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CAPTULO I: CARACTERIZACIN DE LA CUENCA EN ESTUDIO

1. Seleccin de la cuenca del Ro Chama para la estacin fluviomtrica Chama en Ejido

El Ministerio del Poder Popular para el Ambiente y su departamento de Cuencas Hidrogrficas desde sus inicios hasta principios del ao 2009 estuvo a cargo del manejo del registro de la informacin pluviomtrica y fluviomtrica de las cuencas venezolanas, el manejo de dicha informacin ha sido delegado al Instituto Nacional de Meteorologa e Hidrologa (INAMEH), que, contando ahora con una nueva sede ubicada en Instituto de Estudios Avanzados (IDEA), proporcion la informacin fluviomtrica necesaria de las cuencas a nivel nacional con mayor nmero de aos de registro, as como la informacin pluviomtrica de sus alrededores. Las cuencas del Ro Manzanares en el oriente del pas, Ro Tuy en el centro y Ro Chama en el occidente fueron las tres cuencas con mayor cantidad de registro de informacin, quedando seleccionada para el estudio hidrolgico la cuenca del ro Chama por contar con abundante informacin fluviomtrica, el estudio sera realizado tomando como punto de comparacin de caudales los datos fluviomtricos de la estacin Chama en Ejido.

1.1. Localizacin Geogrfica

La cuenca del ro Chama abarca ms de 3.517 km, en su totalidad el ro tiene una longitud de ms de 200 km, y se ubica en el estado Mrida, siendo el principal ro de la entidad. El ro Chama nace en el pramo de Mucuches, cerca del pico guila a una altura aproximada de 4.000 msnm y es tributario del lago de Maracaibo.

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2. Planimetra y determinacin del rea de estudio.

El Instituto Geogrfico de Venezuela Simn Bolvar (IGVSB) proporcion la informacin cartogrfica en escala 1:25000 del Estado Mrida, especficamente de la Ciudad de Ejido y sus alrededores. Se ha procedido en primer lugar a la delimitacin de la cuenca vertiente, coincidente con las alineaciones montaosas que la bordean. La delimitacin de la cuenca se llev a cabo a partir de la informacin suministrada por 20 planos en la escala mencionada transformndose en informacin digital para un mayor alcance en menor tamao, pudindose entonces conocer las dimensiones totales de la cuenca y del tramo de ro a partir del programa computarizado de dibujo Autocad.

El rea total de la cuenca del Ro Chama en Ejido es de km con un tramo total de ro de aproximadamente 74 km. El tramo de ro comprende desde su inicio en el pramo Mucuches hasta la ubicacin de la estacin fluviomtrica ubicada en la ciudad de Ejido.

Figura No 1. Ubicacin geogrfica de la cuenca en estudio. Fuente : Imgenes satelitales de Google Earth

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2.1. Divisoria hidrolgica de la cuenca

Para poder llevar a cabo el estudio hidrolgico y la simulacin del comportamiento de la cuenca a travs del programa de simulacin HEC-HMS 3.6 es necesario dividir la cuenca en unidades hidrolgicas o sub-cuencas, determinar sus dimensiones y los parmetros geomorfolgicos e hidrolgicos particulares en cada una de ellas que permitirn establecer el aporte de caudal de cada sub-cuenca al cauce principal. A partir de los planos de cartografa se dividi la cuenca del Chama en Ejido en 30 sub-cuencas con reas comprendidas entre 4.93 Km y 204.89 Km, que incluyen 26 tramos de cauce con longitudes comprendidas entre 0.88 km y 8.9 Km y enumerados segn la secuencia de aporte de caudal al cauce principal, calculados a partir del programa computarizado de dibujo Autocad.

2.2. Caracterizacin vegetal y geolgica

Definida la divisoria hidrolgica de la cuenca se determin el tipo geolgico de suelo y el uso de la tierra en cada subcuenca, para esto se utiliz el informe existente en el Centro de Documentacin del Ministerio del Ambiente titulado Study on Chama River Basin Conservation Project elaborado en 1987 para la cuenca del ro Chama en su totalidad, de donde se extrajeron para la parte alta de la cuenca las diferentes caracterizaciones geolgicas presentes en ella: esquisto precolombino, granito paleozoico, roca sedimentaria, roca sedimentaria esquisto, granito precolombino, arena, grava y arcilla; anlogamente se extrajeron las zonas vegetativas en general presentes en la cuenca: zona de bosques altos, bosques bajos y zona de baja vegetacin. Luego utilizando la informacin antes mencionada se ajust el mapa de vegetacin y el mapa geolgico a la zona de la cuenca en estudio y se determin el rea de la cuenca perteneciente a las zonas pobladas actualmente pavimentadas utilizndose la herramienta de internet Google Earth con la finalidad disponer de esta informacin actualizada en lo posible.

