Source: https://www.scribd.com/document/310305851/195-588-1-PB
Timestamp: 2018-12-12 05:22:58+00:00

Document:
Estimacion de Escorrentia Superficial a Traves de Los Datos de Lluvia
VOI Seguro - Deshielo Antihielo
Notice Exam Language 03-08-18
PANDUAN K3RS,
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DETERMINACIÓN DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL CONSIDERANDO
LA INFILTRACIÓN EN PERÍODOS LARGOS 1
Teresa Reyna 2, Santiago Reyna 3 y María Lábaque 4
Resumen: La determinación de la escorrentía superficial es primordial para resolver
problemas vinculados a los excedentes hídricos y el posterior diseño de estructuras hidráulicas o
para la adopción de medidas no estructurales. Existen antecedentes de acoplamiento de los
procesos de escurrimiento superficial e infiltración. En general, los estudios de acoplamiento
buscan determinar el escurrimiento superficial mejorando la determinación de los procesos
de infiltración. El acoplamiento de ambos procesos es conveniente como una mejora que
considera más adecuadamente la interacción de los procesos de infiltración y escorrentía. En
este trabajo se resuelven las ecuaciones de onda cinemática para el escurrimiento superficial
y la ecuación de Richards en forma conjunta y secuencial para eventos de larga duración.
Para ello se aplicó el programa HEC-1 para el cálculo de la escorrentía superficial y
NETRAIN 3.0 que permite resolver la ecuación de Richards unidimensionalmente. El
programa desarrollado (NETRAIN 3.0) permite calcular la infiltración considerando las
propiedades hidráulicas de los suelos. Fue realizado específicamente para poder unirse al
programa HEC-1 y permitir calcular la escorrentía, considerando la precipitación efectiva
obtenida de descontar las pérdidas iniciales y la infiltración, aplicando la ecuación de
Richards. NETRAIN 3.0 permite modelar períodos continuos de humedecimiento y secado y
períodos sin precipitación, lo que permite calcular la lluvia efectiva evitándose así el uso de
métodos aproximados como el de la humedad antecedente.
Palabras clave: escorrentía, flujo no saturado, infiltración, modelos de infiltración.
DETERMINATION OF SURFACE RUNOFF CONSIDERING
INFILTRATION IN LONG PERIODS
Abstract: The determination of surface runoff is essential for the solution of problems
linked to flooding and the subsequent design of hydraulic structures or the adoption of nonstructural actions. There are precedents of the coupling of surface runoff and infiltration
processes. In general, coupling studies aim at quantifying surface runoff, improving the
determination of infiltration processes. The coupling of both processes is convenient as an
improvement that more appropriately considers the interaction of the infiltration and runoff
processes. This work jointly and sequentially solves the kinematic wave equations for surface
runoff and Richards’ equation for long-term events. For this, HEC-1 program was applied for
the calculation of surface runoff as well as NETRAIN 3.0, which allows solving Richards’
equation in one dimension. The program developed (NETRAIN 3.0) allows the calculation of
infiltration considering the hydraulic properties of the soils. NETRAIN 3.0 was specifically
carried out to be combined with HEC-1 and to allow the calculation of runoff, considering
the effective rainfall obtained from deducting the initial losses and infiltration, applying
Richards’ equation. NETRAIN 3.0 allows modeling continuous moistening and drying
periods and periods without rainfall, which permits calculating effective rainfall, thus
avoiding the use of approximate methods such as those using the previous humidity.
Key words: infiltration, infiltration models, non-saturated flow, runoff.
Artículo recibido el 25 de julio de 2009 y aceptado el 20 de febrero de 2010.
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba, Córdoba, Argentina, E-mail:
teresamaria.reyna@gmail.com
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba. E-mail: santiagoreyna@gmail.com
Rev. Int. de Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil. Vol. 10(1) 5
Los estudios realizados en laboratorio sobre el escurrimiento superficial y el flujo en un medio poroso aplicando el modelo de infiltración de Green (1911) por Barros et al. control de erosión. Para su solución. 10(1) . químicos y biológicos. que es considerada como pérdida por la hidrología clásica y que es uno de los principales elementos en hidrogeología. es decir aplicar la ecuación de Richards (1931) con modelos adecuados que representen las propiedades hidráulicas de los suelos en los estudios de escorrentía. Con el fin de disminuir la incertidumbre se han realizado esfuerzos en acoplar las ecuaciones de onda cinemática (Saint Venant. retenciones en follaje y depresiones) que producen una disminución en la escorrentía superficial directa. control y preservación de los recursos hídricos mediante soluciones no estructurales. diseño y manejo del almacenamiento en reservas de aguas subterráneas. • La evaluación de la implementación de estas medidas de control. • El manejo de sistemas de riego. Estos problemas se presentan en forma especial cuando se pretende diseñar embalses para detención de crecidas los cuales deben poder regular los eventos puntuales de diferentes recurrencias y además permitir vaciarse luego de una crecida para poder recibir la siguiente con el vaso vacío. Int. se trata de obtener simultáneamente el hidrograma de salida y las curvas de humedad del suelo. En general los estudios de acoplamiento buscan determinar el escurrimiento superficial mejorando la determinación de los procesos de infiltración. Vol. Estos estudios demostraron que las condiciones del suelo modifican en forma determinante el escurrimiento superficial. dado un hietograma . hidrogeológico e hidráulico de una manera más ajustada. así como en el transporte y las transformaciones de los compuestos químicos en el suelo. 6 Rev. • El estudio. Al analizarse diferentes casos de anteproyectos de diques de detención se observó que las estructuras hidráulicas de evacuación eran adecuadas para erogar las crecidas para diferentes recurrencias pero fallaban al simularse un período real de precipitaciones y de crecidas a lo largo de períodos anuales aún sin contar las crecidas de recurrencias extraordinarias. La determinación más ajustada de la infiltración y consecuentemente del escurrimiento superficial. esta ecuación necesita la definición de las funciones hidráulicas del suelo. como así también de las interrelaciones de estos sistemas. Por lo cual en algunos casos es clave la determinación del escurrimiento superficial teniendo en cuenta la infiltración en su correcta magnitud. • El manejo continuo de perforaciones para agua potable. • La adecuada simulación de la calidad del agua considerando procesos físicos. Los modelos de cálculo de infiltración se basan en buscar solución a la ecuación de flujo en medios porosos no saturados.S. Existen antecedentes de estudios de acoplamiento de los procesos de escurrimiento superficial e infiltración. Army Corps of Engineers (2000). de Desastres Naturales.INTRODUCCIÓN En la actualidad se ha tomado conciencia de la importancia de conocer y poder predecir el comportamiento hidrológico superficial. La principal incertidumbre asociada a las metodologías que se emplean en la actualidad para la estimación de la escorrentía directa radica en la variabilidad asociada a la humedad antecedente en el suelo. El estudio de la zona vadosa o no saturada es importante pues esta zona es el nexo entre el agua superficial y el agua subterránea. conocida como ecuación de Richards. 1871) para el escurrimiento superficial y la ecuación de Richards (1931) para el proceso de infiltración. • La definición de políticas de manejo. la conductividad hidráulica y la succión en un medio poroso no saturado para distintos tiempos. permitirá avanzar o mejorar el conocimiento de muchos procesos y tareas. (1999) indicaron la necesidad de tener en cuenta las condiciones reales del suelo. es el factor que vincula los elementos de este complejo sistema. El suelo y la zona no saturada tienen una gran importancia en el ciclo del agua. La parte de la precipitación. Es decir. control del deterioro de la capa arable. incluyendo estudios de U. Accidentes e Infraestructura Civil. que plantea la relación entre la humedad. (2005). Zimmermann y Riccardi (2000) y Paz et al. entre ellos: • El diseño de las estructuras hidráulicas. El tratamiento clásico engloba la precipitación con otros fenómenos (evapotranspiración.
