Chiclayo Vf

0 50 100 150 200 250 300 35027

28

29

30

31

32

33

34

omas1 Plan: Plan 01 03/09/2014

Station (m)

Ele

vation (

m)

Legend

EG PF 3

WS PF 3

Crit PF 3

0.5 m/s

1.0 m/s

1.5 m/s

2.0 m/s

2.5 m/s

Ground

Bank Sta

.04 .035 .035

Chiclayo, Junio 2014 Ing. Toms Alfaro

MODULO II: MODELACIN HIDRULICA CON HEC RAS

I DIPLOMADO DE DEFENSAS RIBEREAS

Deficiencias en proyectos

en cauces

Clasificacin del cauce

Elementos del cauce

MODELACIN HIDRULICO DE RIOS

Modelo digital del

terreno

Caudales mximos

Geometra del cauce

Modelamiento hidrulico del ro: HEC-RAS

Anlisis y elaboracin de mapas temticos

Planteamiento de medidas estratgicas

Normatividad vigente

Proyectos no planificadas o mal diseadas

Chosica 2012600 viviendas afectadas01 fallecido65 personas afectadosFuente: Peru.comFuente: ANA-2012


Clasificacin del cauce: Morfologa

Rectilneos

Ro Vitor

Trenzado o anastomosado

Ro Amazonas


Mendrico

Ro Ucayali


Clasificacin del cauce: Ubicacin

Urbano

Ro Chili

Rural

Ro Yauca

Clasificacin del cauce: Rgimen

Permanente: Ro Madre de Dios


Temporal o estacional: Ro Ica


Eventuales o transitorios: quebrada Cusipata

Cauce: elementos

Cauce

Faja marginal

Faja marginal

Sinuosidades

Determinacin del eje del cauce

Existencia de obras de cruce o hidrulicas

Estrangulaciones naturales

Talweg

Comportamiento espacial y temporal del cauce


Ancho del cauce: Ancho estable (B)

A. Ancho natural mayor al ancho estable

B. Ancho natural igual al ancho estable

C. Ancho natural menor al ancho estable: antrpico o natural

Qda. Huaycoloro


Teora del Rgimen: una seccin y pendiente estn en equilibrio con el caudaltransportado; aplicado para material cohesivo y arenoso.Un canal est en rgimen cuando su seccin y pendiente estn en equilibrio con elgasto transportado, de tal manera que aumentos o disminuciones de l, hacen que elancho y tirante se modifiquen en funcin de esos valores. Al finalizar periodos anuales,las secciones y pendiente prcticamente permanecen cosntantes.


a. Mtodo de Lacey, modificado por Maza, para el sistema mtrico. Se basa en la teora del rgimen

= 4.831 12

b. Recomendacin Prctica

Q (m3/s) Ancho estable

3000 200

2400 190

1500 120

1000 100

500 70

Q: caudal en m3/s

c. Mtodo de Blench.

El factor de fondo Fb, toma en cuenta la resistencia del fondo, puede ser valuado con las expresiones

siguientes:

Ancho del cauce: Ancho estable

Toma en cuenta dos parmetros:

Factor de fondo: FbFactor de orilla: Fs

Estos parmetros son funcin de la concentracin del material transportado ensuspensin, del dimetro de las partculas del fondo y de la resistencia de las orillas a sererosionadas.

Fondo arenoso con transporte de sedimentos, formando dunas.C: concentracin del material arrastrado en la capa de fondo

Cuando existe poca informacin, Fb puede tomar:,

El factor de orilla (Fs) puede tomar los siguientes valores:

Orilla de barro y arena toma el valor de Fs: 0.1 (material suelto) Orilla de barro, arcilla, fangosa toma un valor de Fs: 0.2 (material

ligeramente cohesivo) Orilla de material muy cohesivo, toma un valor de Fs: 0.3 (material

cohesivo)

El factor de orilla Fs, toma en cuenta la resistencia de las orillas, puede ser valuado con la expresin

siguiente:


d. Mtodo de Simons y Albertson . Este mtodo tiene la ventaja de ser aplicable a un rango mayor de materiales del fondo y orillas.

e. Mtodo de Petits


f. Mtodo de Kondap

= . .


g. Mtodo de Manning - Altunin

Coeficientes de rugosidad (n), tipo de material (k) y de

cauce (m).