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Plano: Figura No 2 Divisoria hidrolgica de la cuenca

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Plano: Figura No 3 Caracterizacin geolgica de la parte alta de la cuenca del Ro Chama

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Plano: Figura No 4 Caracterizacin vegetal de la parte alta de la cuenca del Ro Chama

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3. Seleccin de las estaciones pluviomtricas

Una vez conocida el rea total de la cuenca en estudio es posible ubicar geogrficamente la posicin de cada una de las estaciones pluviomtricas que se encuentran dentro de la misma. La informacin pluviomtrica recaudada corresponde al total de estaciones pertenecientes al estado Mrida con un total de 42 estaciones pluviomtricas, de las cuales 7 estaciones forman parte de la cuenca en estudio las cuales se nombran a continuacin: estacin Tabay, estacin La Punta, estacin Valle Grande, estacin Mrida Aeropuerto, estacin Mucubaj, estacin Mucuches y estacin Pramo Pico el guila. Las estaciones ubicadas en los alrededores de la cuenca a una distancia tal que permitiese incorporarlas dentro del mtodo de los polgonos de Thiessen para el clculo de la precipitacin promedio para reas, fueron igualmente introducidas en el estudio hidrolgico, stas estaciones son : estacin Mesa de Ejido y estacin El Morro.

Las estaciones pluviomtricas seleccionadas para el estudio hidrolgico a excepcin de la estacin Mrida Aeropuerto y la estacin Mucuches, presentan informacin de al menos 19 aos de registro en el caso de la estacin La Punta y tienen un mximo de 35 aos como lo es en el caso de la estacin Pramo Pico el guila, se cuenta con la data de intensidades de 15 min, 30 min, 1 hora, 2 horas, 3 horas, 6 horas, 9 horas, 12 horas y 24 horas. Las estaciones Mrida Aeropuerto y Mucuches quedan descartadas dentro del estudio por no poseer el mnimo de informacin procesable de 10 aos para la prediccin de profundidades de lluvia, contando cada una slo con dos aos de registros.

3.1. Influencia de cada pluvimetro sobre la cuenca y subcuencas

Una vez determinadas el total de unidades hidrolgicas y la ubicacin exacta de los pluvimetros que participaran dentro de la caracterizacin de la cuenca, se utiliz el mtodo de los polgonos de Thiessen para calcular el rea de la cuenca y subcuencas que seran influenciadas por cada una de las siete estaciones. El peso de lluvia de cada estacin sobre la cuenca total en porcentaje queda de la siguiente manera: estacin La Punta 20.22%, estacin Tabay 25.10%, estacin Valle Grande 26.19%, estacin Mucubaj 16.63%, estacin Pramo Pico El guila 6.92%, estacin Mesa Ejido 3.75% y estacin El Morro 1.19%. El peso de cada pluvimetro sobre cada una de las subcuencas se presenta detallado en los anexos referentes a la obtencin de los parmetros hidrolgicos y geomorfolgicos de la cuenca.

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Plano: Figura No 5 Estaciones pluviomtricas y polgonos de Thiessen

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CAPITULO II: CLCULO DE PROBABILIDADES

1. Datos de escorrentas

La estacin Chama en Ejido presenta informacin de caudales medios con una data de 28 aos de registro con un porcentaje de datos faltantes aproximado del 3%, gastos mximos instantneos con 21 aos de registro y un 2% de datos faltantes y gastos mnimos instantneos con 16 aos de registro y 4 % de datos faltantes.