(1987) no permite representar el rango de variación de humedades con una sola función. (b) buscar datos. cuyo objetivo es generar un mecanismo que permita el cálculo de la infiltración por medio de la ecuación de Richards para su posterior ingreso a HEC-1. sino también los estados de humedad del suelo en la zona vadosa durante y luego de los eventos de precipitación. 1985. Además con el conocimiento de los perfiles de humedad se puede determinar la recarga que se realiza a los acuíferos. el escurrimiento en cursos superficiales y el flujo subterráneo en acuíferos freáticos están gobernados por ecuaciones diferenciales no lineales acopladas.. 10(1) 7 . contenido de materia orgánica y otros) e información adicional sobre el suelo y los procedimientos experimentales. NETRAIN interpola entre los datos originales para obtener una curva continua de conductividad .Muchas investigaciones tienen como objetivo resolver en forma conjunta los procesos de escorrentía e infiltración. obtenida de las mediciones realizadas en distintas partes del mundo. (1987).. En términos matemáticos.. La salida de NETRAIN permite obtener el perfil de humedad para cada tiempo y la precipitación efectiva al descontar el agua que se infiltra en el suelo durante el proceso lo que caracteriza no sólo el escurrimiento superficial. Finalmente se adoptó como mejor solución la realización de un programa. propiedades básicas del suelo (distribución del tamaño de partículas. el frente de humedecimiento que se obtiene no es Rev. Para resolver el problema del escurrimiento superficial considerando la infiltración a través de la resolución de la ecuación de Richards se plantearon diferentes alternativas que permitieran determinar los perfiles de humedad y la infiltración. NETRAIN 3. denominado NETRAIN 3. 1997) es un programa clásico de hidrología y permite simular la respuesta precipitación-escorrentía de una cuenca. Vol. 1996). NETRAIN NETRAIN 3. y de fácil interconexión con otros lenguajes. Int.Desarrollado con el modelo de Van Genuchten (1980).0. simplifica la solución de las ecuaciones de onda cinemática para el escurrimiento superficial considerando la solución de la ecuación de Richards (1931) para el flujo subterráneo.0 está realizado para poder unirse al programa HEC-1 y permitir calcular la escorrentía considerando la precipitación efectiva obtenida de descontar las pérdidas iniciales y la infiltración. aplicando la ecuación de Richards. Se dificultaba entonces colocar funciones por tramos y aumentaba el número de variables e incertidumbres. lo que dificulta la solución conjunta de las ecuaciones (Paz et al. Este conocimiento permite determinar la capacidad disponible de humedad en el suelo para actividades agronómicas y es una herramienta importante en el estudio del transporte de contaminantes.0 permite resolver la ecuación de Richards en diferencias finitas considerando las propiedades hidráulicas de los suelos de la base de datos de UNSODA. Esta aplicación se desarrolló de forma que sea posible su eventual incorporación al código fuente original de HEC-1.0 .succión y humedad-succión. NETRAIN 3. El programa puede utilizarse para: (a) guardar y editar datos. (c) escribir los contenidos de conjuntos de datos seleccionados. 2005). conductividad hidráulica y difusividad del agua en el suelo). el enfoque de Celia et al. 1996) una base de datos discreta. donde las componentes están caracterizadas por escalas temporales muy disímil entre sí. • NETRAIN 2. 2008) está desarrollado en FORTRAN. Por otro lado NETRAIN 3.S. La ventaja de esta versión es su facilidad para resolver la ecuación de Richards pero presentaba la desventaja que en la mayoría de los suelos. Evolución del Programa El software que se desarrolló atravesó distintas etapas en las que se emplearon diferentes esquemas de cálculo y ecuaciones para el cómputo de los parámetros que emplea la solución de Richards.Desarrollado con el modelo de Celia et al. Accidentes e Infraestructura Civil. UNSODA es un programa que consiste en una base de datos de las propiedades hidráulicas de los suelos no saturados (contenido de humedad. definidas en áreas de geometría compleja. El programa HEC-1 “Flood Hydrograph Package” (U. Básicamente se desarrollaron los tres modelos siguientes: • NETRAIN 1. sin embargo no representa bien al loess. densidad. de Desastres Naturales.0 (Reyna. el lenguaje de la mayoría de los códigos fuentes de los programas vinculados al tema. representando la misma como un sistema interconectado de componentes hidrológicos e hidráulicos. además permite acoplarse en forma sencilla con software del área. Esta versión representa mejor los suelos en todo el rango de valores.0 . y (d) para describir los datos hidráulicos de los suelos no saturados con expresiones analíticas de forma cerrada (Leij et al. El programa HEC-1 fue seleccionado dado que se contaba con el código fuente y que es un programa referente en los estudios hidrológicos internacionales. Al ser los datos de UNSODA (Leij et al. Army Corps of Engineers.0 permite el empleo directo de los valores de conductividad y succión de la base UNSODA para resolver la ecuación de flujo en medios porosos no saturados.
