Guía metodológica para el cálculo de caudales de avenida en la ...

Tema B: Hidrología y Gestión del AguaEl modelo del tipo global se ha preferido frente al distribuido por su sencillez de tratamiento y la inapreciablefalta de precisión. El problema de cálculo es demasiado complejo para trabajar al nivel de detalle que requierenestos modelos, capaces de realizar balances de agua celda a celda para determinar el exceso de lluvia intervalo aintervalo y trasladarlo a las celdas inferiores.Por otra parte, tampoco hay garantía de que al utilizar un modelo tan detallado se obtengan mejores resultados.La traslación de agua de unas celdas a otras en un territorio tan abrupto como Tenerife, que generalmenteproduce flujos del tipo rápido, no podría ser calibrada sin la ayuda de los inexistentes registros en las estacionesde aforo, lo que dejaría una gran incógnita en los resultados.A cambio, un modelo global basa sus características de traslado en algoritmos sencillos de balance hidrológicotan comprobados como el hidrograma unitario, que partiendo únicamente de la geometría permite trasladar loscaudales producidos hasta el punto final de la cuenca.La precipitación en un modelo distribuido se aplicaría en cada punto leyendo los mapas de isohietas ycomponiendo hietogramas específicos. Sin embargo esta rigurosa forma de actuar no mejora las predicciones queen el modelo global se realizan partiendo de precipitaciones promediadas en todas las celdas que componen lacuenca con el mismo procedimiento.Hay que destacar que al utilizar un modelo global que se alimenta de parámetros extraídos de GIS, se resume lainformación del sistema distribuido que representan las coberturas raster de los parámetros en cada subcuenca, loque supone un método intermedio entre el global y el distribuido.El método más extendido para simular caudales en modelos globales, y que se emplea por defecto en laelaboración de la Guía, es el del hidrograma unitario (utilizado para cuencas de más de 3 km 2 ), que representa elcaudal que produce la cuenca como respuesta a un exceso de lluvia de valor unidad y duración determinada. Paracuencas menores de 1 km 2 se utiliza el método racional y para las cuencas intermedias una media ponderadaentre ambos métodos.2.1 Caracterización del régimen de precipitaciones extremasLa caracterización trata de extraer la mayor información posible de las lluvias registradas para obtener productoselaborados que se pueden aplicar directamente a los procesos de simulación hidrometeorológica. En concreto sebuscan:• Isohietas máximas diarias para diferentes períodos de retorno en la isla• Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia• Patrones y frecuencias de la distribución temporal de las tormentas más intensasPara facilitar la realización del presente trabajo, el CIATF ha realizado una labor exhaustiva de recopilación deinformación pluviométrica y pluviográfica en la isla.En los siguientes apartados se resumen los datos que tras la recopilación quedaron disponibles para el estudiopara cada uno de los dos tipos de información (lluvia total e intensidades).2.1.1 Datos pluviométricos diariosPara caracterizar la pluviometría diaria extrema en la isla se dispone de las series de precipitación máxima diariaen 382 estaciones pluviométricas. Las estaciones con datos pertenecen a las redes de la AEMET, del ICIA y deAgroCabildo.El análisis se ha realizado sobre las series anuales de precipitación máxima diaria, construidas con las máximasobservaciones diarias de cada año hidrológico.Para obtener los mapas de isolíneas que llevan a la precipitación de cálculo en las subcuencas se han realizadolas siguientes tareas:• Selección de estaciones pluviométricas (47 estaciones con más de 20 años de datos de garantía)• Ajuste de las series anuales de precipitación a distribuciones extremales- Composición de las series anuales de precipitación máxima diaria