1.1. Prediccin de eventos, medios, mximos y mnimos

Los gastos medios fueron procesados mediante el mtodo estadstico de distribucin Log Pearson tipo III, utilizando para ello el programa Smada 6.0, obtenindose la prediccin del gasto medio mximo para los siguientes perodos de retorno: tr = 100 aos, tr = 50 aos, tr = 25 aos, tr = 10 aos, tr = 5 aos y tr = 2.3 aos (correspondiente al perodo de retorno de una tormenta anual). Obtenida la prediccin de los gastos medios para los distintos tiempos de retorno, se grafic cada valor de acuerdo al perodo de retorno al cual est sujeto y la lnea de tendencia a la cual se ajust mejor la curva. (Ajustndose mejor la tendencia logartmica como se esperaba)

Anlogamente fueron procesados los gastos mximos instantneos, los gastos mnimos fueron estimados a travs de la distribucin Weibull para sequas para los perodos de retorno antes mencionados. Finalmente se graficaron las predicciones de los gastos mximos y mnimos en funcin de sus perodos de retorno y sus tendencias. (Ajustndose mejor la tendencia logartmica como se esperaba)

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2. Datos de lluvias

Las siete estaciones pertenecientes a la caracterizacin de la cuenca cuentan al menos con 16 aos de registro y tienen un mximo de 35 aos, para las nueve intensidades mencionadas anteriormente, sin embargo el porcentaje de datos faltantes es variable y mucho ms elevado que el presentado en el caso de los registros de caudal y se presentan en muchos casos en los meses de abundante lluvia (a excepcin de la estacin pluviomtrica Mucubaj la cual cuenta con un registro histrico con un porcentaje de datos faltantes muy bajo). La data faltante no es reemplazable solo completando datos climticos (como se hara en el caso de datas de lluvias promedio mensuales y anuales) por tratarse de datos mximos puntuales considerados impredecibles desde cualquier punto de vista y an ms si se desconoce el dato de un mes hmedo o donde ocurren eventos mximos para otros aos. Para llevar a cabo el procesamiento de los datos mximos de las diferentes intensidades se eliminaron los aos con muy poca data por ser pocos representativos y porque era probable que no contuvieran el dato mximo ocurrido, seguidamente se promediaron los valores mximos provenientes de los aos seleccionados para luego eliminar de la data a aquellos valores comprobados como errores de transcripcin en la data y, aquellos valores que se alejaran considerablemente del valor medio calculado; con esto se intenta obtener una data de registros homogneos que al ser procesados estadsticamente arroje una prediccin o mximo probable representativo.

2.1. Prediccin de lluvias mximas

Las intensidades mximas fueron procesados mediante el mtodo estadstico de distribucin de los valores extremos tipo I de Gumbel, utilizando para ello el programa de prediccin Smada 6.0, obtenindose la prediccin de la profundidad mxima para los siguientes perodos de retorno: tr = 100 aos, tr = 50 aos, tr = 25 aos, tr = 10 aos, tr = 5 aos y tr = 2.3 aos (correspondiente al perodo de retorno de una tormenta anual) y para cada una de las intensidades que van desde 15 min hasta 1440 min para el caso de un da, para un total de 54 datas procesadas.

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Obtenida la prediccin de las profundidades mximas en mm para cada estacin pluviomtrica, para los distintos tiempos de retorno, se grafic cada valor de acuerdo al perodo de retorno y a la duracin a la cual est sujeto, estas son las curvas profundidad-duracin-frecuencia (PDF) presentadas en los anexos referentes al procesamiento estadstico de los datos de lluvias y caudales. En este caso se ajust mejor la tendencia de curva potencial pese a que se esperaba un mejor ajuste para la tendencia exponencial.

Las curvas PDF de cada estacin se desagregaron a partir de dos nuevas curvas: una primera curva que tiene una duracin de 0 a 1 hora y una segunda curva que tiene una duracin que va de 1 a 24 horas. Esta divisin fue necesaria para ajustar la curva PDF lo mximo posible, ya que el tendencias de la curva cambian a partir de una hora.

La ecuacin perteneciente a las curvas de tendencias de las curvas PDF generadas para cada estacin, especficamente para Tr = 100 aos y Tr = 2.3 aos, se utiliz en la determinacin de las profundidades de lluvias en intervalos de 30 min.; stas fueron utilizadas para la creacin de los hietogramas de bloques alternos de lluvia total de cada estacin. La maximizacin del ajuste arroj valores ms exactos en las profundidades utilizadas en la creacin de los hietogramas.

Se dividi la prediccin de las profundidades entre la duracin para la cual fue calculada obtenindose la prediccin de la intensidad la cual se grafic de acuerdo al perodo de retorno y a la duracin a la cual est sujeto y la lnea de tendencia a la cual se ajust mejor la curva (en este caso se ajust mejor la tendencia de curva potencial pese a que se esperaba un mejor ajuste para la tendencia exponencial), estas son las curvas intensidad-duracin-frecuencia (IDF) presentadas al igual que las curvas PDF en la parte B de los anexos referentes a los datos de lluvias y caudales.