La altura de la lámina se relaciona directamente con el escurrimiento a través de la ecuación de onda cinemática y con la infiltración a través de la ecuación de Richards por lo que esta variable es el factor que acopla ambos procesos. donde se supone que el escurrimiento ocurrirá sobre superficies impermeables por ya haber sido descontadas las pérdidas y la infiltración. humedad y conductividad. obtenida de las mediciones realizadas en distintas partes del mundo.. 1987) consiste en ajustes que. Características del Programa En el cálculo de la precipitación efectiva intervienen dos conjuntos de parámetros que definen la abstracción o infiltración en la cuenca. Solución para la Relación entre Paso de Tiempo y el Intervalo de Espacio La aplicación emplea un paso de tiempo fijo. con más o menos parámetros. NETRAIN 3. representan la variación del contenido de humedad con la succión lo mismo que la variación de la conductividad hidráulica con la succión. De esta manera se dispone de la variación real de estos valores en un amplio espectro de suelos de todo el mundo. Celia et al. estos son: las características del suelo (que incluyen las condiciones iniciales de humedad. 1996) para los valores de succión. La variación de esta carga se produce sobre la cuenca en cada intervalo o paso de tiempo debido al escurrimiento hacia puntos de menor cota. para el cálculo computacional. el escurrimiento no se resuelve de celda a celda. el nivel freático y las capas de suelo) y la carga hidráulica sobre el mismo. Al trabajarse con modelos agregados como HEC-1.0 puede modelar períodos continuos de humedecimiento y secado y períodos sin precipitación. es decir. 1980. Dado el paso de tiempo. La carga hidráulica en cada momento está determinada por el bloque de precipitación correspondiente a dicho Δt más la lámina de escurrimiento correspondiente a los bloques de precipitación precedentes. Brooks y Corey. Al ser UNSODA una base de datos discreta. de un minuto. cualquier función para las propiedades hidráulicas de los suelos (por ejemplo. 8 Rev. determinar la precipitación y posteriormente transitarla. En los cálculos que se llevaron a cabo se empleó la altura de la lámina de agua sobre la superficie total de la cuenca. el cual ha demostrado ser lo suficientemente pequeño para representar el proceso de escurrimiento en medios porosos. de Desastres Naturales. Solución para la Función de Infiltración Como es conocido. NETRAIN interpola entre los datos originales para obtener una curva continua de conductividad . 10(1) . La salida de NETRAIN permite obtener el perfil de humedad para cada tiempo y la precipitación efectiva al descontar el agua que se infiltra en el suelo durante el proceso. hasta alcanzar el cauce que la conduzca al punto de aporte. sino que se toman valores promedio. Int. Basándonos en esta simplificación intrínseca del modelo se adoptó en cada Δt el valor de carga correspondiente al bloque de precipitación más los bloques precedentes reducidos por la infiltración sufrida en el período desde que se inició el evento. • NETRAIN 3. permitiendo así calcular la lluvia efectiva evitando entonces métodos aproximados como el de la humedad antecedente (caso del CN corregido en el método del SCS).0 . el programa fija el paso del elemento diferencial en el espacio cumpliendo con la condición de Courant para este tipo de problema. El programa también determina la cantidad de elementos diferenciales y la cantidad de pasos de tiempo que abarcará la simulación para que el usuario pueda evaluar la aptitud de estos valores. tanto para la carga como para las características del suelo. Mediante el empleo de NETRAIN 3.0 se descuentan las pérdidas iniciales y el volumen infiltrado previo al tránsito mediante onda cinemática en HEC-1. Van Genuchten. 1966. Argentina. Esta simplificación es la que permite trabajar con ambos modelos de manera secuencial. Accidentes e Infraestructura Civil.coherente con los resultados de los extensos estudios geotécnicos de los loess de la provincia de Córdoba..El modelo final desarrollado emplea directamente las curvas de UNSODA (Leij et al. Vol.succión y humedadsucción.
Por debajo la profundidad de análisis se supone una condición de borde que permite el drenaje del agua infiltrada. Por este motivo. Condiciones Iniciales y de Contorno Para las condiciones antecedentes de humedad el programa permite emplear un perfil uniforme con un valor de humedad igual al mínimo registrado en UNSODA (condición que se corresponde con una etapa seca del año) o un perfil que varíe linealmente desde un valor dado en la superficie al valor mínimo (condición que se corresponde con una etapa intermedia de humedecimiento).J ) + El parámetro K se forma ponderando el valor de K para las celdas contiguas en el paso de tiempo previo. Partiendo de la ecuación de Richards unidimensionalmente: ⎞ dθ d ⎛ dH = ⎜⎜ K + 1⎟⎟ dt dy ⎝ dy ⎠ (1) donde θ es la humedad. K la conductividad hidráulica y H la succión. K mín). En cuanto a las condiciones de contorno.J ) = θ( I −1.J +1 ) − 2 * H( I −1.J −1 ) ) ( K( I −1. Succión máxima. Empleando directamente los valores de la base de datos de UNSODA se evita realizar este ajuste y se puede independizar de las diferencias existentes entre los diversos modelos. ( K( I −1.J ) + H( I −1. El límite inferior es considerado como la humedad mínima que puede obtenerse de muestras del suelo en condiciones normales. succión y conductividad). luego de haber pasado un largo periodo de tiempo sin ingreso de agua externo.J +1 ) − H( I −1. obteniéndose la siguiente ecuación. Ecuación de Richards en Diferencias Finitas Para posibilitar la resolución numérica del problema en consideración se debe expresar la ecuación que representa el fenómeno en términos de elementos discretos. El tipo de suelo puede escogerse de una tabla en base a apreciaciones del mismo. de Desastres Naturales. lo cual es coherente con la forma usual en que se realizan este tipo de ensayos. si se quiere una función única que las correlaciona para todo el rango de succión del suelo. Int. Humedad de saturación. Humedad mínima. 10(1) 9 . se puede expresar la misma en términos de diferencias finitas.J ) ) (2) * DT − + K* * DT DY * DY DY θ( I . El programa considera el límite superior como los parámetros en la saturación (humedad. la humedad sólo variará dentro de un mismo rango. Este estado de humedad permite considerar la evapotranspiración en la superficie cuando no existe precipitación.J ) ) ( H( I −1. NETRAIN interpola entre los datos originales de UNSODA o de la tabla de datos proporcionada por el usuario para obtener una curva continua de conductividad – succión y humedad-succión. Ésta puede distar bastante de la humedad residual en función de los valores de conductividad que presente cada tipo de suelo en el rango próximo a la sequedad. Vol.En tanto que la conductividad hidráulica puede variar para determinados suelos hasta cinco órdenes de magnitud.J +1 ) − K( I −1. El programa considera la variación espacial para los valores de conductividad hidráulica y succión en la interfase con la superficie ponderando las características de los elementos inmediatamente superiores e inferiores para el paso de tiempo Rev. ésta deberá ser definida y ajustada por tramos para permitir una adecuada representación del fenómeno. el programa considera que en la interfase con la superficie los elementos se encontrarán bajo la carga de la precipitación o bajo un estado tensional que induzca el secado paulatino del suelo para lo cual se considera que cuando no existe precipitación el estado de humedad del suelo en la superficie es el de la humedad mínima. Ksat.J ) ) * DT + * DY DY ( H( I −1.J +1 ) − K( I −1. Para los valores intermedios. perforaciones o estimación de los parámetros extremos (Succión en la saturación. Accidentes e Infraestructura Civil.
