TÉCNICAS GEOMÁTICAS PARA ANÁLISIS DE TORMENTAS DE DISEÑO EN CUENCAS ALUVIONALES DE CATAMARCA Victor Hugo Burgos – Ana Paula Salcedo Instituto Nacional del Agua – Centro Regional Andino (INA – CRA) - Belgrano (O) 210. Mendoza - 0261 4288005 -
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Introducción En este trabajo se presenta la metodología para la determinación y análisis de tormentas de diseño, utilizadas en la modelación hidrológica de las cuencas de los ríos El Tala y Paclín en la provincia de Catamarca.
estimó una curva promedio con la función asociada a la misma (Figura 1).
El presente estudio formó parte de un trabajo de asistencia técnica en el marco de un Convenio entre el INA y la Secretaría de Recursos Hídricos provincial, cuyo objetivo fue delimitar áreas de riesgo hídrico en los ríos indicados. La cuenca del río Paclín tiene una superficie de 870,4 Km², un desnivel de 1629 m y pendiente media del 1.7%. Por su parte, la cuenca del río El Tala llega a los 280.7 Km², con 3932 m de desnivel máximo y pendiente media del 7%.
Objetivos El objetivo de la publicación es exponer la metodología empleada en el análisis espacial de la tormenta de diseño, y presentar algunos resultados.
Materiales y Métodos Para la trasformación lluvia–caudal se utilizó el modelo hidrológico Arhymo (Maza et al, 1993). La caracterización de las cuencas, y su análisis espacial de variables de infiltración y morfometría se llevó a cabo siguiendo la metodología descripta en Burgos (2005, 2008). Con el propósito de utilizar la información pluviométrica de las estaciones ubicadas en la zona del estudio, se determinó una metodología para obtener curvas IDF (IntensidadDuración-Frecuencia) que emplea análisis regional de frecuencias y modelos de escalamiento temporal con exponente variable en función de la elevación del sitio (Yu et al., 2004).
Figura 1.- Curvas de decaimiento espacial de tormentas históricas.
Respecto a la forma de la isohieta patrón no se encontraron evidencias de regionalización, por lo que se decidió utilizar isohietas patrones elípticas (Chow et al., 1994), utilizando en su conformación la ecuación que representa el abatimiento areal. Posteriormente se ubicó la tormenta de diseño en distintas posiciones, hasta encontrar la posición crítica, en función de los caudales de excedencia pluvial generados a cada salida de cuenca, para recurrencias que van desde los 2 hasta los 200 años. En Figura 2 se observan las cuencas bajo estudio, y las siete posiciones seleccionadas en las cuencas y el decaimiento espacial porcentual.
Para el análisis de las intensidades diarias máximas anuales, se utilizó el método regional de frecuencias, propuesto por Hosking y Wallis (1997), basado en los momentos L (Hosking, 1986, 1990) que utiliza el concepto de curvas adimensionales de frecuencia del índice de crecientes, cuya denominación se debe a su aplicación al análisis de frecuencia de caudales extremos máximos. Se contó con información de precipitación diaria de 17 estaciones pluviométricas distribuidas en la región que cubren un área aproximada de 2300 km2, las cuales en promedio poseen 30 años de registro. Estas estaciones son operadas por la Secretaría de Recursos Hídricos de la provincia de Catamarca. Del análisis de la serie temporal de datos, se identificaron las 14 tormentas más importantes teniendo en cuenta el monto total precipitado. La obtención del decaimiento o abatimiento espacial se basó en técnicas de geoprocesamiento en un entorno de sistemas de información geográfica (SIG). A partir de métodos de interpolación se generaron grillas por cada tormenta histórica, cuya extensión incluye las dos cuencas bajo estudio. A través de una tabulación cruzada entre las grillas de cada tormenta y una poligonal definida como el área mínima de cobertura de las estaciones, se obtuvo la superficie de cada franja porcentual de precipitación. Finalmente se graficaron las curvas de decaimiento espacial de las tormentas seleccionadas, y se
Figura 2.- Posiciones de tormentas de proyecto
Con esta metodología se generaron 49 escenarios de análisis (7 recurrencias por 7 posiciones de tormentas), y por medio de tabulaciones cruzadas se obtuvieron los hietogramas individuales por subcuenca, que ingresaron al modelo hidrológico Arhymo, permitiendo establecer el punto crítico de ubicación del núcleo de tormenta.
Para establecer las curvas IDF, en cada una de las 17 estaciones se calculó el valor del exponente de escalamiento temporal (β) y la intensidad de precipitación en 24 horas (I24H). Este dato puntual, se interpoló dentro del SIG a fin de obtener una grilla continua de valores de estas variables. El método de interpolación utilizado fue un Co-Kriging el cual permite incluir dos variables, la principal (β o I24H) y una secundaria que refuerza la primera. En este caso se utilizó la topografía, a través de conjunto de puntos del modelo digital de elevaciones, tomados al azar. Utilizando las grillas interpoladas, se estimó en cada núcleo de tormenta los valores de β e I24H, con el objeto de generar la curva IDF, y determinar para cada recurrencia la lámina total de precipitación. Se calcularon valores de 40,2 mm hasta 144,3 mm. Teniendo en cuenta el análisis de antecedentes, (CFIINCYTH, 1994; Maza et al, 2012) la duración de la tormenta se estableció en 3 horas, y el intervalo de tiempo fue de 10 minutos. La distribución temporal de la tormenta se basó en el método de Chicago. Luego, siguiendo el porcentaje de reducción areal por subcuenca, se discretizó temporalmente cada lámina total en núcleo, en función del hietograma patrón. De esta forma, para cada subcuenca, se obtuvo el hietograma por recurrencia y por posición de núcleo de tormenta, generando por lo tanto: 7 recurrencias x 4 núcleos x 33 subcuencas (para el caso de la cuenca del río Paclín) + 7 recurrencias x 3 núcleos x 10 subcuencas (para la cuenca de El Tala), dando un total de 1134 hietogramas que ingresaron al modelo hidrológico Arhymo.
