CAPITULO 2: HIDROLOGIA GENERAL Conceptos básicos y componentes del Ciclo Hidrológico son desarrollados en este capítulo.

Transcripción

1 1 1. ETAPA CONCEPTUAL Toda obra nace con un fin en la mente. Considerando este concepto, este trabajo no fue la excepción. La idea surgió con la finalidad de presentar los diferentes métodos de cálculo para determinar los caudales hidrológicos que se utilizan en nuestro país, así como también la creación de un programa de computación que sirva como una herramienta para facilitar a los estudiantes y nuevos profesionales en Hidrología, el proceso de cálculo matemáticos que estos métodos conllevan, sin embargo, si solamente se hubieran considerado estos dos aspectos, el estudio se hubiera queda corto y sin algo nuevo que ofrecer. De ahí que, mientras más se investigaba sobre el tema, más razones de peso para desarrollarlo se encontraron, en vista que el medio ambiente se está modificando considerablemente sin la oportunidad de regenerarse positivamente. El agua es el elemento más determinante en la vida de todo ser viviente y su importancia está relacionada con su existencia, ya que le sirve como un líquido vital para su desarrollo, esto dio la pauta para que desde los inicios, el hombre se interesara en el estudio de la misma, porque los cuerpos de agua (Ríos, lagos, lagunas) le proporcionan el vital líquido, además de otro tipo de beneficios tales como medios de comunicación y transporte, recreación, riego de sus cultivos y como fuente de energía; sin embargo, con el correr de los años, el hombre va tomando en cuenta otros factores que empiezan a tomar protagonismo en la relación seres vivos agua. Estos factores se manifiestan como contaminación, escasez y amenaza a la misma integridad humana. Una vez conocidos los antecedentes, el siguiente paso fue adentrarnos en nuestra realidad nacional. Aquí se descubrió que en nuestro país, la relación seres vivos agua se ha ido dejando a un lado, a tal grado que primero viene el deseo de satisfacer una necesidad inmediata y después se estudian las consecuencias que este comportamiento ha derivado como; inundaciones, desbordamientos de ríos, cambios climáticos que hacen incierto el futuro del vital líquido. 1

2 2 Ahora, si a esto le sumamos que en nuestro país, los estudios hidrológicos realizados son escasos ya que en el pasado no se les dio la debida consideración, tenemos una realidad latente, nuestro país y su población carecen del conocimiento del agua y este líquido, indispensable para la vida, ha pasado a segundo plano. Es así como se decide hacer un trabajo que no sólo sirva para educar, sino que también, por medio de profesionales en Hidrología o de carreras afines, concientizar y crear cultura de respeto y conservación de este recurso natural. 2. INTRODUCCION El presente trabajo de graduación consta de cinco capítulos: CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Básicamente es la introducción a todo el trabajo de graduación. Es el Perfil del Trabajo de Graduación corregido y aumentado, logrando extendernos en temas como los antecedentes históricos y realidad nacional, entre otros. En este capítulo encontramos los siguientes apartados: INTRODUCCION. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN DEL TEMA OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN o Objetivo General o Objetivos Específicos LIMITES Y ALCANCES. METODO DE INVESTIGACIÓN. o Método Científico. CAPITULO 2: HIDROLOGIA GENERAL Conceptos básicos y componentes del Ciclo Hidrológico son desarrollados en este capítulo. En detalle, este capítulo consta de las siguientes partes: 2

3 3 HIDROLOGIA GENERAL o Ciclo Hidrológico. o Ecuación del Ciclo Hidrológico. FENÓMENO FISICO DE LA PRECIPITACIÓN o Formas de la Precipitación. o Tipos Básicos de Precipitación. o Mediciones Pluviométricas. Guía para eventualmente construir un pluviómetro. ESCORRENTIA o Medición del Escurrimiento. o Métodos e Instrumentos de Medición. DEFINICION DE CUENCA o Parámetros Geomorfológicos de una Cuenca Superficie. Perímetro. Forma de la cuenca. Sistema de drenaje. Elevación de los terrenos. Divisoria hidrográfica. RIOS Y QUEBRADAS TRIBUTARIAS o Geología del Suelo de la Cuenca. o Vegetación. RELACION LLUVIA ESCORRENTIA. PRECIPITACIÓN PROMEDIO SOBRE UN AREA. REPRESENTACIÓN GRAFICA DE LA PRECIPITACIÓN. HIETOGRAMA. REPRESENTACIÓN GRAFICA DE LA ESCORRENTIA. HIDROGRAMA. o Partes del Hidrograma. o Componentes de un Hidrograma. 3