K va a depender del tipo de material:

K: 8-12, cauce formado en material aluvial.

K: 3-5 cauces difcilmente erosionables

K: 16-20 cauces con orillas muy fcilmente erosionable

m, vara segn el tipo de cauce:

m: 0.5 aluvial

m: 0.7 arenoso

m: 1 de montaa

En este mtodo no se toma en cuenta el transporte de sedimentos y se analiza la estabilidad con velocidades cercanas a la crtica de arrastre, en ocasiones se obtienen secciones tericas mayores que las reales cuando se aplica a cauces arenosos.

Ancho del cauce: Ancho estable

Topografa

Tener referencia a la Red Geodsica Nacional Horizontal, a travs de un punto Geodsico (mnimo de Orden C). El control vertical debe estar referido al nivel medio del mar. Se acepta la altura geioidal siempre y cuando no sea posible realizar una nivelacin referida a un BM.

Presentar el Certificado de validacin otorgado del IGN del Punto Geodsico, siempre cuando haya sido instalado por una empresa Privada.

Debe estar referenciado al Datum WGS 84 (referencia IGN)

Debe incluir todos los detalles importantes como puentes, obras de proteccin, etc.

Requisitos mnimo de la topografa

Topografa

El desnivel entre curvas deben estar entre 0.5 a 1 m. dependiendo del relieve del terreno.

Adems del cauce principal del ro, considerar un rea adicional contigua al borde del cauce, correspondiente a la llanura de inundacin. En terrenos planos (pendiente 0 - 8), considerar un rea entre 200 a 500 metros de ancho en cada margen del ro. En terrenos con pendientes bajas a moderadas (8 - 16), se debe considerar un rea adicional de 100 a 200 m. En terrenos con pendientes fuertes a muy fuertes, considerar un rea adicional de 50 a 100 m a ambas mrgenes.

En tramos con curva (cncavo convexo) considerar una cantidad de barrido de puntos topogrficos de tal manera garantice la forma del cauce y el rea adyacente.

Considerar por lo menos 1000 metros aguas arriba y 500 metros aguas debajo de la zona de inters

Con fines de simulacin hidrulica:

Topografa

CAUDALES MAXIMOS

Magnitud y frecuencia del evento

1. Con informacin hidromtrica (mtodo estadstico)

Caudal mximo y tiempo de retorno

Los mtodos estadsticos estn basados en el anlisis de la frecuencia de las

crecidas. El concepto de frecuencia de avenida, hace referencia al tiempo promedio transcurrido antes de que se repita una avenida de una determinada magnitud Q(m3/s).

El caudal puede ser considerado como una variable aleatoria continua, de la cual se

puede estudiar su distribucin estadstica. Esta distribucin se ajusta a una ley terica

de probabilidad

El ajuste de estas distribuciones puede llevarse a cabo por el mtodo de los

momentos, mtodo de mxima verosimilitud o parmetros ordinarios

Distribucin Normal.

Distribucin Log-Normal 2, 3 parmetros.

Distribucin Gamma 2 parmetros

Distribucin Pearson Tipo III

Distribucin Gumbel o extrema tipo I

Distribucin LogGumbel

Las pruebas de bondad de ajuste permiten probar el ajuste de los resultados numricos a

una distribucin de probabilidad terica sujeto a un error o nivel de confianza. Se basa en

las comparaciones de las frecuencias absolutas observadas y las frecuencias absolutas

esperadas, calculadas a partir de la distribucin terica en anlisis. Las pruebas de

Bondad de ajuste ms comunes son: prueba de Anderson Darling, prueba de Kolmogorov

Smirnov y prueba de Chi cuadrado

CAUDALES MAXIMOS

Normal. Una variable aleatoria X se distribuye de acuerdo con una

distribucin de probabilidades Normal si su Funcin de Densidad de

Probabilidades est dada como:

(x)=1

2()

2

22

Los parmetros son: media, x, desviacin estndar x. La asimetra de la distribucin es cero