Z(6000). OME(6000. Vol.W . A(3. K.tmax.9000). MI DEFINICIÓN DE LAS MATRICES DE TRABAJO H(6000. PF. permite observar en qué lugar se resuelve la ecuación en diferencias finitas dentro de la estructura del programa (Figura 1 a 5). HRES. El diagrama de flujo del modelo final desarrollado (NET-RAIN 3. OP. OME.9000). 10 Rev. M. Int. OMESAT. D. HI(6000. Accidentes e Infraestructura Civil. PE. U. HNAT . HI.B . X. WMIN. PT INTEGER I. H. de Desastres Naturales. N. DY. J.9000). RESOLUCIÓN UNIDIMENSIONAL DEL PROBLEMA DE INFILTRACIÓN EN UN MEDIO POROSO Dt = 1min COURANT ⇒ Dy INICIALIZACIÓN DEFINICIÓN DE LAS VARIABLES DE TRABAJO DOUBLE PRECISION WMAX. PF(6000) NT NY NO GENERACIÓN DE LOS FICHEROS DONDE SE ALOJARÁN LOS RESULTADOS INGRESO DEL TIEMPO DE SIMULACIÓN file='NETINFIL' file='SUCCION' file='OMEGA' file='PE' ¿ ES LA CANTIDAD SUFICIENTE ? SI tmax DATOS INGRESO DE LA PROFUNDIDAD HASTA LA CONDICIÓN DE BORDE INFERIOR NÚMERO DE PASOS DE TIEMPO Y DE ELEMENTOS DE PROFUNDIDAD ymin Figura 1: Diagrama de flujo parte a. KSAT. A. C. K(6000. L.0). 10(1) SIGUIENTE . ymin. PE(6000). DT.9000). OMERES. Los coeficientes de ponderación pueden ser modificados con la calibración a través de valores medidos en campo.previo. Z.1). TS. KRES.
..ANTERIOR INGRESAR PÉRDIDAS INICIALES evapotranspiración.2) PARÁMETROS INICIALES OPCIÓN OME (1.. 93=BUNDOORA LIMO ARCILLOSO 3274 94=GOULBURN ARCILLA 3281 95=GOULBURN ARCILLA 3282 96=GOULBURN LIMO ARCILLOSO 3283 DEFINIDO POR EL USUARIO VARIACIÓN LINEAL GENERAR VECTOR DE HUMEDADES PARA T=0 OME(1. de Desastres Naturales..2) OMERES OPCIÓN GENERACIÓN DEL PERFIL DE HUMEDAD INICIAL DATOS DEFINIDO POR EL USUARIO BASE UNSODA GENERAR ARCHIVO TXT "DEFINIDO POR EL USUARIO" SUCCIÓN HUMEDAD CONDUCT..J) J=0 a NY INGRESO DT PARA CADA BLOQUE DE PRECIPITACIÓN U INGRESAR HUMEDAD SUPERFICIAL MI DATOS ABSTRACCION DE LAS PÉRDIDAS INICIALES DEL VECTOR PRECIPITACIÓN RESOLUCIÓN DE LA MATRÍZ DE HUMEDADES OME (i... ESCOGER EL CÓDIGO DEL SUELO REPRESENTATIVO 1 -4=DEFINIDOS POR EL USUARIO 5=TROUP ARENA LIMOSA 1010 6=TROUP ARENA LIMOSA 1011 7=TROUP ARENA LIMOSA 1012 8=TROUP ARENA LIMOSA 1013 9=QUINCY ARENA 1240 10=QUINCY ARENA 1241 .. Figura 2: Diagrama de flujo parte b. retenciones en follaje.J) J=0 a NY PARÁMETROS DE SUELO A EMPLEARSE (TABLA A) DATOS SIGUIENTE a. retenciones en depresiones.. Accidentes e Infraestructura Civil. etc W ESCOGER EL CÓDIGO DEL SUELO REPRESENTATIVO INGRESAR HUMEDAD SUPERFICIAL OME (1. ... Rev.J) PARÁMETROS DE CALIBRACIÓN A B C SIGUIENTE Figura 3: Diagrama de flujo parte c. ... 10(1) 11 ... Vol. Int...... ANTERIOR PERFIL DE HUMEDADES INICIAL OME(1.
