USO DE LAS HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS HIDRÁULICO EN ARCGIS

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1 USO DE LAS HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS HIDRÁULICO EN ARCGIS Helen Zárate Miranda Javier Cornejo Tejada Curso: Cartografía General y Diseño Cartográfico Facultad de Ingeniería Civil Universidad Nacional de Ingeniería RESUMEN: Este artículo busca dar a conocer las facilidades sobre el uso de los sistemas de información geográfica en la modelación hidráulica. En este caso particular, se presenta una aplicación para la elaboración de mapas de inundación. Para este fin, se hace uso de dos herramientas, la primera corresponde a un software SIG, la cual es el programa ArcGis. La segunda herramienta es el programa de modelación hidráulica unidimensional Hec-Ras. La metodología presentada en este artículo se aplicó al distrito de Paucartambo, Cusco, en donde se encuentra el río Paucartambo y la quebrada Qencomayo, de donde finalmente se obtuvieron planos de inundación que corresponden a diferentes periodos de retorno. ABSTRACT: This paper is intended to show the advantages of using geographic information systems (GIS) in hydraulic modeling. In this particular case, an application is presented in order to elaborate flooding maps. For this purpose, two important tools have been used. The first one is a GIS software, which is ArcGis from ESRI Company. The second tool is the software Hec-Ras which performs one-dimensional hidraulic modeling. The methodology presented in this paper is applied to Paucartambo town, located in Cusco, Peru. Palabras Clave: Sistemas de información geográfica, GIS, Hec-Ras, Hec-GeoRas, planos, inundación. 1 INTRODUCCIÓN Existen eventos hidrometeorológicos que periodicamente provocan inundaciones debido al aumento de caudales de ríos. Uno de los objetivos de este trabajo es el de evaluar geográficamente las áreas susceptibles a una inundación en el distrito de Paucartambo. Inicialmente se trata de dar un enfoque general del uso de las herramientas implementadas en ArcGis para el análisis de cuencas y flujos de agua. Se usará la extensión ArcHydro con este propósito para el análisis de líneas de drenaje en una cuenca o subcuenca teniendo como punto de inicio las curvas de nivel de un sector. La siguiente parte del trabajo consiste en el uso de la extensión Hec-GeoRas para el análisis de flujos de agua con el fin de hallar, en este caso, planos de inundación hallando el caudal en un río para diferentes periodos de retorno. Se realizará el pre-procesamiento primero en ArcGis en el cual se crearán las secciones del río y el perfil de este. Luego se exportarán estos datos al programa Hec-Ras para el análisis unidimensional del flujo de agua. Finalmente, los resultados se exportarán al programa ArcGis para generar los planos de inundación. Los planos de inundación nos dan un enfoque sobre qué areas serían afectadas en el caso ocurriera una inundación o qué lotes serían los más afectados con el fin de tomar decisiones en el caso que ocurriera este evento. 2 ASPECTOS GENERALES 2.1 SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Los sistemas de información geográfica (SIG) son la integración de datos geográficos y software especializado para la integración y análisis de información con el fin de resolver problemas de planificación geográfica. El uso de SIG ha crecido sustancialmente en los últimos años, a tal punto que se tiene una base de datos de elevaciones en el territorio peruano. 2.2 HEC-RAS El programa Hec-Ras es un software de modelación hidráulica desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica (HEC por sus siglas en inglés) del Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos. En 1964, el Centro de Ingeniería lanzó el programa Hec-2 para ayudar a los ingenieros hidráulicos en el análisis de flujos y en el desarrollo de planos de inundación. Al inicio de los años 90, el Centro de Ingenieros desarrolló el sistema de análisis de ríos (RAS por sus siglas en inglés), con lo que creó el programa Hec-Ras. El software Hec-Ras está elaborado para desarrollar análisis unidimensionales de flujos permanentes, flujos no permanentes y el cálculo de transporte de sedimentos. Este modelo también sirve para el cálculo de flujos subcríticos, supercríticos o una combinación de estos. 1