Log-Normal 2 parmetros. Cuando los logaritmos, ln(x), de una

variable x estn normalmente distribuidos, entonces se dice que la

distribucin de x sigue la distribucin de probabilidad log-normal, en

que la funcin de probabilidad log-normal f(x) viene representado

como:

2

ln

2

1

2

1)(

y

y

y

xEXP

xxf

Parmetro de escala y y parmetro de forma y

Log-Normal 3 parmetros. Muchos casos el logaritmo de una

variable aleatoria x, del todo no son normalmente distribuido,

pero restando un parmetro de lmite inferior x0, antes de tomar

logaritmos, se puede conseguir que sea normalmente

distribuida. La funcin de densidad, de la distribucin log-normal

de 3 parmetros, es:

2

0

0

)ln(

2

1

2)(

1)(

y

y

y

xxEXP

xxxf

Parmetro de posicin x0, parmetro de escala y y parmetro de forma 2.

CAUDALES MAXIMOS

Gamma 2 parmetros. Se dice que una variable aleatoria x, tiene una

distribucin gamma de 2 parmetros si su funcin densidad de probabilidad es:

CAUDALES MAXIMOS

)()(

1

x

exxf

Parmetro de forma , parmetro de escala

Gamma 3 parmetros o Pearson Tipo III. Cuando una variable aleatoria x

se ajustan a una distribucin Pearson Tipo III, se dice que la variable

aleatoria x se ajusta a una distribucin Log Pearson Tipo III. Su funcin

densidad de probabilidad es )(

)()(

)(

1

0

0

xx

exxxf

Gumbel. A partir de la distribucin general de valores

extremos, se pueden derivar tres tipos de

distribuciones: la tipo I, comnmente conocida como

Gumbel, la tipo II y la tipo III, llamada tambin Weibull.

Ellas difieren entre s por el valor del parmetro de

forma. La expresin general de la funcin de densidad

de probabilidades para la distribucin extrema tipo I o

Gumbel es:

=1

Parmetros de escala y parmetro de posicin

Distribucin Log-Gumbel

Mtodo del Hidrograma unitario Hidrogramas unitarios sintticosModelo HEC-HMSMtodo SCS-CN

Frmula RacionalFrmula de Mac MathMtodos empricosEnvolvente de Crearger

2. Con informacin pluviomtrica: mtodos hidrolgicos

3. Con informacin fsica de la cuenca

CAUDALES MAXIMOS

Cuando no se dispone de series de aforo de caudales, pero se cuenta con series de precipitacin

mxima para 24 horas (tormenta), se puede utilizar el procedimiento lluvia-escorrenta y trnsito de

avenidas para transformar las tormentas a caudales.

CAUDALES MAXIMOS

Mtodo Fuller

Para estimar los caudales mximos instantneos puede emplearse la expresin de Fuller.

Caudal instantneo Qinst, caudal calculado para un determinado periodo de retorno Q, rea de la cuenca hmeda o de inters A (en km2).

La precipitacin pueden representarse por mapas de isoyetas.

Media aritmtica. Promedio de los registros de las estaciones ubicados en la cuenca

Estacin PP (mm)

P2 20

P3 30

P4 40

P5 50

Pm 35 mm

CAUDALES MAXIMOS: precipitacin-escorrenta

Polgono de Thiessen. El promedio sera ponderado mediante las superficies parciales de cada polgono formado.

Estacin PP (mm)rea

(Km2)

Lluvia ponderada

(mm)

P1 10 0.22 2.2

P2 20 4.02 80.4

P3 30 1.35 40.5

P4 40 1.6 64

P5 50 1.95 97.5

9.14 284.6

Pm 31.14 mm

CAUDALES MAXIMOS

Isoyetas. Las reas entre cada isoyeta sirve para ponderar la precipitacin promedio asignada entre las isoyetas.

