Anexo N 9.Estudio de Hidrología

Ministerio de Obras Públicas y Transportes
Análisis hidrológico para la construcción de un edificio
de 10 niveles
Plaza Víquez, San José
Ing. Rafael Alfaro Solano
Marzo, 2014
ÍNDICE GENERAL
1
Introducción .............................................................................................................................. 1
1.1
Objetivos ............................................................................................................................ 3
1.1.1
Objetivo general........................................................................................................ 3
1.1.2
Objetivos específicos ................................................................................................ 3
2
Condición actual ....................................................................................................................... 4
3
Caracterización climática de la zona de estudio .................................................................. 7
4
Determinación de Caudales de Escorrentía.......................................................................... 8
4.1
Metodología utilizada ...................................................................................................... 8
4.2
Información hidrológica disponible .............................................................................. 8
4.3
Tiempo de concentración y tiempo de retardo. ......................................................... 11
4.4
Área tributaria................................................................................................................. 11
4.5
Coeficientes de escorrentia............................................................................................ 13
4.6
Cálculo de caudales de escurrimiento ......................................................................... 14
5
Estructura de manejo de aguas ............................................................................................ 14
6
Conclusiones ........................................................................................................................... 15
7
Referencias............................................................................................................................... 15
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Caracteristicas climatologicas de las subregion Valle central 2 .................................. 8
Tabla 2. Uso de suelo actual y coeficiente de escorrentía asociado ......................................... 14
Tabla 3. Uso de suelo futuro y coeficiente de escorrentía asociado ........................................ 14
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Ubicación de zona de estudio - hoja cartográfica Abra (1:50000) ............................. 2
Figura 2. Uso de suelo de la propiedad según PRUGAM .......................................................... 4
Figura 3. Resumen de distribución del uso de suelo antes del proyecto ................................. 5
Figura 4. Fotografía de Distribución del uso de suelo antes del proyecto ............................... 5
Figura 5. Fotografías de la estructura actual ................................................................................ 6
Figura 6. Subregión climática de la cuenca del río Palacios ....................................................... 7
Figura 7. Curvas IDF Estación san José ......................................................................................... 9
Figura 8. Ubicación de la estación y la zona de estudio ........................................................... 10
Figura 9. Plan maestro del proyecto ............................................................................................ 12
Figura 10. Coeficientes de escorrentía a utilizar con el método racional. .............................. 13

Deslizamientos
Estudios de suelos
 Pilotes preexcavados
 Consultoría en geotecnia
Control de calidad de materiales


San José, 12 de febrero de 2015
IG 060-2015
Señores
Ministerio de Obras Públicas y Transportes
Departamento de Proyectos y Diseños
Dirección de Edificaciones Nacionales
Atención: Ing. Álex Cubillo Campos
Presente
Estimado ingeniero:
Nos complace presentarle el estudio hidrológico realizado por nuestra empresa, en las
instalaciones del plantel del MOPT ubicado en el Barrio González Víquez del distrito 04
Catedral, cantón 01 San José, provincia 01 San José; sitio donde se proyecta la construcción
de un edificio de 10 niveles incluyendo un sótano.
Quedando en la mayor disposición de aclarar cualquier aspecto que considere necesario,
nos despedimos.
Atentamente;
INGEOTEC S.A.
Ingenieros Consultores
Ing. Sergio Sáenz Aguilar; MSc.
- Presidente -
cc.: Archivo (IG-060-15) MOPT – Edificio 10 niveles – San José centro.doc
Análisis hidrológico para la construcción de un edificio de 10 niveles
1
MOPT
INTRODUCCIÓN
En atención a la solicitud formulada por el Ministerio de Obras Públicas y Transportes, se
llevó a cabo el presente estudio hidrológico, en las instalaciones del plantel del MOPT
ubicado en el Barrio González Víquez del distrito 04 Catedral, cantón 01 San José,
provincia 01 San José; sitio donde se proyecta la construcción de un edificio de 10 niveles
incluyendo sótano y azotea (Figura 1).