Int.j) Y=NY SIGUIENTE SE CALCULAN LOS PARÁMETROS PRECEDENTES f(OME(i-1.j)) + VALORES BORDE INF.j) ⇒ PERFIL INICIAL OME(i. Vol. ANTERIOR MATRIZ DE HUMEDADES OME(i.j) H(i. de Desastres Naturales.j)) SE CALCULAN LOS PARÁMETROS PRECEDENTES f(OME(i-1.ANTERIOR T=0 TABLA A T=1 1<T<DURACIÓN PRECIPITACIÓN T>DURACIÓN PRECIPITACION Y≠NY Y=NY Y≠1 y Y≠2 Y≠NY Y=2 Y=NY SE CALCULAN LOS PARÁMETROS PRECEDENTES f(PERFIL INICIAL) SE CALCULAN LOS PARÁMETROS PRECEDENTES f(PERFIL IN)+VALORES BORDE INFERIOR SE CALCULAN LOS PARÁMETROS PRECEDENTES f(OME(i-1.j))+VALORES BORDE INFERIOR OME(0. Accidentes e Infraestructura Civil.j) Figura 4: Diagrama de flujo parte d. + VALORES BORDE SUP. Calibración El programa admite una calibración numérica o general asociada a la forma en que interviene cada elemento diferencial en la formación de su subsiguiente y otra particular que será posible realizar mediante el ajuste de los 12 Rev. BLOQUE DE PRECIPITACIÓN CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN EFECTIVA PRECIPITACIÓN EFECTIVA FIN Figura 5: Diagrama de flujo parte e.j)) PARÁMETROS PRECEDENTES f(OME(i-1. Y≠NY K(i. 10(1) .j) i=0 a NT j=0 a NY CÁLCULO DE LA LÁMINA NETA INFILTRADA PARA EL PASO Dt CÁLCULO DE LA LÁMINA NETA INFILTRADA PARA EL PASO U.
Para acoplar las ecuaciones de onda cinemática y Richards el esquema de cálculo que se utilizó es el siguiente: dado un hietograma y los datos de la cuenca. Con el hietograma efectivo (descontadas las pérdidas) ingresa a la subrutina de onda cinemática (FDKRUT). en el cálculo de la precipitación efectiva intervienen dos conjuntos de parámetros que definen la abstracción o infiltración en la cuenca: las características del suelo y la carga hidráulica sobre el mismo. retenciones en follaje. que se puede calcular como: f= Δ ∑ θ Δt ∑ θ t+Δt (h) . Para la resolución del problema secuencial de cálculo se empleó la altura de lámina de agua precipitada sobre la superficie de la cuenca la cual. para obtener finalmente el hidrograma a la salida de la cuenca. El perfil de humedad del suelo para cada paso de tiempo se obtiene de la solución de la ecuación de Richards. para que éste represente el fenómeno de manera más acorde a lo observado en la realidad. como se mencionó. hasta una profundidad aproximada de 1 metro. Vale decir que la calibración general (modo en que interviene cada elemento diferencial en la formación de su subsiguiente) se puede realizar interviniendo directamente en su código fuente. 10(1) 13 . primero se descuentan del hietograma las pérdidas iniciales (evapotranspiración. En este caso en particular esta calibración se llevó a cabo comparando los perfiles de humedad resultantes a una serie de perfiles medidos. Luego obtiene el hietograma efectivo en función del método escogido para su cálculo. La salida final de NETRAIN 3. Int.0 permite obtener el perfil de humedad para cada intervalo de tiempo (archivo OMEGA) y la precipitación efectiva descontada el agua que se infiltra en el suelo durante el proceso (archivos PE y PF).∑ θ t (h) = Δt Δt (3) donde θ ( t + Δt) es la humedad en el tiempo (t + Δt) y θ es función de h. en la subrutina INPUT4.). Vol. Consideraciones para Realizar la Solución Conjunta y Secuencial del Escurrimiento Superficial y Subterráneo En el esquema clásico para la resolución del proceso de transformación lluvia–caudal utilizando onda cinemática se parte de un hietograma y los datos de la cuenca y se descuentan primero las pérdidas. realiza el descuento de las pérdidas iniciales del hietograma. Luego en el proceso de escurrimiento superficial es necesario introducir la tasa de infiltración (f). La calibración numérica o general puede llevarse a cabo comparando perfiles de humedad observados sobre suelos con parámetros cabalmente determinados y los obtenidos de la modelación. En estas mediciones se observó que para precipitaciones normales el frente de humedecimiento llega luego de la precipitación. para lo cual se necesitan conocer las funciones hidráulicas del suelo de la cuenca o las propiedades hidráulicas de los mismos. obteniendo el hietograma de lámina efectiva. de Desastres Naturales. En las zonas periféricas de la cuenca la lámina estará siempre constituida por el bloque de precipitación correspondiente al propio Δt. se relaciona directamente con el escurrimiento a través de la ecuación de onda cinemática y con la infiltración a través de la ecuación de Richards. Argentina. retenciones en depresiones. Posteriormente se utiliza un esquema de diferencias finitas. Procedimiento para el Cálculo Secuencial de Escorrentía y Perfiles de Suelo Como se expresó. Rev. La calibración particular afecta los parámetros intervinientes y no el algoritmo de resolución ajustando el input y el output del modelo con valores observados. luego de realizar la lectura de datos del archivo de ingreso. la misma será factible donde se posean datos de precipitación y caudales. HEC-1. Accidentes e Infraestructura Civil. Por el contrario en las zonas bajas de la cuenca la carga hidráulica sobre la superficie del suelo se encontrará formada por el bloque precipitado más los escurrimientos directos de los bloques precedentes asociados. debido a que no existirá (o será despreciable) la lámina aportada por los bloques asociados. de acuerdo a los estudios de suelos realizados en el loess de Córdoba. por lo que esta variable es el factor que permite acoplar ambos procesos. En cuanto a la calibración particular.parámetros del suelo modelado o de las condiciones antecedentes de humedad.
