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Sergio Fattorelli Pedro C. Fernández Diseño Hidrológico DO CL D UI IN C EDICION DIGITAL DISEÑO HIDROL0GICO Segunda Ediciòn Prof. Ing. Sergio Fattorelli Prof. Ing. Pedro C. Fernandez DISEÑO HIDROLOGICO Ediciòn digital publicada en la biblioteca virtual de la DISEÑO HIDROLÓGICO 2º Edición en español E...

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Sergio Fattorelli Pedro C. Fernández

Diseño

EDICION DIGITAL

IN C CL D UI DO

Hidrológico

DISEÑO HIDROL0GICO Segunda Ediciòn

Prof. Ing. Sergio Fattorelli Prof. Ing. Pedro C. Fernandez

DISEÑO HIDROLOGICO Ediciòn digital publicada en la biblioteca virtual de la

DISEÑO HIDROLÓGICO 2º Edición en español Edición digital Diseño de interior: Estudio Fernandez-Dorca Diseño de tapa: Estudio Fernandez-Dorca Ilustraciones: Hugo Yañez Producción del CD: Estudio Fernandez-Dorca Todos los derechos reservados 2011 ISBN:978-987-05-2738-2

Introducción a la edición digital En el transcurso de los últimos decenios los riesgos por eventos naturales extremos, como un fenómeno creciente, han tenido un impacto social y económico relevante en distitos paises del mundo. Al mismo tiempo, la evidencia de que el cambio climático está incrementando la recurrencia de los eventos naturales, tales como sequías e inundaciones, en diversas partes del mundo, ha reforzado el sentido de urgencia por abordar este aspecto tanto por parte de la comunidad científica y académica como de las instituciones responsables del gobierno del territorio. Desde mediados de la década de los ochenta, la tendencia principal en el tema de la intervención relacionada con los desastres, ha sido a favor de visiones más amplias sobre el problema y con tendencias a la formulación de políticas, estrategias e instrumentos de intervención sobre lo que hoy en día se conoce como la gestión del riesgo. En este contexto me es muy grato presentar, como resultado del considerable éxito de la primera edición del libro publicado en el 2007, la edicción digital actualizada del texto de hidrología “Diseño Hidrológico”, del prof. Ing. Sergio FATTORELLI de la Universidad de Padova y de su colega argentino Prof. Ing. Pedro FERNANDEZ, que vantan una colaboracion científica y profesional que dura desde mas de 20 años. El manual, instrumento claro y eficaz para la solución de complejos problemas relacionados con el dimensionamiento de las obras hidráulicas, representa una importante contribución a la formación de los recursos humanos respecto a un tema estratégico a nivel mundial, favoreciendo el proficuo intercambio de conocimientos entre las comunidades científicas y técnicas de la América Latina y de Europa.

Carlos Fernandez-Jáuregui Chief Visionary Officer (CVO) Zaragoza, marzo de 2011

PRESENTACION La modelación matemática de la hidrología de cuenca tiene gran importancia en la interpretación de las interacciones dinámicas producidas entre los sistemas climáticos, terrestres, edafológicos, litológicos e hidrosféricos. La modelación se ha convertido en una componente esencial del manejo integral del recurso hídrico y del medio ambiente. Como se demuestra, los modelos hidrológicos han sido aplicados de manera creciente para dirigirse un gran rango de problemas sociales y de desarrollo que incluyen agua, energía, medio ambiente y ecología. Con el transcurso de los años los problemas ambientales y del recurso hídrico se han vuelto cada vez más complejos intensificando las demandas por soluciones más globales. Estos retos se han enfrentado con la utilización de modelos más sofisticados que no sólo simulan la hidrología de cuenca en una forma detallada, sino que simulan otras componentes del sistema ambiental e hídrico por un lado y el sistema socio-económico por el otro. Además, estos modelos están integrados con Sistemas de Información Geográfica para el manejo de bases de datos y la utilización directa de datos obtenidos de sensores remotos , produciendo resultados de fácil interpretación y utilización por parte de tomadores de decisiones. Actualmente se conocen un gran número de modelos de manejo de cuencas que proveen un amplio rango de análisis. El número y la complejidad de softwares puede ser desmoralizante para cualquiera que trata de seleccionar y entender, a través de la gran cantidad de modelos, cual de ellos puede ser el más útil para una aplicación particular. La motivación de los Autores para la realización de este libro, surge del propósito de proveer una idea comprensiva de algunos de los modelos de computación más populares de la hidrología de cuenca. A tal fin, el objetivo de este trabajo no es solamente ilustrar algunos modelos que abarquen un rango de características como representatividad, compresibilidad, amplia y numerosa aplicabilidad, sino de acompañar al lector en aplicaciones de casos concretos, de tal manera que este pueda utilizarlos autónomamente en el futuro.