Isoyetas (m)

rea entre

isoyetas(mm)

PP media (mm)

Lluvia ponderada

(mm)

0.88 5 4.4

10

1.59 15 23.9

20

2.24 25 56.0

30

3.01 35 105.4

40

1.22 45 54.9

50

0.2 53 10.6

9.14 255.1

Pm 27.91 mm

CAUDALES MAXIMOS

Construccin de isoyetas

N Estacin PP 10 (mm) PP 25 (mm) PP 50 (mm) PP 100 (mm)

1 Aeropuerto Jorge Chvez77 7 0.0 12 0 0.0 3.3 5.0 6.4 8.1

2 Arahuay 76 42 0.0 11 37 0.0 33.0 39.3 43.9 48.6

3 Autista 76 36 23.5 11 44 6.6 25.6 31.2 35.4 39.5

4 Canchacalla 76 31 52.9 11 50 41.3 34.9 44.0 51.2 58.6

5 Carampoma 76 30 55.0 11 39 18.1 28.9 32.9 35.7 38.5

6 Hiplito Unanue 77 4 0.0 12 4 0.0 4.7 8.3 12.3 18.0

7 Milloc 76 21 0.0 11 34 16.6 44.2 51.7 57.3 62.7

8 Mina Colqui 76 29 0.0 11 35 0.0 26.1 31.3 35.2 39.1

9 Huamantanga 76 45 0.0 11 30 0.0 30.35 37.8 43.4 49.3

10 aa 76 50 19.8 11 59 18.7 5.9 9.1 12.1 15.6

11 Santa Eulalia 76 40 0.4 11 55 4.9 20.0 28.3 35.4 43.3

12 Von Humboldt 76 57 0.0 12 5 0.0 3.0 3.8 4.3 4.8

13 Pariacancha 76 30 1 11 23 1 34.3 39.4 43.15 46.88

14 Huaros 76 34 1 11 24 1 29.6 34.3 37.82 41.31

15 Canta 76 37 1 11 28 1 31.28 37.94 42.79 47.83

16 Lachaqui 76 37 1 11 33 1 39.02 45.89 50.95 55.99

17 Huamantanga 76 45 1 11 30 1 30.35 37.8 43.44 49.31

Longitud Latitud

CAUDALES MAXIMOS

Representacin de la precipitacin en funcin del tiempo.

En algunas situaciones no es suficiente la precipitacin mxima para un tiempo determinado y un tiempo de retorno dado, sino conocer la evolucin de la tormenta durante ese tiempo.

Un hietograma refleja la distribucin de las precipitaciones producidas a lo largo de un tiempo lluvioso que se puede producir en ese punto con un periodo de retorno dado.

Hietograma

CAUDALES MAXIMOS

El SCS, desarroll hietogramas sintticos de tormentas, con duracin de 6 y 24 horas. El SCS, plantea 4 tormentas de 24 horas de duracin, llamadas Tipo I, IA, II y III.

Los Tipos I y IA corresponden al clima martimo del Pacfico con inviernos hmedos y veranos secos. El Tipo III corresponden al Golfo de Mxico y las reas costeras del Atlntico, donde las tormentas tropicales producen lluvias de 24 horas muy grandes. El Tipo II corresponde al resto del pas.

CAUDALES MAXIMOS: mtodo SCS

A. Prdida inicial (Ia)Si la cuenca est en una condicin saturada, Ia, se aproximar a cero (0). Si la cuenca est seca, entonces, Iaaumentar para representar a la lmina de precipitacin mxima que puede caer en la cuenca sin escurrimiento. Depender del terreno de la cuenca, uso del suelo, tipo de suelo, y el tratamiento del suelo.

A partir del anlisis de los resultados de muchas cuencas experimentales pequeas, el SCS desarroll una relacin emprica de Ia y S:


B. Clculo de la precipitacin efectivaMtodo de la Curva Nmero del SCS.

Estima el exceso de precipitacin en funcin de la precipitacin acumulada, la cobertura del suelo, uso del suelo y la humedad antecedente, mediante la siguiente ecuacin:


Estimacin de la CN. Los valores de la CN oscilan entre 100 (en cuerpos de agua) a unos 30 para los suelos permeables con altas tasas de infiltracin.

La CN de una cuenca puede estimarse en funcin del uso del suelo, tipo de suelo y la humedad antecedente (tablas publicadas por el SCS).

