100, TR_200 y TOR_2017), cabe precisar que el tiempo de la simulación para todos los escenarios es de 48 horas. Se muestra
77 el hidrograma de la tormenta de marzo del 2017 en la Figura Nº 44. La forma característica del hidrograma calculado se debe a que no hay flujo base (es aquel que aporta el escurrimiento subterráneo y/o el deshielo de los nevados, y se da en aquellos cauces permanentes donde el flujo no desaparece durante las épocas de estiaje). El tiempo pico es de aproximadamente 3 horas y 30 minutos y el caudal pico es de 7.3 m3/s.
Figura 44 Hidrograma de la tormenta de marzo del 2017
Fuente: Elaboración propia
Los caudales máximos registrados se presentan en la Tabla N°21. Los resultados se encuentran en el rango de 7.00 m³/s a 45.00 m³/s aproximadamente. En el caso de los periodos de retorno de 25 años el tiempo pico es aproximadamente de 3 horas mientras que el caudal máximo es de 21.6 m3/s; para 50 años el tiempo pico es aproximadamente de 3 horas con 15 minutos y el caudal máximo es de 28.3 m3/s; para 100 años el tiempo pico aproximado es de 3 horas con 300 minutos y su caudal máximo es de 35.6 m3/s; para 200 años el tiempo pico es aproximadamente de 3 horas con 45 minutos y el caudal máximo es de 43.4 m3/s.
Asimismo, se puede observar que alcanza el caudal pico aproximadamente a las 11:20 horas del día 15 de marzo, que se ajusta a los testimonios obtenidos de las diferentes personas entrevistadas por los medios de comunicación que cubrieron y documentaron el evento.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40 42.5 45 47.5 Q(m 3 /s ) Horas
HIDROGRAMA LÍQUIDO PARA TORMENTA 2017
78 Figura 45 Hidrograma Líquido para un periodo de retorno de 25 años
Fuente: propia
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Fuente: propia
Figura 47 Hidrograma Líquido para un periodo de retorno de 100 años
Fuente: propia
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Fuente: Elaboración propia
Es pertinente señalar que la forma de los hidrogramas varía de acuerdo al tipo, frecuencia o intensidad de precipitación en una tormenta y de las características geomorfológicas y geológicas de la quebrada. Así también, es importante determinar los caudales máximos en las crecidas de un río, las alturas máximas a las que puede llegar y definir las velocidades a las que podría llegar, todo ello con la finalidad de prevenir algún evento, muchas veces denominado desastre natural, que ocasione estragos en las poblaciones aledañas o que pueda alterar la forma de vida de esta.
Tabla Nº 21 Caudales máximos obtenidos por el HEC-HMS
TR Q(m3/s) Evento 7.3 25 21.6 50 28.3 100 35.6 200 43.4
Fuente: Elaboración Propia
El tiempo pico y caudal pico; son factores sumamente importantes en la elaboración del modelo hidrológico en el FLO-2D PRO. Estos son indicadores que ayudan a estimar el tiempo de respuesta de la quebrada ante eventos meteorológicos severos. Sabiendo cómo se comportarán los flujos hiperconcentrados generados en la quebrada, se puede diseñar una estrategia de prevención ante flujos hiperconcentrados. Cabe resaltar que estos valores obtenidos en los hidrogramas por el modelo HEC-HMS representan el agua precipitada; es decir, estos hidrogramas son solo de agua de lluvia.