Tema B: Hidrología y Gestión del Agua- Ajuste de las series de precipitaciones máximas diarias a las distribuciones estadísticas deGumbel, SQRT-ET max y log-Pearson tipo III. En este último caso con las asimetrías propiasde cada serie y a continuación con las asimetrías regionalizadas.- Extrapolación de las precipitaciones del ajuste final a los períodos de retorno 2.33, 5, 10, 25, 50,100, 250, 500, 1000 y 5000 años.• Elaboración de los mapas de isolíneas máximas diarias- Establecimiento y cálculo de pluviómetros virtuales- Cálculo de isolíneas para cada período de retorno- Representación de los mapas de isolíneas sobre un mapa de la isla• Conversión de isolíneas máximas diarias a coberturas raster para la simulaciónLas isohietas utilizadas en la simulación se generaron a partir de los valores deducidos de la función dedistribución de frecuencias log-Pearson tipo III. A modo de ejemplo, del resultado final del trabajo, se muestra acontinuación el mapa de precipitaciones máximas diarias para el período de retorno de 500 años.Figura 1Precipitaciones máximas diarias para 500 años de período de retorno2.1.2 Datos PluviográficosSe dispone de los datos pluviográficos procedentes de las redes de observación gestionadas por las siguientesentidades:• AEMET: Se cuenta con las series diezminutales de lluvia en los dos aeropuertos y en el Observatorio delCentro Meteorológico de Santa Cruz. Las series son muy largas ya que a las series recogidas por lasestaciones automáticas se suman las procedentes de digitalización de bandas que se incorporaron en elestudio antecedente.• AgroCabildo: Se dispone de información en 163 estaciones, con datos a intervalos de 30’ en las seriesmás antiguas que bajan posteriormente a 12’ (en conjunto más de 15 millones de registros de lluvia). Lasprimeras series comienzan en septiembre de 1996, pero muy pocas sobrepasan los 10 años de datos, aveces incompletos. En líneas generales, debido a que densifican la red tradicional y porque la mayoríaestá situada en altura, suponen una información muy valiosa que en el futuro permitirá extender lascaracterísticas de la precipitación a nuevas zonas de la isla, pero que carece de valor en el presenteanálisis por su relativa escasez.

Tema B: Hidrología y Gestión del Agua• ICIA: Dispone de información en 6 estaciones, con datos a intervalos de 1h en los observatorios másantiguos y que se han reducido a 30’ por recientes renovaciones de instrumentación. Las series sonextremadamente cortas para su inclusión en el análisis pero suponen, como las anteriores una esperanzapara mejorar la información en el futuro.En primer lugar se busca caracterizar la frecuencia de las intensidades de lluvia. El resultado de mayor interéspara la hidrología son las curvas Intensidad-Duración-Frecuencia (abreviadamente IDF). Estas curvas sintetizanlas propiedades de la pluviometría intensa en un observatorio en forma de relaciones entre la intensidad de laslluvias y su duración para cada frecuencia de superación (o período de retorno).Para calcular las curvas IDF, se parte de los registros de pluviógrafos con longitud de serie suficiente para acontinuación abordar los pasos siguientes:• Preparación de las series anuales temporales de intensidad de lluvia para diferentes duraciones• Ajuste de las series temporales a distribuciones de frecuencia• Extrapolación a los períodos de retorno deseados• Dibujo de las curvas individualesMetodológicamente se siguen los procedimientos empleados en el cálculo de las isohietas máximas diarias,utilizando como valores de partida las series anuales formadas por las intensidades máximas de lluvia para cadaduración. Para componerlas se rastrean las series de precipitación de cada estación a intervalos diezminutales (elpluviograma) para encontrar la intensidad máxima registrada en cada año para cada duración de tormentaanalizada (5, 10, 15, 20, 30, 45 minutos, 1, 2, 3, 4, 6, 12 y 24 horas).Una vez obtenidas las series anuales, se ajustan una la ley estadística extremal de Gumbel a cada duración paraobtener las intensidades que corresponden a los diferentes períodos de retorno.Como ejemplo de los resultados obtenidos se acompaña los ajustes realizados para la estación de Los RodeosTenerife Norte.Estación pluviográfica 447A Rodeos-Aeropuerto NorteCurvas Intensidad-Duración-Frecuencia IDF175150125Curvas IDFT=2.33 aT=5 aT=10 aT=25 aT=50 aT=100 aT=500 aT=1000 aT=5000 aT=10000 aIntensidad de lluvia (mm/h)1007550250102030405060708090100Duración (min)20030040050060070080090010002000Figura 2Ejemplo de curvas IDF