Descripcin de la cobertura Nmero de curva por grupos

hidrolgicos de suelos

Tipo de cobertura Tratamiento1 Condicin

hidrolgica2 A B C D

Barbecho Cultivos en fila (surco) Grano pequeo Sembros cerrados al voleo leguminosas rotacin pradera

Suelo desnudo Cobertura de residuos del cultivo (CR) Fila recta (SR) SR + CR Contorneada (C) C + CR Contorneada y terrazas (C y T) C y T +CR SR SR + CR C C + CR C y T C y T + CR SR C C y T

Pobre Bueno

Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno

Pobre Bueno

Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno

Pobre Bueno Pobre Bueno Pobre Bueno

77 76 74

72 67 71 64 70 65 69 64 66 62

65 61

65 63 64 60 63 61 62 60 61 59 60 58

66 58 64 55 63 51

86 85 83

81 78 80 75 79 75 78 74 74 71

73 70

76 75 75 72 74 73 73 72 72 70 71 69

77 72 75 69 73 67

91 90 88

88 85 87 82 84 82 83 81 80 78

79 77

84 83 83 80 82 81 81 80 79 78 78 77

85 81 83 78 80 76

94 93 90

91 89 90 85 88 86 87 85 82 81

81 80

88 87 86 84 85 84 84 83 82 81 81 80

89 85 85 83 83 80

1 cubierta de residuos de cosecha slo se aplica si los residuos es al menos el 5% de la superficie durante todo el ao. 2 Se basa en la combinacin de factores que afectan la infiltracin y el escurrimiento, incluyendo (a) densidad y el dosel de las zonas vegetativas, (b)

cantidad de la cobertura durante todo el ao, (c) la cantidad de hierba o leguminosas sembradas en rotaciones, (d) porcentaje de cubierta de residuos en la superficie de la tierra (bueno 20%), y (e) el grado de rugosidad de la superficie. Bueno: Factores que tienen a aumentar el peligro de infiltracin y escorrenta. Pobres: Factores que fomentan la infiltracin y tienden a disminuir el escurrimiento.


Condicin HidrolgicaSe refiere a la capacidad de la superficie de la cuenca para favorecer o dificultar el escurrimiento directo, esto se encuentra en funcin de la cobertura vegetal.

Cobertura VegetalCondicin

Hidrolgica>75% del rea

entre 50% y 75% del rea

Condicin de Humedad Antecedente (AMC)

Condicin de

Humedad Antecedente

(AMC)

Precipitacin acumulada de los 5 das

previos al evento en consideracin (cm)

Estacin SecaEstacin de

Crecimiento

I (seca) Menor de 1.3 Menor de 3.5

II (media) 1.3 a 2.5 3.5 a 5

III (hmeda) Ms de 2.5 Ms de 5

La condicin I, equivalente a suelo muy seco, no es habitual en estudios de avenidas, ya que reduce extraordinariamente el coeficiente de escorrenta, situando los resultados de lado de la inseguridad. La condicin tipo III representa la situacin ms adversa caracterizada por una situacin de cinco das de precipitaciones significativas previamente a la presentacin de la tormenta de diseo. La condicin tipo II responde a una situacin intermedia equivalente a un estado medio de humedad con anterioridad a la presentacin de la tormenta.


Tiempo de concentracin (Tc)Es el tiempo de viaje de una gota de agua desde el punto ms lejos de la cuenca hasta el sitio en consideracin. El Tc es muy importante ya que determina la duracin de la lluvia de diseo en las estimaciones de los caudales mximos.

Servicio de Conservacin de Suelos de California

L = longitud del cauce principalH = diferencia de cotas

R. TemezL = longitud del cauce principalSj = pendiente del cauce

Kirpich

L = longitud del cauce principalSK= pendiente media de la cuenca


Aplicacin del HEC-HMS

rea

Longitud

Cauce Cota mayor Cota Menor

Diferencia de

cotas Pendiente Coeficiente

Tiempo de

concentracin

(Km2) (Km) (m.s.n.m.) (m.s.n.m.) (m.s.n.m.) (m/m) escorrenta (min)