La destacada experiencia académica y la distinguida actividad de consultoría de los Autores, conocidos y estimados a nivel internacional en el campo de los recursos hídricos, es sinónimo de un éxito asegurado de esta valiosa iniciativa editorial que será de gran interés y utilidad para aquellos que deseen profundizar en el uso de la modelación hidrológica. París, 2007

Carlos Fernandez-Jauregui Coordinador Adjunto World Water Assessment Programme (WWAP) C/O UNESCO, Division of Water Sciences 1rue Miollis, 75015 Paris, France

PRÓLOGO Este texto involucra la experiencia académica, científica y profesional de sus autores, desarrollada en buena parte en forma separada en diversos continentes, pero realizada también en forma conjunta sobre todo en el último decenio. El objetivo de los autores no es el de escribir otro texto de hidrología, los que hay ya disponibles en idioma español de optimo nivel; sino sobre todo ofrecer un instrumento claro y eficaz bajo el perfil operativo para todos los profesionales y estudiantes que cotidianamente afrontan los problemas mas o menos complejos del diseño hidrológico. Los fundamentos teóricos de este libro son desarrollados rigurosamente dentro del marco y los límites de la filosofía del texto que en ningún momento se separa del objetivo mencionado. En la resolución de los diversos problemas resulta imprescindible, hoy en día, el uso de modelos matemáticos, aunque no están todavía del todo definidos los criterios y modalidades prácticas de selección del modelo mas apropiado a cada circunstancia. La adopción, en realidad de un determinado instrumento de cálculo está a menudo condicionada a razones o situaciones que pueden o no suceder, por ello es frecuente que el profesional opte por el método o modelo que vio durante sus estudios universitarios sin considerar o conocer su verdadera capacidad para resolver un problema específico o también por razones comerciales en relación a la mayor presión de venta de una determinada firma de software, o finalmente a razones puramente académicas por lo que se seleccionan modelos mas recientemente propuestos aunque no suficientemente probados. Los autores, que siempre han auspiciado el progreso científico en el desarrollo de los modelos mas avanzados han querido realizar una selección, sobre la base de su experiencia, de aquellos modelos que mejor responden a criterios no solo de probada confiabilidad y de uso difundido sino también de una adecuada disponibilidad de buena documentación para el usuario y finalmente de una continua actualización tanto en las metodologías técnicas como informáticas.

Por estas razones se le asigna particular importancia al contenido del CD, que acompaña al texto. Este CD contiene los modelos seleccionados en base a los criterios descriptos y en los que, junto al desarrollo de las principales características de los mismos se ha incluido una completa aplicación del modelo obtenida de proyectos reales y donde se incluyen: El elenco de datos de entrada (input), presentación y análisis de los resultados (output) y valores de parámetros. De modo de introducir al lector en las aplicaciones de cada modelo. Teniendo presente que la teoría expuesta en el texto, no cambia tan rápidamente como los modelos, se ha previsto una actualización frecuente del CD manteniendo por mas largo tiempo la edición del texto impreso. Mendoza, Argentina Padova, Italia Febrero del 2007.