4 4 CAPITULO 3: ESTIMACIÓN DE CAUDALES PARA OBRAS DE INGENIERIA Trata sobre la aplicación de los conceptos básicos determinados en el capítulo anterior a este, así como también desarrollo conceptual de los métodos propuestos para la Estimación de Caudales. En este capítulo se presenta el programa de computación que sirve para simplificar el cálculo matemático de cada uno de los métodos expuestos. ESTIMACIÓN DE CAUDALES PARA OBRAS DE INGENIERIA o Importancia del Estudio de los Caudales de Diseño. o Factores que Afectan el Caudal Máximo de Diseño. o Parámetros Utilizados para Calcular Caudales Hidrológicos. o Métodos para la Estimación de Caudales de Diseño. Métodos Empíricos Avenidas Históricas. Curvas Envolventes. Formulas Empiricas. Métodos Hidrometerorológicos Fórmula Racional. Metodo de las Isocronas. Hidrograma Unitario. Hidrograma Sintetico. Hidrograma Unitario Triangular. Hidrograma Unitario Adimensional. Curvas S. METODOS DIRECTOS. METODOS ESTADISTICOS Distribuciones de Probabilidad más Usuales. 4

5 5 CAPITULO 4: ANÁLISIS HIDROLÓGICO PARA LA ESTIMACIÓN DE CAUDALES PARA OBRAS DE INGENIERIA En este capítulo se analizan las cuencas propuestas, Microcuenca San Luis y la Cuenca del Río San Pedro, bajo los conceptos antes desarrollados. Se desarrolla el programa de computación que sirve para simplificar el cálculo matemático de cada uno de los métodos expuestos. Este capítulo está estructurado de la siguiente manera: ANÁLISIS DE LA MICROCUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS. o Ubicación y Descripción Geográfica de la Microcuenca de la Quebrada San Luis. o Características Físicas de la Microcuenca de la Quebrada San Luis. o Geología de La Zona. o Cálculo de Parámetros Geomorfológicos de la Microcuenca de la Quebrada San Luis. o Selección de Estaciones Meteorológicas Representativas. o Análisis de la Intensidad Duración Frecuencia de la Estación Meteorológica. o Cálculo del Tiempo de Concentración (Tc). o Cálculo del Coeficiente de Escorrentía (C). o Cálculo de Caudales por medio del Método de la Fórmula Racional. o Cálculo de Caudales por el Método del Hidrograma Triangular. o Resumen de los Caudales Hidrológicos Calculados por Diferentes Métodos para la Microcuenca de la Quebrada San Luis. o Revisión del Dimensionamiento Hidráulico Necesario para Conducir la Avenida de Diseño. ANÁLISIS DE LA CUENCA DEL RIO SAN PEDRO o Ubicación y Descripción Geográfica de la Cuenca del Río San Pedro. o Características Físicas de la Cuenca del Río San Pedro. o Geología de La Zona. o Cálculo de Parámetros Geomorfológicos de la Cuenca del Río San Pedro. o Selección de Estaciones Meteorológicas Representativas. 5

6 6 o Análisis de la Intensidad Duración Frecuencia de las Estaciones Meteorológicas. o Cálculo del Tiempo de Concentración (Tc). o Cálculo del Coeficiente de Escorrentía (C). o Cálculo de Caudales por medio del Método de la Fórmula Racional. o Cálculo de Caudales por medio del Método de las Isocronas. o Cálculo de Caudales por el Método del Hidrograma Triangular. o Calculo de Caudales por medio del Método del Análisis Estadístico. o Resumen de los Caudales Hidrológicos Calculados por Diferentes Métodos para la Cuenca del Río San Pedro. CAPITULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En este Capítulo se presentan las Conclusiones que nacen de desarrollo de este trabajo, así como también las recomendaciones a considerar en un futuro. 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El territorio de El Salvador cuenta con un sistema hidrográfico compuesto de una gran cantidad de ríos y quebradas, y dependiendo de las condiciones climatológicas de lluvia que se presentan, pueden tener comportamientos normales que no afectan la vida del ser humano o anormales que sí la pueden afectar. De ahí que se haga necesario entender los fenómenos que intervienen con el agua superficial, que precisamente se basa en experiencias reales de su comportamiento, para su posterior cuantificación. Uno de los aspectos que se deben considerar son los cauces de los ríos o quebradas, ya que presentan condiciones diversas, dependiendo la zona que crucen, ya que puede ser: poblada o despoblada, forestada, semi forestada o completamente desforestada. Esas y otras variables serán analizadas para dar soluciones y contribuir a minimizar los efectos negativos que provocan las cantidades de agua que circula en el cauce de las quebradas y ríos. 6