Conocidas las predicciones de todas las estaciones para todas las intensidades, se determin la tormenta de diseo perteneciente a cada tiempo de retorno, siendo esta la caracterizacin meteorolgica a simular a travs del HEC-HMS 3.6, presentadas en los anexos referentes a los datos y parmetros calculados para la simulacin.

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CAPITULO III: SIMULACIN Y MODECION HIDROLGICA

1. Parmetros hidrolgicos y geomorfolgicos

Hasta este punto, se han podido calcular parte de los parmetros que se utilizarn en la simulacin del modelo de cuenca. Ha sido calculado el rea total de la cuenca y el de las 30 subcuencas, la longitud total del cauce dentro del rea de estudio y la longitud de los 25 tramos en que se subdivide, las cotas superiores e inferiores de las vertientes principales en las subcuencas y en los tramos de ro y por ende las pendientes que describen sus trayectorias, se determin estructura geolgica y el tipo de vegetacin para cada subcuenca; todos estos parmetros pertenecen a las caractersticas geomorfolgicas de la cuenca.

En cuanto a los parmetros que describen la hidrologa del lugar y forman parte de los datos de entrada del modelo, se han calculado las tormentas de diseo para los diferentes tiempos de retorno con particular atencin en las tormentas de tiempos de retorno de 100 y 2.3 aos, y la influencia de cada de pluvimetro sobre cada subcuenca, por lo tanto el modelo meteorolgico y los datos de series temporales de la simulacin han sido determinados.

1.1. Componentes de prdidas iniciales

Para simular los componentes que describirn las abstracciones o prdidas iniciales se aplicar el mtodo del nmero de curva Curve Number; es necesario determinar el porcentaje de impermeabilidad de las subcuencas, el nmero de curva que representa a cada una y las abstracciones iniciales.

1.1.1. Nmero de curva y abstracciones iniciales

Para determinar el nmero de curva, se utilizaron las tablas elaboradas por el Soil Conservation Service (Ven Te Chow), a partir de las condiciones de humedad antecedente normales. Para la estimacin de los valores del nmero de curva se utilizaron los mapas de usos y tipos de suelos de las subcuencas presentados en las figuras 3 y 4. Conocidos los nmeros de curva de cada subcuenca se determin la mxima retencin de caudal en cada una, a partir de la

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ecuacin 4.7 del captulo IV del marco terico antecedente, y a partir de la retencin mxima se calcularon las abstracciones iniciales con la ecuacin 4.5 del mismo captulo.

1.1.2. Porcentaje de impermeabilidad de las subcuencas A travs de imgenes satelitales en planta de Google Earth se pudo estimar la ubicacin de las ciudades de Mrida, Tabay y Ejido dentro del rea de la cuenca, luego se determin la ubicacin de stas en cada subcuenca, obtenindose el porcentaje de impermeabilidad en cada una.

1.2. Componentes para la transformacin de lluvias en escorrenta

Para simular los componentes que describirn la transformacin de la lluvia en escorrenta es necesario determinar el tiempo de retardo para cada subcuenca

1.2.1. Tiempo de retardo Conocidos los nmeros de curva de las subcuencas y la longitud hidrulica de la mayor vertiente en cada una, se determin el tiempo de retardo en horas para cada subcuenca a partir de la ecuacin 4.22 del captulo IV del marco terico antecedente.

1.3. Componentes para el trnsito de avenidas

Para simular los componentes que describirn el trnsito de avenidas

en los tramos de ro, es necesario determinar las constantes X y K descritas en la ecuaciones 4.10 a 4.19 del captulo IV del marco terico antecedentes. Estas ecuaciones resultan de iteraciones sucesivas como lo describe el mtodo. En el lugar de las iteraciones se calcular el tiempo de concentracin en los tramos del cauce a partir de la ecuacin de Kirpich (1940):

tc = 0,01947 L0,77 S-0,385

en donde, tc = tiempo de concentracin (min); L = longitud del cauce principal (m); y S = pendiente promedio del cauce principal (m/m). La constante K para el amortiguamiento se igual al tiempo de concentracin; partiendo de la tabla de tc vs. k elaborada por Clark

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(Luis Franceschi, 1983. Drenaje vial), en donde, los tiempos de

concentracin menores a una hora arrojarn valores de K aproximados al tiempo de concentracin. A la constante X en el amortiguamiento se le asignar un valor de 0.2 en todos los tramos, valor general utilizado como un promedio del rango de valores entre 0.1 y 0.3.