Evaluación de Resultados Como consecuencia de este análisis se obtuvieron los hidrogramas de crecidas para las diferentes hipótesis de posición de tormenta de diseño, evidenciando la situación más crítica. En Tabla 1 se indican los caudales pico por recurrencia y para la situación más desfavorable en ambas cuencas. En Figura 3 se presentan los hidrogramas para una recurrencia de 100 años, en la salida del Río Paclín, comparándose visualmente los efectos resultantes de cada posición de la tormenta de proyecto. Tabla 1.- Caudales máximos de crecida [m³/s] para tormenta crítica. Cuenca TR2 TR5 Tala 130.6 264.9 Paclín 99.3 214.8
TR10 374.3 307.7
TR20 486.7 409.1
TR50 650.4 552.8
TR100 777.2 666.4
TR200 909.6 790.1
Para la cuenca del Paclín, la condición más crítica es con un escenario con tormenta en posición III, ubicada en la zona aluvional al norte de la cuesta del Portezuelo, cuyos drenajes cruzan la RN38 por puentes alcantarillas de considerable dimensión, generando una crecida del orden de los 666 m³/s a la confluencia con el Río del Valle, para una recurrencia de 100 años. Cabe mencionar que debido a la posición del núcleo y a la disposición longitudinal de la cuenca, las subcuencas al norte de Amadores no aportan al escurrimiento. Luego, un escenario de tormenta ubicada en la cabecera (San Antonio) produce un escurrimiento que llega 4 hs desfasado y debido a la amortiguación por tránsito en cauce no supera la condición de escurrimiento producida por una tormenta más cerca del centro de la cuenca. Por último la posición de núcleo de tormenta en cercanías a la descarga produce un hidrograma más rápido pero con menor aporte y escurrimiento.
Figura 3.- Hidrogramas resultantes en función de la ubicación del Núcleo de Tormenta (Cuenca Paclín).
Para la cuenca del Río El Tala, la condición más crítica es con un escenario con tormenta en posición VI generando una crecida del orden de los 777 m³/s a la confluencia con el Río del Valle, para una recurrencia de 100 años. Se destaca que una tormenta ubicada en el centro de la cuenca genera más escurrimiento que las ubicadas en la cabecera y en la descarga, si bien esta última llega más rápido su caudal pico es menor.
Conclusiones Se pone de manifiesto que el uso de estas técnicas geomáticas, le otorgan a la modelación hidrológica concentrada, la posibilidad de incorporar variables de ingreso distribuidas en el espacio; con la consiguiente disminución de incertidumbres en los resultados obtenidos.
Bibliografía Burgos, V. H. (2005): “Modelación Hidrológica de Cuencas Piedemontanas. Uso de SIG en Hidrología Superficial” XX Congreso Nacional del Agua. Mendoza Burgos, V. H. (2008): “Estimación de la distribución espacial del Número de Curva en cuencas piedemontanas del Gran Mendoza aplicando técnicas SIG” en Workshop Internacional de Aplicaciones de SIG en Hidrología, FICH Univ. Nac. del Litoral. Convenio CFI-INCyTH. (1994) “Acta Complementaria Nº1. Estudios Hidrológicos e Hidráulicos en la Cuenca del Arroyo Fariñango”. Provincia de Catamarca. Informe Final, marzo 1994. Chow, V.T., D.R. Maidment, L.W. Mays (1994). Hidrología Aplicada. Ed. McGraw-Hill. Hosking, J. R. M. (1986): “The theory of probability weighted moments”. Research Report RC 12210, IBM Research, Yorktown Heights. Hosking, J. R. M. (1990): “L-moments: analysis and estimation of distributions using linear combinations of order statistics”. Journal of the Royal Statistical Society Series B 52 (2), pp. 105–124. Hosking, J. R. M. y J.R. Wallis, (1997). Regional Frequency Analysis. Cambridge University Press. Maza, J. A., P. M. López, V. H. Burgos (2012) Delimitación de Áreas de Riesgo Hídrico en El Rodeo, Catamarca. IT Nº 145-CRA. Conv. INA-Pcia.Catamarca Maza, J.; L. Fornero; C. Litwin y P. Fernández, (1993). ARHYMO. Manual del Usuario. INCyTH-CRA. Mendoza Yu, P., T. Yang, C. Lin (2004): “Regional rainfall intensity formulas based on scaling property of rainfall”. Journal of Hydrology. 295, 108-123