7 7 Este trabajo presentará los lineamientos a seguir, a efecto de poder cuantificar la escorrentía superficial por medio de diferentes métodos, lo que nos servirá para posteriores análisis, como por ejemplo el análisis hidráulico y el diseño de las obras de protección requeridas para controlar o conducir los caudales máximos determinados. 4. JUSTIFICACION Esta investigación ha sido motivada, especialmente para presentar una metodología que sirva de referencia para la elaboración de estudios hidrológicos de proyectos de ingeniería que se encuentren en zonas aledañas a cauces de ríos o quebradas. El producto final de este trabajo será una guía que permita a los Ingenieros Civiles dar una respuesta técnica y satisfactoria a uno de los problemas que genera la escorrentía superficial, el cual es la cuantificación de la avenida de diseño. El trabajo de tesis está orientado también a que los Ingenieros Civiles conozcan y respeten el medio ambiente, a fin de no alterar aún más el deteriorado equilibrio ecológico, es decir tomar en cuanta el impacto ambiental que implican los proyectos a desarrollar. Debido a que este trabajo de graduación se basa en la cuantificación de avenida máxima en ríos o quebradas, se le denomina: ANALISIS HIDROLOGICO PARA LA ESTIMACION DE CAUDALES PARA OBRAS DE INGENIERIA. 5. CONCEPTUALIZACION DEL TEMA Este trabajo resume de manera eficiente, los métodos que más se utilizan para la estimación de Caudales para obras de Ingeniería en el país. Además se describe la manera en que el hombre descubre y se familiariza con el fenómeno del agua. El deseo de controlar el comportamiento de la naturaleza desde mucho tiempo antes que naciera la Hidrología como ciencia, y con ello evitar que el ser humano afecte y se vea afectado por la modificación del medio ambiente. 6. OBJETIVO GENERAL, ESPECIFICOS, LIMITANTES Y ALCANCES 7

8 8 Desarrollar el tema ANALISIS HIDROLOGICO PARA LA ESTIMACION DE CAUDALES DE OBRAS DE INGENIERIA implica la aplicación de conceptos hidrológicos existentes y de estudios similares efectuados que servirán de base y de guía para la presente investigación. Por tal motivo, esta investigación tiene como objetivo general: Presentar una metodología para cuantificar la escorrentía superficial que circula en ríos y quebradas, a través de diferentes métodos de escurrimiento para las obras de Ingeniería que se desarrollen en el país. En el siguiente cuadro se muestran los objetivos específicos de la investigación con sus respectivos alcances, limitantes y estrategias a seguir. OBJETIVOS ESPECIFICOS Identificar los beneficios que el desarrollo del tema "Análisis Hidrológico para la estimación de Caudales para Obras de Ingeniería" tiene para el conocimiento del comportamiento del agua superficial. LIMITANTES ALCANCES ESTRATEGIAS La obtención de información, Bibliografía actualizada. Recopilar y seleccionar la información más importante que aporte al desarrollo del tema, un enfoque moderno que se pretende realizar. Desarrollar una investigación confiable y objetiva, a través de la recopilación de información bibliográfica y mediante entrevistas con profesionales que se dedican a estas actividades. Analizar los métodos que actualmente se aplican para la determinación de caudales. La existencia de varios métodos de cálculo que deberán de ser analizados uno por uno. Conocer las características, ventajas y desventajas de cada uno de los métodos. Apoyo en investigaciones anteriores, así como también el de profesionales con experiencia en el área. Seleccionar un río o quebrada para desarrollar los métodos de escurrimiento. Elaboración y Presentación de la clasificación de cada uno de los métodos de cálculo propuestos. Factor tiempo para poder realizar el análisis en el río o quebrada. Factor tiempo para poder realizar la clasificación más adecuada y sencilla de los métodos propuestos. Demostrar que los métodos elegidos, pueden relacionarse con la realidad natural de nuestro país. Presentar los conocimientos adquiridos a lo largo de nuestro trabajo de investigación, y a la vez incorporar los avances tecnológicos. Seleccionar un río y/o quebrada que tenga las características adecuadas para el análisis. Incorporar los avances tecnológicos dentro de nuestro trabajo, así como también los conocimientos adquiridos en la carrera. 8

9 9 Este trabajo está limitado a la elaboración de estudios hidrológicos para el diseño hidráulico de obras de ingeniería que permitan conducir la avenida máxima generada en una cuenca, subcuenca o microcuenca determinada. Como limitante se tendrá la recopilación de las series completas históricas de caudales promedios y máximos. Se realizará una aplicación de los métodos de cuantificación, utilizando una cuenca, subcuenca, microcuenca que tenga las características adecuadas para el análisis, de tal forma que con los resultados obtenidos se pueda realizar su clasificación. Dependiendo de las características de cada uno de los métodos propuestos, se crearán programas de computación prácticos y sencillos que faciliten la operación de los métodos y la obtención de resultados confiables. En este trabajo de graduación no se evaluarán aspectos sobre mecánica de suelos y los efectos que las avenidas máximas harán en las vecindades de los cauces ni se incluirán diseños estructurales de las obras de ingeniería. 7. METODOLOGIA Nuestro trabajo será regido por el Método Científico, el cual nos permite un procedimiento para llevar a cabo una investigación cuyos resultados sean aceptados como válidos. Este método se aplica al desarrollo del tema en cuestión, de la siguiente manera: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA (ETAPA 1): CUANTIFICACION DE CAUDALES. Nuestro problema es la cuantificación de la avenida de diseño para lo cual se propondrán los métodos de cálculo. FORMULACION DE LA HIPOTESIS (ETAPA 2): METODOS A PROPONER, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS METODOS PROPUESTOS, APLICACION DE AVANCES TECNOLOGICOS. 9