PC1 152.2 24.5 5050 3725 1325 0.054 0.490 168

PC2 119 10.3 3725 3100 625 0.061 0.490 84.6

PC3 201.5 11.9 3100 2350 750 0.063 0.490 93.6

PC4 240.7 19.1 2350 1550 800 0.042 0.490 151.8

PC5 67.5 10.7 1550 1125 425 0.040 0.490 99

PC5 394.8 47 4750 1125 3625 0.077 0.490 250.8

Punto de

control

Aplicacin del HidroEsta

Datos: Caudales mximos instantneos diarios, Estacin os Egidos-Piura

CAUDALES MAXIMOS

Ao Qmax Ao Qmax Ao Qmax

1926 860 1954 44 1981 568

1927 610 1955 350 1982 390

1928 124 1956 1530 1983 3200

1929 135 1957 1700 1984 980

1930 95 1958 690 1985 112

1931 450 1959 900 1986 25

1932 1900 1960 81 1987 574

1933 620 1961 88 1988 6

1934 438 1962 115 1989 845

1935 379 1963 37 1990 6

1936 390 1964 33 1991 14

1937 39 1965 2500 1992 1793

1938 508 1966 49 1993 1042

1939 1525 1967 82 1994 1108

1940 185 1968 21 1995 75

1941 2220 1969 180 1996 100.9

1942 405 1970 29 1997 638.1

1943 2250 1971 545 1998 4424

1944 273 1972 1616 1999 3107

1945 220 1973 845 2000 1516

1946 134 1974 58 2001 2124

1947 41 1975 272 2002 3642

1948 42.5 1976 388 2003 199.6

1949 1010 1977 646 2004 14

1952 153 1978 167 2005 128

1953 2200 1979 74 2006 370

1980 45 2007 80

2008 2010

CAUDALES MAXIMOS

Perodo

de

Retorno

(T)

PDistribucin

Normal

Distribucin

Log Normal 2

parmetros

Distribucin

Log Normal 3

parmetros

Gamma 2

parmetros

Gamma 3

parmetros

Log-Pearson

tipo IIIGumbel Log Gumbel

2.0 0.500 733.1 278.7 326.8 400.7 464.2 578.8

5.0 0.200 1523.6 1075.1 1037.8 1207.7 1331.5 1409.0

10.0 0.100 1937.2 2179.1 1862.9 1882.8 1968.0 1958.6

25.0 0.040 2378.1 4627.4 3453.7 2816.0 2797.2 2653.1

50.0 0.020 2662.8 7525.9 5135.0 3540.4 3418.3 3168.3

75.0 0.013 2815.6 9769.6 6349.9 3969.0 3779.7 3467.7

100.0 0.010 2918.9 11655.1 7329.7 4274.7 4035.1 3679.7

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

1.0 10.0 100.0

Histrico

Normal

LogNormal 2P

LogGumbel

LogNormal 3P

Gumbel

Gamma 2P

Gamma 3P

Modelo hidrulico Dimensin Descripcin

HEC-RAS ID Flujo permanente y no permanente

MIKE 11ID

Modelo de turbulencia y transporte de sedimentos, llanuras

de inundacin

ISIS 1D

Rgimen variable, desarrolla las ecuaciones de Saint

Venant, por diferencias finitas

DAM BREAK 1DRuptura de presas

IBER 1D, 2D

Modelo de turbulencia y transporte de sedimentos

(volmenes finitos).

ISIS 2D 2D Entorno urbano, estuarios y planicies

MIKE 21 2D

Simula en lagos, estuarios bahas o zonas costeras. Esto

incluye modelizacin de la hidrulica de las mareas,

corrientes generadas por oleaje y viento, tempestades,

oleaje de inundaciones.

RVR Meander 2D Erosin de orillas, migracin

HEC-2 2D

Flujo permanente y no permanente, subcrtico y

supercrtico

River2D 2D

Flujo permanente y no permanente, subcrtico. Incluye

hbitad de peces y evaluacin de hielos

iRIC v2 2D

MIKE 3 3D

Resuelve las ecuaciones de conservacin de masa y

momento, salinidad y temperatura. Simula las variaciones

en el nivel de agua y la velocidad de flujo en lagos, estuarios

bahas o zonas costeras

Modelos hidrulicos

Importancia de la simulacin hidrulica del ro

Importancia de la simulacin hidrulica de ros

Gracias

Chiclayo Vf

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