Los Autores

NOTA A LA EDICION DIGITAL Esta edición digital, incluida en la biblioteca virtual del Water Assessment & Advisory Global Network, es, a todos los efectos, una segunda edición del manual “Diseño Hidrológico” publicado en Febrero de 2007, con la revisión de los errores de impresión que, invevitablemente afectan la primera edición de un texto, y la nueva edición de algunas partes del texto mismo. A este propósito, los autores desean agradecer BETA Studio de Padova (Italia) por la disponibilidad de aplicaciones de modelos que se presentan en el CD, Francesca Longhini y Gabriel Kaless por la meticulosa revisión del testo, y Luis Fornero por las sugerencias ofrecidas también en esta edición. Los autores, que dedican la presente edición digital a la tercera generación de su familia, Giulio y Gabriele, Aldana, Maximiliano Ramiro y Tomas, por su permanente cariño, esperan que el manual sea todavía util para las nuevas generaciones que se aproximan a los importantes problemas que afectan los recursos hídricos y ambientales. Mendoza, Argentina Padova, Italia Mayo del 2011.

Los Autores

INDICE Página INTRODUCCION A LA EDICION DIGITAL PRESENTACION PROLOGO CAPITULO 1 Introducción Desarrollo de las Ciencias del Agua El Ciclo Hidrológico Distribución Estática del Agua sobre la Tierra Balance Hidrológico Acciones para el Agua

19 20 23 25 27 29

CAPITULO 2 Principios Hidrológicos Básicos Precipitación Agua en el Suelo Escorrentía

33 33 40 74

CAPITULO 3 Mediciones Hidrológicas Introducción Mediciones Puntuales Mediciones de Nieve Evaporación Mediciones de Niveles en Cursos de Agua (ríos, canales) ó cuerpos de agua (lagos) Medición de caudales Sistemas Telemétricos Redes de Medición Regionalización de Redes

79 79 79 83 83 85 87 94 94

CAPITULO 4 Probabilidad y Estadística en Hidrología Datos Hidrometeorológicos Parámetros Estadísticos Probabilidad Análisis de Frecuencia Distribuciones de Probabilidad Ajuste de la Distribución. Estimación de Parámetros Test de Bondad de Ajuste

105 105 109 116 118 127 175 180

Datos Atípicos (Outliers) Análisis de Frecuencia con Poblaciones Diversas

183 185 Página

CAPITULO 5 Análisis de Correlación y Análisis Regionales Correlaciones Simples y Múltiples Curva de Duración de Caudales (CDC) Curva de Masa Análisis de Lluvias Ciclos y Tendencias Análisis Regional de Caudales Máximos, Indice de crecientes Precipitación Máxima Probable Meteorológica Creciente Máxima Probable Generación Regional de Temperaturas

189 189 196 215 216 233 242 244 251 252

CAPITULO 6 La Cuenca y sus Características Geomorfológicas Red de Drenaje Planteamiento General Escalas de Trabajo de los Estudios Hidrológicos Parámetros Geomorfológicos Básicos Tiempo de Concentración Leyes de Hack

255 256 258 258 259 267 268

CAPITULO 7 Modelación de Cuencas Clasificación de los Modelos Hidrograma Selección de un Método de Hidrograma Unitario Modelos de Eventos Selección de Modelos de Eventos, Aplicación y Calibración Modelos de Simulación Contínua Modelos Semi distribuidos y Distribuidos Selección de Modelos Continuos Modelación de Cuencas con Datos insuficientes Estimación de Caudales de Crecientes Método Racional Estudios Regionales para Cálculos de Caudales Máximos

273 276 278 326 327 350 352 356 359 362 363 366 370

CAPITULO 8 Modelos de Tránsito de Ondas en Ríos Métodos Hidrológicos Métodos Hidráulicos Selección de Métodos Modelos

375 376 392 413 418

CAPITULO 9 Página Modelos de Embalses y Lagunas de Laminación Clasificación Dimensionado de Embalses Altura Definitiva y Normas de Operación Tránsito de Crecientes en Embalses Modelos Lagunas de Laminación o Amortiguación

433 433 434 447 447 451 452

CAPITULO 10 Modelos de Rotura de Presas, Terraplenes y Márgenes Diques Naturales Estimación aproximada de las Descargas Potenciales Máximas producidas por Rotura de Presas Modelos