10 En esta etapa se mencionarán los métodos a proponer con la finalidad de conocer sus ventajas y desventajas en la cuantificación de las avenidas de diseño así como también se verificará la posibilidad de crear programas de computación sencillos y prácticos. LEVANTAMIENTO DE LA INFORMACION (ETAPA 3): RECOLECCION DE LOS DATOS. Esta etapa será desarrollada mediante la recolección de los datos necesarios para ser utilizados en cada uno de los métodos. ANALISIS E INTERPRETACION DE RESULTADOS (ETAPA 4): ANALISIS DE LOS RESULTADOS. En esta etapa se analizarán y se interpretarán los resultados obtenidos a fin de poder evaluar cada método. COMPROBACION DE LA HIPOTESIS (ETAPA 5): VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS METODOS PROPUESTOS. Una vez desarrollados cada uno de los métodos, se comprobarán las ventajas y desventajas que presentan. Además se creará un programa de computación para la estimación de caudales. DIFUSION DE RESULTADOS (ETAPA 6): CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Vendrá a cerrar el desarrollo de nuestro Trabajo de Graduación y será aquí en donde se establecerán nuestras Conclusiones y Recomendaciones. 8. ANALISIS HIDROLOGICO PARA LA ESTIMACION DE CAUDALES PARA OBRAS DE INGENIERIA 10 Es entendida la necesidad que tiene el Ingeniero de utilizar los métodos descritos para cuantificar el Caudal Máximo que se puede generar en un determinado punto de un río o quebrada, sea esta una microcuenca, una subcuenca o una cuenca, por determinados fenómenos meteorológicos y debido a un área de recogimiento. 10

11 11 Además se sabe la importancia que el método o los métodos tienen para desarrollar obras de ingeniería, y con ello resguardar vidas humanas y sus pertenencias, que se desarrollan cerca de los cauces de los ríos y quebradas. De ahí que se requiera que el método escogido sea simple pero con una gran valoración de todos los aspectos inmersos dentro de una región, sea esta una microcuenca, una subcuenca o una cuenca de un río o quebrada. Adicional a ello, un factor que apoya los diseños de Ingeniería son las computadoras, en el entendido que es una herramienta que nos facilita la elaboración de los procesos de cálculo, no así el razonamiento que debe tener el ingeniero, para que las obras que resulten de los diseños sean adecuadas, tanto en la función que van a desempeñar como en su economía. Por todo lo anterior, la selección del método que nos permita cuantificar el caudal máximo se hará a partir de las condiciones hidrológicas, tomando en consideración, la información hidrometeorológica existente para cada región, así como de sus características físicas. En consecuencia de lo anterior, se seleccionaron 4 métodos de cálculo para evaluar el caudal máximo producido por la lluvia, los cuales son: a.) Fórmula Racional. b.) Método de las Isocronas. c.) Método del Hidrograma Triangular. d.) Análisis Estadístico de Caudales Máximos Anuales. Es importante mencionar que estos métodos fueron escogidos por ser los de mayor utilización en nuestro país, porque describen las condiciones en que se encuentra el área de recogimiento y porque a partir de ellos se pueden elaborar y desarrollar programas informáticos que sean útiles para las actividades del ingeniero. Las cuencas que servirán de base para realizar el Análisis Hidrológico son dos, la Cuenca del río San Pedro, en Sonsonate y la Microcuenca de la Quebrada San Luis en Santa 11

12 12 Tecla, las cuales entre sí son diferentes en muchos aspectos, tales como: área de la cuenca, longitud del cauce más largo, cobertura vegetal, localización de estación hidrométrica en el cauce del río, longitud de registro de datos de intensidades de precipitación, entre otros. Debido que nuestra intención es realizar una comparación entre los resultados obtenidos por la aplicación de varios métodos para la Estimación de Caudales, no tomaremos ciertos conceptos generales que limitan el uso de algunos métodos, como por ejemplo: Que la fórmula Racional debe aplicarse preferiblemente a cuencas con un área de hasta 2 Km². Con los resultados que se obtengan de cada uno de los métodos pretendemos mostrar las variaciones que tienen los caudales hidrológicos calculados por ellos, así como para los diferentes periodos de retorno. A continuación presentamos cada uno de los Análisis Hidrológicos para las cuencas siguientes: 8.1 ANALISIS DE LA MICROCUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS UBICACIÓN Y DESCRIPCION GEOGRAFICA DE LA MICROCUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS La microcuenca hidrográfica de la Quebrada San Luis, denominada así por estar ubicada en las cercanías de la Finca San Luis, se encuentra localizada en la región central del país, más específicamente en el departamento de La Libertad. Geográficamente está ubicada entre las coordenadas Latitud Norte 13º 36.6 y 13º 50 y Longitud Oeste 89º 47 y 89º 51. La cuenca está delimitada en los rumbos así: Al Norte con la Carretera Panamericana CA- 1. Al Sur con la calle antigua a Comasagua. Al Oeste con los terrenos de la Finca San Luis. Al Este con la Colonia Las Delicias, de Nueva San Salvador. La población urbana inmediata a los límites de la microcuenca es la ciudad de Santa Tecla o Nueva San Salvador hacia el oriente. 12