2 3 METODOLOGÍA Y PROCESO 3.1 ÁREA DE TRABAJO El trabajo se basó en hallar planos de inundación del distrito de Paucartambo, el cual es uno de los seis distritos de la Provincia de Paucartambo, ubicada en el Departamento de Cusco, bajo la administración del Gobierno Regional del Cuzco. Esta localidad se encuentra en un valle a metros de altura, por donde pasa el río Paucartambo, y se junta con el Río Qenqomayu. Se obtuvieron las curvas de nivel y lotes del distrito mencionado, tal como se muestra en la Figura 1. Tabla 1. Ajuste de caudales para la estación Paucartambo. Función de Distribución Prueba de Bondad Normal Log-Normal Log-Normal Gamma Gamma Log-Pearson Gumbel Log-Gumbel Observamos que los datos se ajustan mejor a la función de distribución Log-Pearson por lo cual haremos uso de esta para el cálculo de caudales para diferentes periodos de retorno. El ajuste se puede observar en la Figura 3. Figura 1. Curvas de nivel de la zona. 3.2 CÁLCULO DE CAUDALES Para obtener los caudales del río Paucartambo, se tuvo que tomar la información de la estación del Senamhi Paucartambo, ubicada en la latitud y longitud a 3042 msnm. En la Figura 2 se muestra un ejemplo del cuadro de datos de la estación. Figura 3. Ajuste de caudales a la distribución Log-Pearson. Para hallar los caudales de la quebrada Quencomayo se hizo uso del método racional, para el cual se requirió hallar intensidades de precipitación. Los datos de precipitación fueron tomados de la estación Ccatcca. Estos datos de precipitación máxima en 24 horas fueron ajustadas a diferentes distribuciones haciendo uso también del programa HidroEsta. Los resultados se resumen en la Tabla 2. Tabla 2. Ajuste de las precipitaciones para la estación Ccatcca. Figura 2. Registro de datos de la estación Paucartambo. Con estos datos se hallaron los caudales máximos mensuales para el periodo de 2 años y se ajustaron haciendo uso del programa HidroEsta, el cual arrojó los resultados para distintas funciones de distribución mostrados en la Tabla 1. Función de Distribución Prueba de Bondad Normal Log-Normal Log-Normal Gamma Gamma Log-Pearson Gumbel Log-Gumbel

3 Se observa que los registros se acomodan más a la distribución Normal, por lo que se usará esta función para hallar las precipitaciones para diferentes periodos de retorno. Las precipitaciones halladas serán para una duración de 24 horas, por ende, usaremos la siguiente fórmula sugerida por Dick & Peschke: P d = P 24 ( D 1440 ) Pd: Precipitación para una duración d (mm) - P24: Precipitación máxima en 24 horas (mm) - D: Duración de la precipitación (minutos) La duración que se debe tomar es la que corresponde al tiempo de concentración, la cual se puede calcular según Kirpich: t c = L 0.77 S tc: Tiempo de Concentración (horas) - L: Longitud del cauce principal (Km) - S: Pendiente del cauce principal (m/m) Figura 4. Modelo TIN. Una vez obtenido el formato TIN, se convierte este a un formato raster, en el cual se divide al terreno en pequeños pixeles, cada uno conteniendo datos de elevaciones. El formato raster se muestra en la Figura 5. Finalmente la fórmula racional se expresa como: Q = CIA Q: Caudal (m³/s) - C: Coeficiente de cobertura - I: Intensidad máxima (mm/hr) - A: Área de la cuenca (Ha) En el presente trabajo se calculó el caudal para 3 periodos de retorno (100, 300 y años). Los cálculos se resumen en la siguiente tabla en donde los caudales están en m³/s: Tabla 3. Caudales para diferentes periodos de retorno. Tr (Años) Q (Río) PTp (mm) I (mm/hr) Q (Quebr.) Q (Río + Quebrada) PRE-PROCESAMIENTO Ahora que ya se cuenta con los caudales, se procede a trabajar con el ArcGis para el pre-procesamiento de la información, es decir, preparar las secciones que se van a exportar al programa Hec-Ras. Primero se agregan las curvas del nivel al programa ArcMap, las cuales tienen que ser luego convertidas a un formato Shape. Luego de realizado esto, se procede a convertir este formato Shape a un formato TIN, tal como se muestra en la Figura 4. Figura 5. Formato Raster. Ahora, para iniciar el pre-procesamiento en ArcGis, se necesitará de las líneas de corriente principales de la zona, como lo son las del Río Paucartambo y la quebrada Quencomayo. Para lograr esto, haremos uso de una extensión del ArcGis llamada ArcHydro. Esta herramienta ayudará a hallar las líneas de drenaje de la zona sobre las cuales se delinearán las líneas de corriente principales. Para usar el software ArcHydro, primero se debe limpiar el archivo raster de posibles discontinuidades en la superficie del terreno, para esto, haremos uso de la opción Fill Sinks. Luego se procederá a crear en el siguiente orden los archivos: Flow Direction, Flow Accumulation, Stream Definition y Stream Segmentation. Finalmente ya se crean las líneas de drenaje de la zona obteniendo lo mostrado en la Figura 6. 3