57 1. realizar la determinación del escurrimiento superficial considerando el proceso de infiltración a través de la ecuación de Richards en diferentes cuencas. En los datos registrados se establece que la napa freática se encontraba a 12 metros de profundidad. Arcilloso. Los datos de precipitación se obtuvieron mediante un pluviómetro digital Tecmes Modelo TS220. Bien de humedad. Vol.00 Clasificación SUCS ML CL 2. He(i) en el tiempo i. Accidentes e Infraestructura Civil.75 Densidad seca (gr/cm3) 1. En la Tabla 3 se presentan los resultados de precipitación efectiva. Argentina. como también los hidrogramas observados fueron proporcionados por la Facultad de ingeniería y Ciencias Hídricas (FICH) de la Universidad Nacional del Litoral de Argentina (Pedraza et al. El primer evento se utilizó para la calibración de los parámetros y con el segundo evento se compararon los resultados obtenidos de esta modelación con valores registrados. con intervalo de medida de 1 minuto. La cuenca total tiene una superficie aproximada de 200Ha. adaptando los ficheros de entrada y compatibilizando las variables utilizadas. La pendiente media de la cuenca es de 0. ambas en Argentina.. Aplicación de la Metodología en una Cuenca de Santa Fe (Argentina) Para verificar la aplicación del procedimiento de acoplamiento de ambos procesos se utilizó la cuenca de Guadalupe al noroeste de la ciudad de Santa Fe en la provincia de Santa Fe. Tabla 1: Parámetros del suelo (Fabrizzi. Arcilloso.62 1. En este caso se lo hará con HEC-1.00 – 4. y HT (i) es la carga en el tiempo i en la ecuación (2) para x igual a cero que corresponde a la lámina de lluvia precipitada en el intervalo. 14 Rev. Se comparan los resultados con los valores medidos en campo (que se utilizaron anteriormente con el programa NETRAIN) y con los calibrados con modelos clásicos de la hidrología.11 1. Humedad gravimétrica (%) 22. Se describen dos casos donde se aplicó la metodología clásica para la determinación de la escorrentía superficial y la metodología propuesta para la determinación simultánea de los distintos perfiles de humedad y el escurrimiento superficial. Muy Compacto. Arcilloso.43 Los datos empleados para la modelación se sintetizan en la Tabla 2 donde DT es el intervalo de tiempo del hietograma que puede no coincidir con el tiempo para el cual se calculan los perfiles de humedad. Bien de Humedad. 2003). sobre el cual es posible realizar el acople de este programa como una subrutina.20 – 2. es decir. Los parámetros de suelo obtenidos de ese estudio se presentan en la Tabla 1. Profundidad (m) 0.0004 y el porcentaje de área impermeable es 37%.Los valores de precipitación efectiva podrán ser cargados a cualquier modelo con el que se pretenda realizar tránsitos de flujos sin la necesidad de considerar mecanismos de infiltración o pérdidas. y en la cuenca del Río Negro. Los caudales en la sección de salida se calcularon a partir de niveles de agua registrados y de una curva de descarga (altura-caudal) ajustada en base a aforos líquidos. 2003).52 21. Los datos de las precipitaciones.97 24. de Desastres Naturales. Compacto. APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA EN DIFERENTES CASOS A continuación se muestran los resultados de aplicar la metodología propuesta. Se aplicó la metodología en la cuenca de Guadalupe en Santa Fe.30 – 1.00 – 3. Int. 10(1) . El perfil del suelo de la zona y el nivel de la freática en la época de ocurrencia de las tormentas se definieron por los estudios realizados por la Universidad Nacional del Litoral (Fabrizzi.66 28.20 1. Compacto. características de la cuenca.00 CL 3. 1996). Blando algo húmedo.00 CL Descripción Limoso. Se seleccionaron dos eventos: 28 de abril de 1995 y 30 de enero de 1996.
Vol.00 HT (11) (mm) 0.00 HT (12) (mm) 0.438 Humedad Superficial 0.081 Perdidas Iniciales (cm) 0.00 He(1) (mm) 0.50 Total (mm) 5.00 HT (4) (mm) 1.50 HT (8) (mm) 1.00 Rev. 30 de enero de 1996 DATOS DE INGRESO SALIDA DEL PROGRAMA Tiempo de simulación (hs) 6. Parámetros de ingreso. 30 de enero de 1996 Tabla 3.389 Cantidad de bloques de lluvia 12 He (7) (mm) 1.50 He (8) (mm) 0.50 He (12) (mm) 0. 10(1) 15 .50 Total (mm) 16.00 Código del tipo de suelo 11 He (3) (mm) 1.00 HT (2) (mm) 1.50 He (9) (mm) 0.Tabla 2. de Desastres Naturales.414 DT del bloque de lluvia (min) 5 He (6) (mm) 2.50 HT (10) (mm) 0.35 He (4) (mm) 0.00 HT (3) (mm) 3.00 HT (9) (mm) 0.00 HT (5) (mm) 1.68 HT (7) (mm) 2.50 He (11) (mm) 0. de simulación (cm) 1200 He (2) (mm) 0. Int. Salida del programa.362 HT (1) (mm) 0. Accidentes e Infraestructura Civil.30 He (5) (mm) 0.00 HT (6) (mm) 3.00 He (10) (mm) 0.00 Prof.
PEFILES DE HUMEDAD .26 0.En la Figura 6 se observan la precipitación registrada y la precipitación efectiva obtenida con el modelo desarrollado.18 0.EVENTO 30/01/96 HUMEDAD (m3/m3) 0. 10(1) .32 0.500 0. Los valores obtenidos muestran que luego de 2 horas. Int. Accidentes e Infraestructura Civil. Vol. 16 Rev.22 0.3 0.500 1. Estos valores son compatibles a los resultados obtenidos de observaciones de campo para estos tipos de suelos.000 0.2 0.000 2.16 0 0.000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 TIEMPO (MIN) LLUVIA NETA (MM) LLUVIA TOTAL (MM) Figura 6: Precipitación registrada y la precipitación efectiva efectiva obtenida con el modelo desarrollado.500 2. el frente de humedecimiento se encuentra a 60 cm de profundidad. LLUVIA 30/01/96 3.24 0.000 1.34 50 1 min 5 min 10 min 15 min 20 min 25 min 30 min 45 min 50 min 60 min 100 min 150 min 200 min 300 min 400 min 100 PROFUNDIDAD (cm) 150 200 250 300 350 400 450 500 Figura 7: Perfil de humedad correspondiente al evento del 30/01/96. de Desastres Naturales.500 LAMINA (MM) 3. En la Figura 7 se observan los perfiles de humedad para distintas duraciones desde el comienzo de la modelación.28 0.