13 13 El área de recogimiento de la microcuenca de la Quebrada San Luis es de 1.44 Km², siendo afluente de la subcuenca del río Lourdes, que a la vez es afluente de la subcuenca del río Sucio. Cuenta con varios afluentes que son estacionarios. En las cercanías de la Quebrada San Luis se encuentra una estación pluviográfica, denominada Estación Santa Tecla, que tiene el Indice L-8, localizada en la coordenadas Latitud Norte 13º 41.2 y Longitud Oeste 89º 17.3 y a una elevación de 965 m.s.n.m. La microcuenca de la Quebrada San Luis tiene una elevación máxima de 1,182 m.s.n.m. y una elevación mínima en el sitio de estudio (Intersección de la quebrada con la Carretera Panamericana CA-1) de 850 m.s.n.m. Tiene una pendiente media de 21.9 % y una elevación media de 1,016 m.s.n.m CARACTERISTICAS FISICAS DE LA MICROCUENCA DE LA QUEBRADA SAN LUIS Haciendo uso de información en Planos y Cuadrantes, preparados por el IGN, escala 1:5,000, 1:25,000 y 1:50,0000, se procedió a delimitar la Microcuenca Hidrográfica de la Quebrada San Luis (denominada así por encontrarse en las cercanías de Finca San Luis), que desciende desde la calle antigua a Comasagua hasta interceptar a la Carretera Panamericana CA-1. La información de relevancia sobre esta microcuenca es la siguiente: CARACTERISTICAS FISICAS DE LA MICROCUENCA HIDROGRAFICA QUEBRADA SAN LUIS CUENCA Quebrada San Luis AREA TOTAL (Km²) PERIMETRO (Km) ELEVACION MAXIMA (m.s.n.m.) ELEVACION MINIMA (m.s.n.m.) LONGITUD DEL CAUCE PRINCIPAL (Km) DE LA PENDIENTE DEL CAUCE (m/m) , SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLOGICAS REPRESENTATIVAS La selección de la estación meteorológica más representativa próxima a la microcuenca de la Quebrada San Luis se realizó sobre la base del número de años de registro de los 13

14 14 datos de intensidades de precipitación. Dicha estación meteorológica es Santa Tecla, y se encuentra ubicada en el municipio de Nueva San Salvador, y cuenta con una longitud de registro de 31 años, desde 1954 a Las coordenadas de dicha estación son las siguientes: coordenadas Latitud Norte 13º 41.2 y Longitud Oeste 89º Se encuentra a una elevación de 965 m.s.n.m. Para dicha estación se obtuvieron los datos de precipitación horaria. Además otra consideración tomada en cuenta es que era la estación más cercana a la cuenca que contaba con registros de pluviógrafos, de donde se obtuvieron los registros de las intensidades de las lluvias, para el periodo de años antes mencionado CALCULO DEL TIEMPO DE CONCENTRACION (Tc) El tiempo de concentración se definió como el tiempo que tarda una partícula de agua precipitada en recorrer la distancia entre el punto más lejano de la cuenca y el punto bajo estudio. El sistema de fórmulas a utilizar para el cálculo del tiempo de concentración son: Fórmula de (PHCA), la fórmula de California, la fórmula de Giandotti y las del Bureau of Reclamation. Estas son: FORMULAS PARA CALCULAR EL TIEMPO DE CONCENTRACION (Tc) TIEMPO DE CONCENTRACION PHCA CALIFORNIA GIANDOTTI BUREAU OF RECLAMATION Fórmula 1 Fórmula 2 (1) 0.87 x L L A L L L T c = Emáx - Emin Emáx 0.9 (Emáx + Emin)/2 Emáx V (1): El valor de V es dado por la Tabla siguiente: VELOCIDAD DEL CAUCE EN FUNCION DE LA PENDIENTE RANGO DE PENDIENTE DEL VELOCIDAD MEDIA (m/s) CAUCE (m/m) Donde: Tc: Tiempo de Concentración, en Horas. L: Longitud del Cauce más Largo, en Km. Emáx: Elevación Máxima, en metros. Emín: Elevación Mínima, en metros. A: Area de la Cuenca, en Km². 14