Es de suma importancia para el estudio, planificación y manejo de los recursos hídricos la
caracterización del comportamiento del agua en las áreas superficiales y subterráneas de la
Tierra, además de conocer su distribución y circulación; en un área determinada.
Ante cualquier proyecto de ingeniería, es responsable y necesario realizar diversos análisis
y estudios, entre ellos un estudio hidrológico, con el propósito de determinar la posible
afectación del proyecto al ambiente y a las condiciones previas al proyecto, de esta manera
proponer obras u acciones menores que permitan minimizar dicha afectación.
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MOPT
FIGURA 1. UBICACIÓN DE ZONA DE ESTUDIO - HOJA CARTOGRÁFICA ABRA (1:50000)
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1.1
MOPT
OBJETIVOS
1.1.1
OBJETIVO GENERAL
Realizar un análisis hidrológico para la determinación de la afectación de la construcción
del edificio de 10 niveles del Ministerio de Obras Publicas y Transportes a las obras
actuales en las que se dispone la escorrentía superficial, y en el caso de que se requiera la
proposición de obras que minimicen la posible afectación.
1.1.2



OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar física y climáticamente la cuenca en el punto de interés.
Realizar un reconocimiento de las obras actuales de control de aguas pluviales en las
zonas aledañas al proyecto.
Determinar los caudales máximos para eventos de precipitación en la propiedad en
análisis para las condiciones previas y después de desarrollado el inmueble.
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2
MOPT
CONDICIÓN ACTUAL
El uso de suelo actual del terreno, según el levantamiento realizado por PRUGAM, indica
que el terreno en análisis consiste en una Entidad Gubernamental y pública. Tal y como se
presenta en la siguiente figura:
FIGURA 2. USO DE SUELO DE LA PROPIEDAD SEGÚN PRUGAM
HOJA CARTOGRÁFICA MARÍA AGUILAR (1:10 000)
Con respecto a un análisis de imágenes aéreas se puede determinar la distribución de los
usos locales que posee el lote en análisis.
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MOPT
17%
83%
Zonas pavimentadas
Estructuras techadas
FIGURA 3. RESUMEN DE DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO ANTES DEL PROYECTO
FIGURA 4. FOTOGRAFÍA DE DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELO ANTES DEL PROYECTO
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MOPT
De las figuras anteriores, es importante comentar que actualmente la propiedad en
análisis posee usos que impermeabilizaron completamente toda el área de la misma. En la
figura siguiente se presentan fotografías de la propiedad en análisis.
FIGURA 5. FOTOGRAFÍAS DE LA ESTRUCTURA ACTUAL
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3
MOPT
CARACTERIZACIÓN CLIMÁTICA DE LA ZONA DE
ESTUDIO
Según Solano y Villalobos (1997) Climatológicamente el sitio de proyecto se encuentra en
la región Valle Central, específicamente en la subregión VC2 la cual se extiende desde el
Alto de Ochomogo hasta Juan Viñas comprendiendo los valles del Guarco y de Orosí,
hacia el Norte el límite es el Macizo del Irazú mientras que al Sur con la cordillera de
Talamanca. (Figura 6).