000 0. Observado Simulado Diferencia Caudal Pico: 1.3% HIDROGRAMA . permeabilidad moderadamente lenta.EVENTO 30/01/1996 1. Rev.6% inferior al registrado. El caudal pico determinado con el hietograma efectivo obtenido con esta modalidad es aproximadamente un 3. El tiempo al pico supera al registrado en un 6. Se trata de un suelo ganadero con pasturas naturales permanentes. 10(1) 17 . Tabla 4: Parámetros de comparación para la simulación del 30 de enero de 1996. Accidentes e Infraestructura Civil. Argentina (Figura 9).25 h 1. de Desastres Naturales. con vegetación de pajonal y perfil arcilloso.600 1.Un resumen de los valores obtenidos por la modelación y los observados. drenaje muy pobre. el suelo de la zona es “Bajos Tendidos” (abiertos). Existen problemas de escurrimiento lento.5 km2.200 580 555 530 505 480 455 430 405 380 355 330 305 280 255 230 205 180 155 130 105 80 55 30 5 0.600 0. inundable.4% y el volumen difiere en aproximadamente el 3%.4% Volumen escurrido: 10664 3 m 3 10700 m 0. Según la Secretaría de Minería de la Nación (2009).31 m3/s -3.200 1. y las diferencias en porcentaje entre ellos para el evento del 30 de enero de 1996 se presentan en la Tabla 4 y en la Figura 8. Vol.6% Tiempo al Pico: 1.800 0. Aplicación de la Metodología en una Cuenca de Río Negro (Argentina) Otro de los casos donde se utilizó la metodología fue en una cuenca del Río Negro. La misma se denomina Laguna Blanca (cuenca 1) y se ubica en la cuenca inferior del Río Negro al noroeste con superficie de 157.400 0. Estos valores demuestran un excelente ajuste.33 h 6. y poca profundidad efectiva para la penetración de raíces. provincia de Chaco.359 m3/s 1.400 CAUDAL (M3/S) 1. Int.000 TIEMPO (MIN) Caudal Registrado Caudal calculado Figura 8: Hidrograma registrado y calculado con la nueva metodología propuesta para el evento del 30/01/95.
Figura 9: Cuenca del Río Negro. SUPCE (Sub Unidad Provincial de Coordinación para la Emergencia) AFIN (Asociación de Apoyo a la Facultad de Ingeniería de la UNNE. 10(1) . Accidentes e Infraestructura Civil. provincia de Chaco. Vol. intervalos con y sin precipitación. 1999). además se presenta la precipitación efectiva obtenida de la calibración realizada por SUPCE con el método del SCS. Etapa II. de Desastres Naturales. En la Figura 10 se presentan la precipitación total y efectiva obtenida con NETRAIN. El registro presenta. PRECIPITACIÓN RIO NEGRO LAMINA (MM) 25 20 15 10 LLUVIA NETA S/SCS (MM) LLUVIA NETA S/NETRAIN (MM) 3360 3060 TIEMPO (MIN) 2760 2460 2160 1860 1560 1260 960 660 360 0 60 5 LLUVIA TOTAL (MM) Figura 10: Comparación entre la precipitación registrada con la efectiva obtenida con el modelo desarrollado. Int. 18 Rev. Se trabajó con la modelación presentada en el Informe Final. Plan de Manejo Pluvial para la cuenca inferior del Río Negro dentro del Área Metropolitana del Gran Resistencia. Para la modelación se consideró el registro de precipitación que comienza el día 13 de abril de 1998 y termina el día 16 de abril (Total de horas de registro: 87 horas). durante ese período.
25 0. Int. y se observa el descenso del frente de humedecimiento hasta llegar a 80 cm de profundidad a las 5 horas. Puede inferirse del gráfico comparativo que la metodología propuesta se aproxima en sus resultados al del SCS cuanto más distanciados se encuentran los picos de precipitación. de Desastres Naturales. Seguidamente se grafican los hidrogramas simulados con cada método de abstracción (Tabla 5 y Figura 12) Tabla 5. PEFILES DE HUMEDAD HUMEDAD (m3/m3) 0. Simulado SCS Caudal Pico: 24. Vol.3 0. Esto se debe claramente al efecto de las condiciones antecedentes de humedad en el perfil del suelo. lo cual podría ser valorado en la metodología el SCS realizando distintas simulaciones y ajustando los valores del CN para cada uno de ellas.La lámina efectiva total determinada por la metodología propuesta excede en un 16% a la obtenida con la metodología del SCS con una marcada diferencia en los primeros bloques. A continuación se presenta una comparación de los resultados de la modelación considerando el hidrograma unitario y el método de onda cinemática para el tránsito en cauce y en ladera.4 0 20 1 min 5 min 10 min 15 min 20 min 25 min 30 min 45 min 50 min 60 min 100 min 200 min 300 min 400 min 500 min 40 PROFUNDIDAD (cm) 60 80 100 120 140 160 180 200 Figura 11: Perfil de humedad correspondiente al evento. junto con la diferencia en porcentaje entre ambos. 1999). Para realizar la transformación lluvia – escorrentía se empleó el hidrograma desarrollado por AFIN (Asociación de Apoyo a la Facultad de Ingeniería de la UNNE.2 0.35 0. En la Figura 11 se grafica el frente de avance del perfil de humedad para las condiciones impuestas.9 % Rev. 10(1) 19 . aumentando la humedad del suelo.69 3 m /s Diferencia 2.97 3 m /s Simulado NET-RAIN 25. Accidentes e Infraestructura Civil. Resultados obtenidos por el métodos de abstracción SCS y con NETRAIN.