15 15 V: Velocidad del Cauce, en m/s. El tiempo de concentración a utilizar para el análisis es el que resultó de aplicar la fórmula del Bureau of Reclamation, Fórmula 1 de 0.10 Horas (6 minutos), por ser el menor valor entre los resultados más cercanos obtenido por las otras fórmulas y es aquel en el cual se producen las mayores crecidas CALCULO DE CAUDALES POR EL METODO DE LA FORMULA RACIONAL La Fórmula Racional asume que la distribución de la precipitación es uniforme en toda la cuenca y por lo tanto el escurrimiento también lo es. La Fórmula Racional puede expresarse de la manera siguiente: Donde: Q = C = A = I = Q = C x I x A Caudal Hidrológico, en m³/s. Coeficiente de escorrentía, adimensional. Area de la cuenca, en Km². Intensidad de lluvia, en mm/hr Los parámetros necesarios para calcular el Caudal son: Area de la Cuenca: 1.44 Km² Longitud del Cauce más Largo = 1.51 Km. Coeficiente de Escorrentía = 0.35 Tiempo de Concentración = 0.10 Horas (6 Minutos). Los Caudales que se obtuvieron para los diferentes Periodos de Retorno son: Periodo de Retorno (Años) Caudal Hidrológico (m³/s) CALCULO DE CAUDALES POR MEDIO DEL METODO DEL HIDROGRAMA TRIANGULAR Este modelo de escurrimiento, considera que la escorrentía superficial es función del tiempo y su distribución ocurre en forma triangular. Fue propuesto por el Bureau of 15

16 Reclamation, Denver, USA. El método del Hidrograma Triangular, tal como su nombre lo indica, considera la respuesta de la cuenca ante la lluvia como un triángulo. La configuración del mismo está en función de los tiempos de duración de la tormenta efectiva y tiempo de concentración del flujo. Las fórmulas utilizadas son las siguientes: Lluvia efectiva (Lefec) = Duración de Tormenta x Intensidad x C Volumen de Escorrentía Directa (V) = Area de la Cuenca x Lluvia efectiva. Tiempo base de Hidrograma Triangular (tb) = Duración/2 + Tiempo de Concentración x 0.6 Caudal Pico del Hidrograma Triangular: Qp = 2V/Tb 16 Qp D D/2 L Qp Tp Tr Tb Los Caudales que se obtuvieron para los diferentes Periodos de Retorno son: Periodo de Retorno (Años) Caudal Hidrológico (m³/s)

17 ANALISIS DE LA CUENCA DEL RIO SAN PEDRO UBICACIÓN Y DESCRIPCION GEOGRAFICA DE LA CUENCA DEL RIO SAN PEDRO La cuenca hidrográfica del río San Pedro se encuentra ubicada en la región occidental del país, más específicamente en el departamento de Sonsonate. Geográficamente está ubicada entre las coordenadas Latitud Norte 13º 36.6 y 13º 50 y Longitud Oeste 89º 47 y 89º 51. La cuenca está delimitada en los rumbos así: Al Norte con el municipio de Salcoatitán, los cantones Puente y Ojo de Agua y el cerro El Aguila, en el departamento de Sonsonate. Al Sur con la costa del Océano Pacífico y la ciudad de Acajutla, en el mismo departamento. Al Oeste con el río Sunzacuapa, en el departamento de Sonsonate y límite departamental con Ahuachapán. Al Este se encuentra limitado en todo el lindero por la cuenca que forma el río Grande de Sonsonate o Sensunapán. Entre las poblaciones que están comprendidas dentro de los límites de la cuenca se pueden mencionar: el municipio de Santo Domingo de Guzmán y Santa Catarina Masahuat. Entre los afluentes principales que tiene el río San Pedro tenemos: río Tepechapa, río Santo Domingo, río El Coyol, además de varias quebradas. Cuenta con un área total de cuenca de Km², hasta su desembocadura en la costa del Océano Pacífico y de Km² hasta la estación hidrométrica San Pedro en Atalaya. El río San Pedro cuenta con una estación hidrométrica, localizada en la Hacienda Atalaya, y cuyas coordenadas son: Latitud Norte 13º 37 y Longitud Oeste 89º 50. Tiene una elevación máxima de 1,810 m.s.n.m. y desemboca finalmente en la costa del Océano Pacífico. Tiene una pendiente media de % y una elevación media de 897 m.s.n.m. 17

18 CARACTERISTICAS FISICAS DE LA CUENCA DEL RIO SAN PEDRO La Cuenca Hidrográfica del Río San Pedro, que desciende desde el Cerro de Apaneca y el Cerro El Cerrito, hasta la Estación Hidrométrica San Pedro en Atalaya localizada a 200 mts. al Norte de la Hacienda Atalaya, en Carretera Sonsonate La Hachadura. La información de relevancia sobre esta cuenca es la siguiente: CUENCA AREA TOTAL (Km²) PERIMETRO (Km) ELEVACION MAXIMA (m.s.n.m.) ELEVACION MINIMA (m.s.n.m.) LONGITUD DEL CAUCE PRINCIPAL (Km) PENDIENTE DEL CAUCE (m/m) Río San Pedro , SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLOGICAS REPRESENTATIVAS Se consideró una Estación Meteorológica en la parte alta de la cuenca y otra Estación en la Parte media de la misma ESTACION METEOROLOGICA APANECA ALCALDIA. Se encontraba ubicada en la Alcaldía Municipal de Apaneca, y cuenta con una longitud de registro de 19 años, desde 1957 a Las coordenadas de dicha estación son las siguientes: coordenadas Latitud Norte 13º 51.1 y Longitud Oeste 89º Se encuentra a una elevación de 1,450 m.s.n.m. Tiene el Indice H 1. Además otra consideración tomada en cuenta es que era la estación más cercana a la cuenca que contaba con registros de pluviógrafos, de donde se obtuvieron los registros de las intensidades de las lluvias, para el periodo de años antes mencionado. En la actualidad no se encuentra en funcionamiento ESTACION METEOROLOGICA IZALCO. La estación Meteorológica Izalco, se encuentra en la parte media de la cuenca, cuenta con una longitud de registro de 18 años, desde 1965 a Las coordenadas de dicha estación son las siguientes: coordenadas Latitud Norte 13º 45.7 y Longitud Oeste 89º 18