Tema B: Hidrología y Gestión del AguaEn segundo lugar se procede a la identificación y selección de tormentas. Para definir una tormenta de proyectoen un proyecto hidrológico es necesario especificar las siguientes características:• Precipitación total de la tormenta• Duración de la tormenta• Distribución temporal• Distribución espacial• MovimientoLos análisis realizados en este trabajo permiten obtener información de interés para la preparación de las tresprimeras características y, por lo tanto, acometer proyectos que exijan la realización de estudios hidrológicosextremos. Para obtener resultados relativos a los dos últimos puntos es necesario disponer de una densidad depluviógrafos mucho más importante que la actual funcionando sincrónicamente.Para paliar esta deficiencia a la hora de aplicar los modelos hidrológicos y definir dichas características, seránecesario utilizar métodos estándar simplificados.Después de tantear, se llegó a la conclusión de que un criterio razonable para la selección de las tormentasimportantes consiste en seleccionar de la base de datos general las que cumplen al menos una de las condicionessiguientes:• Intensidad de lluvia en 10 minutos >= 50 mm/h• Intensidad de lluvia en 20 minutos >= 30 mm/h• Intensidad de lluvia en 30 minutos >= 20 mm/h• Intensidad de lluvia en 60 minutos >= 10 mm/h• Intensidad de lluvia en 120 minutos >= 5 mm/h• Precipitación total de la tormenta >= 30 mmAplicando estos criterios se obtienen 376 tormentas. Como se excluyen del análisis las tormentas muy cortas, elanálisis final se realiza con 339 tormentas.Estas tormentas sirven de base a los cálculos que caracterizan las intensidades de lluvia y la forma de lastormentas. Para ello se ha empleado el clásico método de Huff, pero modificado para trabajar con el detalle dedeciles en lugar de los cuartiles originales del procedimiento. Como resultado final se obtienen las curvas dediseño del histograma para la isla de Tenerife para tormentas corta (duración inferior a 6 horas) y tormentaslargas (duración superior a 6 horas).100Isla de TenerifeProbabilidades de Hietogramas y curvas de diseñoTormentas de duración superior a 6 horasPrecipitación acumulada (%)80604020Curvas de diseñode hietogramaspara probabilidadMin5%10%25%50%75%90%95%Max00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de la duración totalPrecipitación (%)604020058.94040Mín 5% 10%3027.13026.122.9Precipitación (%)17.714.515.917.413.013.110.06.25.60.1 0.32.1 2.92.84.85.13.64.85.97.33.43.4 2.70.0 0.4 1.20.920201010000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de la duración totalPorcentaje de la duración totalPorcentaje de la duración totalPrecipitación (%)Precipitación (%)4025%3020.52015.911.49.3 9.810.9106.2 7.23.84.900 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de la duración totalPrecipitación (%)404050% 75%303019.42017.02014.514.415.713.411.611.111.511.78.9108.69.4107.9 8.95.45.02.02.50.01.0000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de la duración totalPorcentaje de la duración totalPrecipitación (%)Precipitación (%)30 28.390%21.32015.1 15.2106.54.34.52.61.70.500 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de la duración totalPrecipitación (%)40 38.195%3023.12015.09.8106.32.60.01.42.50.9 0.400 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de la duración totalPrecipitación (%)8063.4Máx60402011.511.06.61.6 2.4 2.1 0.8 0.5 0.100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje de la duración totalFigura 3Ejemplo de probabilidades de hietogramas y curvas de diseño