2. Descripcin del proceso de simulacin

La estimacin de las abstracciones iniciales se ha realiz con el mtodo del nmero de curva Curve Number .La escorrenta generada se transforma en caudal a partir del hidrograma de respuesta a las tormentas de diseo empleando el mtodo del hidrograma adimensional del Soil Conservation Service. El hidrograma se trasmite a lo largo del cauce, este proceso es llamado trnsito de avenidas. Se han definido 25 tramos a transitar en la parte alta de la cuenca del ro Chama. Siguiendo las recomendaciones descritas en el manual de referencia tcnica del programa HEC-HMS. El trnsito en el cauce se ha realizado mediante el mtodo Muskingum.

Con todos estos datos se han generado nueve casos de simulacin, funcin del modelo seguido de trabajo (nmero de curva, Muskingum e hidrograma adimensional del SCS), para condiciones de humedad edficas medias para los seis periodos de retorno T = 2.3, 5, 10, 25, 50, 100 aos. A fines de este trabajo de grado solo se simular el comportamiento de la cuenca para los tiempos de retorno de 100 y 2.3 aos, ya que dos simulaciones permiten establecer los pasos necesarios para la realizacin del manual que se tiene como objetivo principal. La obtencin de los parmetros geomorfolgicos e hidrolgicos necesarios para llevar a cabo la simulacin estn reflejados en las tablas provenientes de hojas de clculo en Excel presentadas en los anexos.

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Figura No 6. Simulacin de la divisoria hidrolgica Fuente: Elaboracin propia en HEC-HMS

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3. Calibracin del modelo

Los parmetros geomorfolgicos e hidrolgicos determinados fueron ingresados en el modelo de simulacin, en los 4 renglones de datos ubicados en el escritorio del modelo: Modelo de cuenca: ingresa los datos de los tres componentes que simulan las caractersticas de la cuenca en estudio: prdidas iniciales, transformacin de lluvias en escorrenta y trnsito de avenidas; modelo meteorolgico: ingresa la influencia de los pluvimetros sobre cada subcuenca; serie de datas temporales: ingresa las tormentas o lluvias de proyecto que sern simuladas y control de especificaciones: ingresa las indicaciones de cuando empezar y terminar de computar la simulacin.

Ingresados los parmetros se procedi a simular para la lluvia de 100 aos de perodo de retorno. Los resultados de la simulacin reflejaron la escorrenta en cada subcuenca, la amortiguacin en los tramos y la suma de hidrogramas en las confluencias, presentados en los anexos referentes a la simulacin.

La prediccin del caudal mximo en la estacin hidromtrica Chama en en Ejido para 100 aos de perodo de retorno es de 634 m/sg. Los valores de los parmetros originales fueron tratados para lograr la calibracin, en especial aquellos parmetros ms sensibles como lo son el nmero de curva del cual dependen el tiempo de retardo y las abstracciones iniciales. La calibracin se llev con xito considerando condiciones antecedentes de humedad normales (AMC II), con las abstracciones iniciales, nmero de curva y tiempo de retardo sujetos a estas condiciones. Alcanzndose para la estacin fluviomtrica un caudal mximo de 660.9 m/sg, cercano a la prediccin de caudal para este tiempo de retorno.

Concluyendo con esta simulacin que las condiciones dadas en la cuenca del ro Chama pertenecen a condiciones de humedad normales (con las abstracciones, nmero de curva y tiempo de retardo sujetas a estas condiciones), a los porcentajes de impermeabilidad dados y a las constantes utilizadas en la amortiguacin de los tramos de cauces, se simul para un perodo de retorno de 2.3 aos para comparar el comportamiento de la simulacin para tiempos de retornos con gran diferencia. La calibracin en este caso tuvo xito con las condiciones iniciales pero haciendo la reduccin de las abstracciones iniciales en un 65%, ste era el nico parmetro manipulable que no alteraba las condiciones establecidas para la simulacin de Tr = 100 aos y permita calibrar. Es posible que la frmula utilizada por el SCS para calcular las abstracciones iniciales no sea igual de acertada para diferentes perodos de retornos.