455 458 463 466

CAPITULO 11 Modelos Hidrología Urbana Planeamiento del Sistema de Desagüe Pluvial Sistemas de Drenaje Urbano Planes Maestros Información requerida para el Diseño de un Sistema de Desagües Pluviales Urbanos Redes de Riego como Sistemas de Drenaje Pluvial Modelos El crecimiento Urbano y los Desagües Pluviales Efectos Hidrológicos de la Urbanización

471 471 472 473 474 488 489 490 492

CAPITULO 12 Modelos de Cuencas Nivales Hidrología Nival Precipitación Nival Manto de Nieve (“Snow Pack”) Fusión Nival Análisis Estadísticos Análisis de Escorrentía para Pronósticos de Ingeniería Metodología y Criterios de Selección de Modelos Modelos

495 495 496 497 506 517 518 520 533

CAPITULO 13 Análisis de Riego Hidrológico El Riesgo Aluvional

543 544

Riesgo de Falla de Estructuras y Relación entre Riesgo y Costo Evaluación del Riesgo

Evaluación de Vulnerabilidad, Zonificación del Riesgo Determinación de Zonas Vulnerables y Evaluación de Daños Evaluación de Daños Diseñar Medidas de Control Sistemas de Información Geográfica Modelos Metodología para la Ejecución de Estudios de Factibilidad de Planes de Reducción de Daños por Inundaciones

546 548 Página 550 557 558 560 562 568 571

CAPITULO 14 Sistemas Telemétricos de Monitoreo Hidrometeorológico Hidrología Clásica e Hidrología Operativa Monitoreo Hidrometeorológico Sistemas de Alerta Temprana Aplicación de Técnicas de Radar y Satélite en la Estimación de lluvias NOTA FINAL APÉNDICE A Tabla de Unidades, Dimensiones Equivalencias APÉNDICE B Bibliografía APÉNDICE C Curricula de los autores APÉNDICE D Patrocinadores

575 576 580 590 602

INDICE DEL CD Página Introducción Modelos de Simulación de eventos HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) HEC-1F Modelo para Simulación en Tiempo Real de Eventos de Crecientes ARHymo Modelos de Simulación Contínua Modelo NWSRFS (National Weather Service Rivers Forecast System Modelo H B V Modelo HEC-HMS con el Algoritmo SMA de Simulación Continua y Fusión de Nieve Modelos de Simulación Hidráulica Modelo HEC-RAS (River Análysis System) Modelo DAMBREAK (DAM,BREAK Flood Forecasting Model) Modelos Bidimensionales Modelo Sobek Ejemplos Extensos Estudio Regional de Lluvias Índice de Crecientes Estudio Regional de Crecientes Cálculo de la PMP Meteorológica Cálculo del Hidrograma del SCS Cálculo de CN a través de Imágenes Satelitales Cálculo del Hidrograma de Proyecto de una Cuenca Cálculo Manual del Tránsito de la CMP por un embalse Relleno y Generación de Series de Temperaturas Medias Diarias Caracterización de Tormentas productoras de Aluviones Desarrollo y Aplicación del Método de Pronóstico Cuantitativo de la Precipitación Convectiva (QPF)

3 7 8 154 182 194 194 215 299 324 324 368 395 395 429 429 467 477 509 523 526 528 531 534 539 548

PRIMERA PARTE CONCEPTOS BÁSICOS ( Capìtulos 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 )

1 Introducción La hidrología es una ciencia que trata los fenómenos naturales involucrados en el ciclo hidrológico. El diseño hidrológico busca interpretar y cuantificar esos fenómenos, con el fin de proporcionar un soporte a estudios, proyectos y obras de ingeniería hidráulica, de infraestructura y de medio ambiente. El desarrollo de la tecnología digital ha permitido a la hidrología alcanzar altos niveles de confiabilidad y consecuentemente, convertirse en un elemento clave en múltiples estudios y proyectos relacionados con el uso, manejo y control del agua. Algunas de las múltiples aplicaciones globales del diseño hidrológico relacionados con el control y uso del agua son: • • • • • • • • • • •

Diseño de obras hidráulicas. Dimensionado de embalses y sus estructuras. Estudios de impacto ambiental. Diseño de desagües pluviales urbanos. Diseño de estructuras viales (puentes, alcantarillas...). Estudios de áreas inundables y riesgo de inundaciones. Estudios de las crecientes. Estudios de disponibilidad hídrica y de sequías. Pronósticos de escurrimientos en cuencas nivales y pluviales. Pronósticos hidrológicos en tiempo real y sistemas de alerta temprana de crecientes. Estudios de transporte de sedimentos.