19 Se encuentra a una elevación de 390 m.s.n.m. Tiene el Indice T 1. Para dicha estación se obtuvieron los datos de precipitación horaria. Se obtuvieron los registros de las intensidades de las lluvias, para el periodo de años antes mencionado CALCULO DEL TIEMPO DE CONCENTRACION (Tc) El tiempo de concentración a utilizar para el análisis es de 2.68 horas ( minutos) determinado por la fórmula del PHCA CALCULO DE CAUDALES POR MEDIO DEL METODO DE LA FORMULA RACIONAL Los parámetros para calcular el Caudal por medio de la Fórmula Racional son: Area de la Cuenca: Km² Longitud del Cauce más Largo = 30.0 Km. Coeficiente de Escorrentía = Tiempo de Concentración = 2.68 Horas. Los Caudales que se obtuvieron para los diferentes Periodos de Retorno son: Periodo de Retorno (Años) Caudal Hidrológico (m³/s) CALCULO DE CAUDALES POR MEDIO DEL METODO DE LAS ISOCRONAS. El método de las Isocronas, o de las curvas Tiempo/Areas, se fundamenta en el cálculo de la velocidad de propagación del caudal de Avenida en la cuenca. Es un método que considera solamente la transmisión del caudal en la cuenca y no el almacenamiento en el área receptora. El método asume la uniformidad espacial y temporal de la precipitación 19

20 sobre cada una de las áreas delimitadas por las Isocronas, así como un coeficiente de escorrentía media C para dicha área. 20 El Caudal Máximo para una tormenta con intensidad uniforme será obtenido cuando la duración de dicho evento meteorológico, sea igual al tiempo de concentración, ya que más allá de éste, el caudal de salida será constante hasta el fin de la lluvia e igual a la suma de los caudales. Los parámetros para calcular el Caudal por medio de la Fórmula Racional son: Tiempo de Concentración = 2.68 Horas = minutos = 9,648 segundos. Longitud del Cauce más largo = 30.0 Km. = 30,000 metros. Velocidad de Propagación de la Onda: V = Lc / Tc = 3.11 m / seg. Número de Isocronas a utilizar. N = 5. Tiempo entre Isocronas: T isoc = Tc / N = 1,930 segundos. Distancia recorrida para el Tiempo entre Isocronas: L = V x T isoc = 6,000 metros Area entre Isocronas: I A1 = Km 2 II A2 = Km 2 III A3 = Km 2 IV A4 = Km 2 V A5 = Km 2 A T = Km 2 Duración entre Isocronas para determinar la Intensidad de Precipitación: I minutos II = minutos III = minutos IV = minutos V = minutos = Tiempo de Concentración (Tc) Los Caudales Máximos que se obtuvieron son: PERIODO DE RETORNO T (AÑOS) CAUDAL HIDROLOGICO Q (m³/seg) CALCULO DE CAUDALES POR MEDIO DEL METODO DEL HIDROGRAMA TRIANGULAR 20

21 21 Los parámetros para calcular el Caudal son: Area de la Cuenca: Km² Longitud del Cauce más Largo = 30.0 Km. Coeficiente de Escorrentía = Tiempo de Concentración = 2.68 Horas. Los Caudales que se obtuvieron para los diferentes Periodos de Retorno son: Periodo de Retorno (Años) Caudal Hidrológico (m³/s) CALCULO DE CAUDALES POR MEDIO DEL ANÁLISIS ESTADISTICO METODO DEL HIDROGRAMA TRIANGULAR El Análisis Estadístico de una serie de caudales en una cuenca, sólo puede ser efectuado si se cuenta con la serie de registros de caudales máximos instantáneos para un número determinado de años. En lo concerniente a la Cuenca del Río San Pedro, esta cuenta con una Estación Hidrométrica, denominada San Pedro en Atalaya, que se encuentra ubicada cerca de la carretera que de Sonsonate conduce hacia La Hachadura, el cual, de acuerdo a información proporcionada en la actualidad por el SNET, a través del Servicio Hidrometeorológico Nacional, está registrada así: Estación Hidrométrica: San Pedro en Atalaya. Código: Ubicación: Latitud 13º 37 Longitud 89º 50 (Hacienda Atalaya). Localización: 200 mt al Norte de la Carretera Sonsonate - La Hachadura Tipo: Limnígrafo Stevens A-35 y Cable Canastilla. Datos desde: Sept/68 PHCA. R: Rehabilitada en la Década del 90. El análisis estadístico se efectúa utilizando información de la probabilidad de ocurrencia de un evento extremo. La distribución de Valor Extremo es la Tipo I (Ley de Distribución de 21