4 Para dibujar estas orillas del río no hay ninguna restricción, es decir, se puede empezar aguas arriba o aguas abajo, a la izquiera o a la derecha. Ahora, se procede a dibujar la extensión de la zona que se va a analizar, es decir, la extensión de las secciones que se va a usar en el Hec-Ras. El dibujo de estas líneas (amarillas en la Figura 8) sí tiene la restricción de que se debe hacer de aguas arriba a aguas abajo. Una vez terminado esto, se procede a dibujar las secciones transversales del río. Se debe tener en cuenta que deben ser perpendiculares a la línea de corriente. Además deben ser dibujadas de izquierda a derecha. Figura 6. Líneas de drenaje del modelo. Una vez generadas las líneas de drenaje, ya se tiene todo listo para empezar el pre-procesamiento de la información haciendo uso de la extensión Hec-GeoRas. Hec-GeoRas es un set de procedimientos, herramientas y utilidades para el procesamiento de datos geoespaciales en ArcGis usando una interfaz gráfica. La interface permite el procesamiento de datos geométricos para importarlos al programa Hec-Ras y procesar los resultados provenientes de este programa. Para crear el archivo a importar, se debe contar con un modelo digital del terreno, en este caso, el modelo TIN. Con los datos provenientes del programa Hec-Ras, se pueden realizar análisis de inundaciones, daño por inundaciones, restauración de ecosistemas y preparación para las inundaciones. El pre-procesamiento consiste, primero en crear las líneas de corriente principales, las cuales deben ser dibujadas empezando aguas arriba. Luego, se dibujan las riveras u orillas del río (color rojo en la Figura 7) ya que esta zona del suelo tiene una rugosidad diferente a las otras zonas aledañas. Figura 8. Modelo a exportar. Ahora que ya se tienen todos los elementos necesarios (la geometría del perfil y secciones del río), ya se pueden exportar estos al programa Hec-Ras. 3.4 PROCESAMIENTO Es en el Hec-Ras que se colocan los datos de coeficiente de Manning para el río y para sus orillas. También, se colocan aquí los datos de flujos que se han hallado previamente y se procede a calcular el perfil de la superficie de agua para diferentes periodos de retorno. Uno de los resultados del software Hec-Ras se muestra en la Figura 9. Trabajo2 Plan: Run 22/07/2013 Legend WS PF 1 WS PF 2 WS PF 3 WS PF 4 WS PF WS PF 6 WS PF Ground Bank Sta Figura 7. Líneas de corriente y riveras del río. Figura 9. Resultados del análisis en Hec-Ras. 4

5 3.5 POST-PROCESAMIENTO Una vez que ya se tienen los cálculos realizados en el Hec- Ras, se exportan estos para que puedan ser leídos por el programa ArcGIS. Es en este entorno que se proceden a dibujar los planos de inundaciones para diferentes periodos de retorno. A continuación se muestra el resultado en planta del plano de inundación para un evento extraordinario de años de periodo de retorno. Se colocó una imagen satelital obtenida de Google Earth y se pueden apreciar los lotes afectados. 4 Conclusiones La combinación de los programas Hec-GeoRas y ArcGIS para el modelo fue eficiente, pues se pudo trabajar con gran cantidad de datos de manera relativamente rápida. De haber realizado el modelo usando solo el programa Hec-Ras, esto hubiera tomado mucho más tiempo ya que cada sección se añade a la vez punto por punto. Con Hec-GeoRas también se pueden ingresar datos de estructuras existentes, como puentes, diques, etc. Contando con esta información, se podría mejorar el modelo. En este caso se usaron métodos estadísticos para estimar caudales, sin embargo, existen modelos de precipitaciónescorrentía que no han sido usados y que pueden evaluarse usando Hec-HMS y Hec-GeoHMS. 5 Bibliografía [1] U.S. Army Corps of Engineers, HEC-RAS River Analysis System. Enero, [2] U.S. Army Corps of Engineers, HEC-GeoRAS GIS tools for support HEC-RAS using ArcGIS 10. Mayo [3] Ven Te Chow, David R. Maidment y Larry W. Mais, Hidrología Aplicada, 1ra edición, McGRAW-HILL, [4] Elizabeth M. Shaw, Hidrology in Practice, 3ra edición, [5] Ministerio de Transportes y Comunicaciones, Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje, Figura 10. Plano de inundación para un periodo de retorno de años. 5