El diseño hidrológico tiene como objetivo la recolección de datos, su análisis y procesamiento posterior, por medios matemáticos o estadísticos, para transformar los datos en información confiable que permita obtener la solución a problemas de ingeniería.

1.1.

DESARROLLO DE LAS CIENCIAS DEL AGUA

Hablar del desarrollo de las ciencias del agua, es hablar de la historia de la humanidad; en el presente libro se hace referencia a los temas de la hidráulica y la hidrología, dejando de lado otras extensas ramas de las ciencias del agua. (Irrigación, Oceanógrafia). Desde el principio las civilizaciones siempre han estado ligadas al agua, por ello no es ninguna sorpresa que las evidencias de grandes civilizaciones antiguas se hayan encontrado a lo largo de las márgenes de ríos. El Tigris y el Eufrates en la Mesopotamia, el Nilo en Egipto, el Indus en la India, el río Amarillo en China, el Tiber en Italia; por cierto que también existieron grandes civilizaciones que dependieron más de las aguas de lluvias, como la antigua Grecia o aquellas que usaron también fuentes de aguas subterráneas como los Persas. Los Egipcios hicieron mediciones de los niveles de las inundaciones del Nilo, desde 3000 años antes de Cristo y las relacionaron con predicciones sobre las condiciones de vida en los meses siguientes y para ello construyeron estructuras especiales llamadas "Nilómetros". Una de las más famosas es la de Roda. Plinio el viejo, cuenta sobre la relación entre los niveles que alcanzaba el río y lo que se podía esperar para las condiciones de vida de la temporada siguiente. Estas civilizaciones construyeron importantes obras de irrigación.

Varios pensadores de la antigüedad hicieron especulaciones sobre el concepto del ciclo del agua o ciclo hidrológico. En la civilización occidental en Grecia, los primeros estudios fueron los de Aristóteles (nacido en la Macedonia en el 385 antes de Cristo) quien estableció conceptos sobre el ciclo hidrológico, pero con algunos criterios erróneos. Theofrasto, discípulo y continuador de Aristóteles, describió correctamente el ciclo hidrológico y dio explicaciones sobre la formación de las nubes y las precipitaciones. La civilización romana marcó un hito fundamental en la práctica de las construcciones hidráulicas basadas en criterios empíricos más bien de tipo constructivo. Los acueductos romanos son considerados una de las maravillas de la ingeniería de la antigüedad, por ejemplo el acueducto de "Acua Marcia" (construido 140 años antes de Cristo) tenía 60 km de longitud de los cuales 50 eran galerías subterráneas y 10 galerías sobre arcos. Cuatrocientos años después de Cristo, Roma era abastecida por 14 acueductos cuyas fuentes se originaban en manantiales, aguas subterráneas y en el río Tiber que proveían de agua corriente a 11 termas, 2000 fuentes y 926 casas particulares. Las termas tenían provisión de agua fría y caliente y salas con calefacción. Además, en Roma tenían un completo sistema de cloacas. Sistemas de desagües urbanos que aún hoy son eficientes, existen en ciudades de Europa que pertenecieron al Imperio Romano. Adicionalmente, los ingenieros romanos hicieron importantes contribuciones acerca de los métodos para explotar acuíferos. Desde el punto de vista científico, una de las contribuciones más importantes a las ciencias del agua en la antigüedad fue la de Archímedes. Archímedes (287-212 antes de Cristo) nacido en Siracusa (Sicilia) fue el creador de la hidrostática y estableció correctamente el principio de la flotación de los cuerpos (principio de Archímedes). Realizó ensayos relacionando el peso específico de metales (oro y plata) con el volumen de agua que desplazaban al ser sumergidos. Sus principios fueron demostrados, más detalladamente luego por Galileo diecisiete siglos después. El período mencionado y hasta el año 1400 después de Cristo, poco se adelantó en el avance de estas cien...