22 Gumbel). Para realizar el Análisis Estadístico a una serie de caudales máximos registrados en la estación hidrométrica se recopiló la información referente a ella. Estos son: CAUDALES MAXIMOS DEL RIO SAN PEDRO (Registrados en la Estación Hidrométrica San Pedro Atalaya) AÑO HIDROLOGICO CAUDAL MAXIMO (m 3 /s) Año Hidrológico: es aquel que comienza en Mayo de un año y termina en Abril del siguiente. Los Caudales que se obtuvieron para los diferentes Periodos de Retorno son: Periodo de Retorno (Años) Caudal Hidrológico (m³/s) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 9.1 CONCLUSIONES. 22 A continuación presentamos algunas de las Conclusiones más Relevantes: El Agua es uno de los recursos naturales renovables más importantes para la existencia de los seres vivos y de la vida en el planeta. Los recursos hidráulicos superficiales del país se encuentran altamente contaminados, lo que limita su uso para el abastecimiento público y otros menesteres, constituyendo por su calidad, uno de los mayores problemas ambientales del país. El agua subterránea sin embargo, no presenta por lo general inconveniente por su calidad, lo que explica su mayor aprovechamiento para abastecimiento público. 22

23 23 Las fuertes avenidas que se registran en las zonas urbanas y semiurbanas, ocasionan daños a la infraestructura vial y obras de protección, ocasionando el desbordamiento en sitios críticos y la socavación o destrucción de obras en la ribera de los ríos, situación que se repite años tras año. El sistema de alcantarillado pluvial se vuelve insuficiente para la evacuación segura de las avenidas generadas, lo que hace que las calles se conviertan en canales, localizándose puntos críticos donde se observan desbordamientos e inundaciones, como por ejemplo, Barrio Candelaria, La Vega, quebrada El Piro, El Matazano, entre otros, en el caso de San Salvador. La crisis que la caficultura, que es un sector de la agricultura, está propiciando el abandono y la destrucción progresiva de las zonas cultivadas de café, que constituye uno de los principales factores que regulan la escorrentía superficial a partir de las partes altas de la cuenca, y favorece la infiltración o recarga de los acuíferos; contribuye al control de la erosión de los suelos, favoreciendo las condiciones ecológicas del entorno y el aspecto socio económico. En el presente trabajo se desarrollan varios métodos hidrológicos orientados a la determinación de caudales máximos para el Diseño de Obras Hidráulicas (Puentes, Bóvedas, cajas, alcantarillas), tomando en cuenta los diferentes parámetros que concurren en este tipo de evaluación. Dichos métodos son los siguientes: - Fórmula Racional, que se aplica para pequeñas áreas hidrográficas (Menor de 4 Km²). Hidrograma Triangular para subcuencas medianas. Método de las Líneas Isocronas. Método Estadístico. Método Directo (Sección Pendiente, mediante la aplicación de la fórmula de Manning). La aplicación de los métodos referidos a 2 subcuencas hidrográficas, quebrada San Luis y río San Pedro, han permitido hacer un Análisis Comparativo sobre los resultados obtenidos, concluyéndose que con excepción del Método Estadístico para el caso del río San Pedro, los otros Métodos ofrecen bastante similitud en sus resultados. La enseñanza académica de la hidrología y meteorología en los centros de Enseñanza Superior es más que todo teórica, lo que limita la formación de criterio de los 23

24 estudiantes y nuevos profesionales, para la aplicación de conocimientos en la solución de problemas que afectan el proceso de desarrollo del país RECOMENDACIONES. Concientizar a la población salvadoreña sobre la importancia del agua para mejorar sus condiciones de vida, evitando en la medida de lo posible su contaminación y mal uso. Elaborar un plan de ordenamiento territorial basado en la optimización en el uso y conservación de los recursos naturales renovables (agua, suelo, flora fauna y clima) en función de las características demográficas de cada zona o región, adoptando las medidas necesarias que permitan un crecimiento más ordenado de los centros urbanos. Para la determinación de los caudales máximos instantáneos necesarios para el buen diseño, que demandan las obras de ingeniería, objetivo principal de nuestro trabajo, se recomienda la aplicación de los diferentes métodos de análisis y evaluación que se han desarrollado, debiendo considerarse para su aplicación, las condiciones previstas para el futuro en el área de estudio analizada, tomando que dichas obras se diseñan generalmente para periodos de 25, 50 ó más años, dependiendo de la naturaleza e importancia de las obras a construirse. Para mejorar la enseñanza de la Hidrología, meteorología, hidráulica aplicada y materias afines, se recomienda que los Centros de Educación Superior dispongan de Laboratorios y/o Centros de Investigación, para que la formación de los educandos sea teórico práctico y por consiguiente, lograr capacitarlos para aplicar sus conocimientos en la solución de los múltiples y complejos problemas que enfrentan las diferentes comunidades en el país. 24