Para varios tipos de suelo en condiciones naturales. Mediante este programa. sin ser esto una ley general. a la vez de unificar el procedimiento para la determinación de la precipitación efectiva. se desarrolló la aplicación NETRAIN. de Desastres Naturales. En general se sobrepone el proceso de retención sobre la conducción a medida que el suelo se seca. En función de los modelos previamente desarrollados pueden inferirse las siguientes conclusiones: 20 Rev. cuando el rango de variación de la succión o la conductividad se desarrolla a través de distintos órdenes de magnitud. NETRAIN 3. Además. en tanto que para valores inferiores. utilizando el modelo de infiltración de Richards. La mayoría de los suelos en condiciones próximas a la saturación favorecen el mecanismo gravitacional de ingreso y conducción del agua. 10(1) . Vol. en forma independiente. Para subsanar estos inconvenientes. en muchas ocasiones los parámetros requeridos por estas funciones no se encuentran disponibles o no se posee mayor información que el sólo conocimiento del tipo y estado prima facie del suelo en el área. El mecanismo de infiltración difiere considerablemente con las condiciones antecedentes de humedad. adicionalmente. se pudo comprobar la importancia de una buena estimación de las condiciones antecedentes de humedad en el suelo. NETRAIN 3.0 incorpora en el código HEC-1 una opción que permite el cálculo de la infiltración. La salida de NETRAIN permite obtener el perfil de humedad para cada tiempo y la precipitación efectiva al descontar el agua que se infiltra en el suelo durante el proceso. resolviendo la ecuación de Richards bajo las condiciones muestreadas en la zona. tras simular numerosos eventos. la capilaridad y las fuerzas de interacción entre partículas hacen impredecible cualquier pronóstico sin considerar la microestructura del suelo. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES El uso de funciones hidráulicas posee ciertas limitaciones porque no pueden abarcar todo el rango de humedades que sufre el suelo. la base UNSODA reveló variaciones en los valores de conductividad que son difíciles de representar por una única función hidráulica y menos aún ser estimados de manera expeditiva (cambios abruptos en los valores de conductividad. siendo esta condición un parámetro significativo en el momento de cualquier determinación.COMPARACIÓN DE HIDROGRAMAS 50 45 CAUDAL (M3/S) 40 35 30 25 20 15 10 5 4380 4200 4020 3840 3660 3480 3300 3120 2940 2760 2580 2400 2220 2040 1860 1680 1500 1320 960 1140 780 600 420 240 60 0 TIEMPO (MIN) Caudal c/abstracción s/SCS Caudal c/abstracción s/NETRAIN Figura 12: Comparación de los hidrogramas obtenidos con ambas metodologías. Accidentes e Infraestructura Civil. Int.0 involucra el efecto de la humedad antecedente y la humedad del suelo asociada. se realizó un archivo que lista el perfil de humedad del suelo a través del tiempo. definir el perfil de humedad inicial y la tasa de infiltración para cada periodo de tiempo con lo que se puede computar la precipitación neta. valores sostenidos para extensos rangos de succión). es necesario representar esta variación mediante funciones por tramos y.
RECOMENDACIONES Sería recomendable realizar ensayos para determinar los perfiles de humedad en cuencas experimentales durante eventos de precipitación que generen escorrentías superficiales. Para el empleo del modelo NETRAIN 3. Vol. Para obtener una mayor exactitud sería conveniente realizar mediciones de humedad en el suelo conjuntamente con las mediciones del escurrimiento superficial. sobre todo cuando se busca representar el comportamiento observado del frente de humedecimiento mediante el proceso de acoplamiento de las ecuaciones de escurrimiento superficial e infiltración. La falta de definición de las curvas para los ciclos de histéresis genera problemas en los estudios de infiltración. Además con este conocimiento se puede determinar la recarga de los acuíferos. Esta desventaja es sólo aparente dado que los parámetros pueden ser estimados de ensayos de suelos estándar o incluso de curvas granulométricas (Reyna. previa calibración del modelo. como ya se mencionó anteriormente. de Desastres Naturales. En las simulaciones de larga duración este punto cobra particular significación. m y n donde en general el parámetro m se considera igual a 1-1/n. con el fin de poder determinarse cuál sería el suelo que represente de manera adecuada el Rev. Esta dificultad es superada con el desarrollo del modelo NET-RAIN 3. cuya duración es más prolongada que otros casos estudiados. • La principal desventaja de la aplicación de Richards para el cálculo de la infiltración es vista como el aumento en el número de variables con respecto a las utilizadas por el Método del SCS . Este conocimiento permite determinar la capacidad disponible de humedad en el suelo para las actividades agronómicas y es una herramienta importante en el estudio del transporte de contaminentes. Accidentes e Infraestructura Civil. Además para poder realizar la modelación es necesario definir las condiciones iniciales del suelo. • Donde se poseía información de caudales la diferencia obtenida con los valores registrados. sería recomendable realizar mayores mediciones en suelos para los tramos de humedecimiento y secado.• Se puede apreciar que el método propuesto posee la versatilidad suficiente para representar de forma ajustada cualquier evento y su respuesta asociada (eventos extremos y simulaciones continuas). Como los suelos presentan un fenómeno de histéresis con respecto al flujo de agua. Carsel y Parrish 1988) y la base de datos de UNSODA que es de dominio público. la conductividad hidráulica y los parámetros α. el número de parámetros del SCS-CN no es solamente uno (el CN) sino diferentes valores definidos para distintas condiciones de humedad antecedente. Hay que recordar también que. en general se observa que para las modelaciones de eventos de menor duración el método propuesto arroja valores levemente superiores en comparación con los obtenidos utilizando onda cinemática . Las mediciones realizadas permitirán una representación adecuada de las propiedades hidráulicas durante estos ciclos. El número de parámetros necesarios para definir las curvas de humedadsucción y conductividad-succión para diferentes tipos de suelo y para el modelo de Van Genuchten son las humedades de saturación y residual.SCS.0 que incluye en su estructura esta última base de datos. en particular las relacionadas con los parámetros hidráulicos de los suelos que permiten determinar las funciones hidráulicas para la modelación del flujo en medios porosos.0 debería contarse con un perfil estratigráfico en distintos puntos de las cuencas de análisis. de precipitación y evaporación. se encuentra en el rango de incertidumbre de los parámetros intervinientes. • A pesar que la multiplicidad de factores que intervienen en cada simulación puede afectar de manera particular los resultados obtenidos. Int. Finalmente el uso de la metodología descripta en este trabajo propone un modelo que considera las condiciones de humedad del suelo de manera continua respondiendo a la necesidad planteada con énfasis por numerosos investigadores en la última década.CN. • Las condiciones antecedentes de humedad mostraron ser un patrón determinante en el comportamiento del suelo ante cualquier evento y así en la determinación de la precipitación efectiva. Además existen tablas que permiten establecer parámetros de referencia de suelos para la determinación de las funciones hidráulicas de suelos (Rawls et al. En la modelación del Río Negro. 10(1) 21 .. el efecto del humedecimiento inicial se aprecia de forma más clara al comparar los picos de lluvia efectiva determinados con el SCS y con NETRAIN. 2000). 1982. Los resultados obtenidos para el escurrimiento superficial son aceptables y la metodología además da información complementaria de los perfiles de humedad.
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