Tema B: Hidrología y Gestión del Agua2.2 Caracterización del medio físicoLa base fundamental de la caracterización del medio físico es el modelo digital del terreno (MDT) y las distintascoberturas temáticas (edafología, vegetación, cultivos, ocupación del suelo, etc.). El modelo digital estádiscretizado en celdas cuadradas de 5 metros de lado y representa las cotas del terreno en la isla en un conjuntode 15.861 filas y 12.969 columnas (en total 205.701.339 celdas).2.2.1 Geometría y parámetros físicos de las cuencas hidrográficasEl cálculo de la cuenca y sus parámetros asociados (contorno, área, cota máxima, cota mínima y longitud), encualquier punto de la Isla y de forma interactiva, pasa por realizar previamente por unas serie de correccionessobre el MDT, tales como el quemado con la red vectorial de cauces, la eliminación de sumideros y otra serie deproblemas topológicos asociados con las confluencias y los trasvases.Todos estos cálculos se realizaron con el apoyo de software propio de INCLAM y del programa TOPAZ (U.S.Department of Agriculture) obteniéndose, entre otros resultados, coberturas raster auxiliares que contienendirecciones de flujo y áreas vertientes a cada celda. Dado el tamaño del MDT (mas de 200 millones de celdas)fue preciso dividir éste en tres partes y una vez realizados los cálculos anteriores proceder a la unión de lascoberturas obtenidas.Sobre la base de estas coberturas raster es posible, a partir de la metodología de los autómatas celulares, obtenerlos parámetros anteriormente mencionados.A pesar de la precisión del modelo de terreno (celda de 5m de lado) en zonas urbanas puede suceder que no sedelimiten las cuencas con suficiente precisión, por lo que la aplicación informática de la Guía permite laimportación (en formato shp) del contorno de una cuenca definida por otros procedimientos.2.2.2 Parámetros de infiltraciónLas características del terreno en cuanto a infiltración se representan a través del conocido número de curva delSoil Conservation Service (SCS). Este método clasifica el potencial de escorrentía de superficie por un únicoparámetro ligado a las características de la vegetación, del tipo de suelo, uso del suelo y pendiente.La aplicación del cálculo de caudales de la Guía necesita la definición del número de curva en forma decobertura raster con tamaño de celda de 5 m superponible a la del MDT. Para elaborarla, se dispone de lasiguiente colección de coberturas sectoriales temáticas:Tabla 1 Coberturas temáticas para el cálculo del número de curvaCobertura Contenido Tipo OrigenCultivos Cultivos agrícolas VectorialGobierno de Canarias. Consejería deAgriculturaVegetaciónEspecies forestales y de vegetación VectorialnaturalULL. Dpto. de BotánicaOcupación Usos del suelo Vectorial GRAFCANUrbanismo Zonas urbanas y urbanizables Vectorial Planes Generales de Ordenación UrbanaCarreteras Red viaria insular Vectorial Cabildo de TenerifeEspacios Espacios abiertos en zonas urbanas Vectorial Plan Insular de Ordenación del TerritorioMDT Cotas del terreno Raster GRAFCANSuelos Grupos hidrológicos del SCS Vectorial ULL. Dpto. de Edafología y Geologia

Tema B: Hidrología y Gestión del AguaEn síntesis, la metodología utilizada consiste en el relleno celda por celda de los valores que resultan deconsultar la tabla de números de curva del SCS. Para ello, se definen previamente las equivalencias entre loselementos que componen las distintas coberturas temáticas de la Isla y las categorías que utiliza el métodooriginal del SCS.A continuación se describe de forma esquemática el procedimiento de elaboración de la cobertura raster denúmero de curva:Figura 4Esquema de cálculo del número de curva en una celda3 Verificación de resultados e hipótesis de cálculoUna vez parametrizados todos los elementos que requiere el modelo matemático de simulación HEC-1 y elmétodo racional, es necesario preparar un procedimiento que facilite la selección de diferentes hipótesis decálculo hidrológico y que permita validar los resultados aportados por el modelo, así como la generación decaudales para cada hipótesis.A tal efecto, se ha desarrollado una aplicación para la simulación de los caudales de avenida y la obtención delos parámetros físicos e hidrológicos asociados a todas las cuencas vertientes (a cauces o al mar) de la Isla.Asimismo, efectúa el almacenamiento de los resultados generados para cada una de las hipótesis de cálculoconsideradas en una base de datos.El objetivo de esta aplicación es doble:

Tema B: Hidrología y Gestión del Agua• Ajustar las hipótesis de simulación a los datos de caudales extremos observados o a cualquier otrainformación contrastada, mediante un proceso de verificación que, en cierto modo, sustituye a laimprescindible tarea de calibración que habría que realizar en caso de existir datos de aforo.• Establecer los criterios recomendados por la Guía Metodológica para la obtención de los caudales deavenida, a partir del análisis previo de las hipótesis de cálculo hidrológico más plausibles y de laverificación de resultados de la hipótesis seleccionada.La pantalla principal de la aplicación, que se muestra a continuación muestra las opciones que se han manejadopara desarrollar los procesos de simulación de caudales y validación de hipótesis.Figura 5Pantalla de calibraciónBásicamente, los parámetros de cálculo hidrológico que consideraron en la formulación de las hipótesis desimulación de caudales son los siguientes:• Métodos de cálculo del tiempo de concentración y del tiempo de retardo del hidrograma.• Hipótesis de humedad antecedente del suelo y de abstracción inicial previa al encharcamiento.• Propiedades que definen la tormenta de proyecto.4 Aplicación informática de usuarioEn el año 2003 se desarrolló una Guía Metodológica para el cálculo de caudales en los cauces de Tenerife. Dichaaplicación permitía obtener de forma automática los caudales de avenida en cualquier punto de la red hidrológicadigitalizada, a partir de los puntos calculados previamente (alrededor de 22.000).El deseo de avance en la gestión y modelización hidrológica ha llevado a desarrollar nuevas funcionalidades ymejorar las existentes, dotando de mayor capacidad a la aplicación informática para el cálculo de caudales. Asíen la nueva Guía se puede calcular, de forma interactiva, la cuenca vertiente con sus parámetros asociados (área,pluviometría, número de curva, etc.) y caudales de los distintos períodos de retorno, en cualquier punto de la Isla,independientemente de que se trate de un cauce de la red oficial o no. Estos cálculos se realizan de formaespecífica para el punto seleccionado sin necesidad de interpolar con otros calculados previamente.Otra posibilidad que incorpora la nueva Guía es la de calcular los caudales asociados a una cuenca definida porel usuario. En este caso, el cálculo se realiza por el procedimiento de importar una región en formato shape (deArcView) y de introducir a continuación el dato de determinadas variables (cota máxima y cota mínima de lacuenca y longitud del cauce principal), a partir de los cuales la Guía proporciona el resultado de los caudales deavenida así como del resto de parámetros asociados a la cuenca (número de curva, pluviometría, etc.).

Tema B: Hidrología y Gestión del AguaTambién se han mejorado los aspectos gráficos, dado que permite incorporar como tapiz de fondo la ortofoto conresolución de 50 cm/pixel o la imagen raster de la cartografía a escala 1:5.000, que además facilitanenormemente la búsqueda y localización del punto de cálculo.Cuando el usuario inicia la aplicación, se presenta una ventana que indica que se está realizando la carga dedatos necesarios para su correcto funcionamiento. A continuación, se muestra el menú principal de la aplicaciónsin datos de simulación cargados.Dentro de la aplicación se dispone de los botones típicos de los GIS (zoom más, zoom menos, etc.) que nosayudan a realizar desplazamientos por la isla para localizar el punto donde se desea calcular los caudales. Comocapa de fondo se puede elegir entre varias opciones que incluye la aplicación por defect.

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