FIGURA 6. SUBREGIÓN CLIMÁTICA DE LA CUENCA DEL RÍO PALACIOS
FUENTE: SOLANO Y VILLALOBOS, 1997
En general el clima de la subregión VC2 se considera de meseta central, las características
climáticas de la subregión se presenta de forma resumida en la siguiente tabla:
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MOPT
TABLA 1. CARACTERISTICAS CLIMATOLOGICAS DE LAS SUBREGION VALLE CENTRAL 2
Precipitación
media anual
(mm)
Temperatura
máxima media
anual (°C)
Temperatura
mínima media
anual (°C)
Temperatura
media anual
(°C)
Días con
lluvia
promedio
Periodo
Seco
(meses)
2016
26
15
20
128
1
FUENTE: SOLANO Y VILLALOBOS, 1997
4
4.1
DETERMINACIÓN DE CAUDALES DE ESCORRENTÍA
METODOLOGÍA UTILIZADA
Como método para el cálculo de los caudales de diseño se utiliza el método racional, el cual
es recomendado por el Código de instalaciones hidráulicas y sanitarias del Colegio
Federado de Ingenieros y Arquitectos de Costa Rica (CFIA) y el Reglamento Técnico para
Diseño y Construcción de Urbanizaciones del Instituto Costarricense de Acueductos y
Alcantarillados (AyA). En este método se obtiene el caudal (m3/s) de escurrimiento
instantáneo máximo de descarga de una superficie de drenaje por medio de la siguiente
relación:
Donde:
C: Coeficiente de escorrentía que representa la relación del ritmo de escurrimiento con
respecto al ritmo de precipitación (adimensional)
i : Intensidad de la lluvia asociada a una duración y a un período de retorno (mm/h)
A: área de drenaje (m2)
En este caso es adecuado utilizar la fórmula racional, debido a que estamos analizando un
área menores a los 5 km2; si la superficie analizada fuera de mayor tamaño es necesario
obtener el caudal por medio de un método basado en modelación hidrológica.
4.2
INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DISPONIBLE
Con el fin de encontrar la precipitación de diseño, se utilizaron los valores de
precipitaciones de la estación pluviográfica San José.
Para determinar los hietogramas de diseño se utilizó la relación intensidad-duraciónfrecuencia desarrollada por Murillo (1994) para la estación San José; la cual se puede
representar por la siguiente ecuación:
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MOPT
Donde:
i : intensidad máxima (mm/hr).
d : duración de la lluvia (min).
TR: período de retorno (años).
200
180
160
Intensidad (mm/h)
140
120
100
80
60
40
20
0
20
40
60
80
100
120
Duración (min)
5
10
25
50
100
FIGURA 7. CURVAS IDF ESTACIÓN SAN JOSÉ
Para determinar si la curva IDF estación San José debe corregirse para ser utilizada en el
análisis hidrológico del sitio en análisis, se utiliza el mapa de Isoyetas generado por
Vahrson y Dercksen en el año 1990, el cual fue determinado para precipitaciones con
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Análisis hidrológico para la construcción de un edificio de 10 niveles
MOPT
periodo de retorno de 10 años y duracion de 15 min. El mapa y la ubicación de la zona de
estudio y la estación se presentan en la figura siguiente:
FIGURA 8. UBICACIÓN DE LA ESTACIÓN Y LA ZONA DE ESTUDIO
MODIFICADO DE: VAHRSON Y DERCKSEN, 1990
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MOPT
Por lo tanto, bajo el supuesto que el mapa es representativo para otros periodos de retorno
y duraciones se puede apreciar que la estación San José puede representar
climatológicamente el área de estudio.
Para el caso particular de este análisis, se utilizará un período de retorno de diseño de 25
años, el cual es mayor que el recomendado como mínimo en la normativa nacional pero
resulta apropiado para el análisis de estructuras pluviales de obras como la analizada.
4.3
TIEMPO DE CONCENTRACIÓN Y TIEMPO DE RETARDO.
Para determinar la duración de la tormenta se debe calcular el Tiempo de Concentración,
que es el tiempo que tarda el agua en viajar desde el punto más alejado de la cuenca hasta
el sitio de análisis. Se dispone de diversas fórmulas para ello, cada una derivada para
determinadas circunstancias que deben ser compatibles con las características del sitio que
se pretende estudiar.
Dado el tamaño del proyecto, se procede a utilizar como tiempo de concentración el valor
mínimo estipulado en la regulación nacional de 10 minutos, dicho valor se toma como la
duración de la tormenta de diseño.
4.4
ÁREA TRIBUTARIA
Considerando el levantamiento topográfico del terreno en donde se construirá el
desarrollo y el diseño de sitio del proyecto, se estableció que el área neta utilizable
corresponde a la totalidad de la propiedad bajo estudio y tiene un área de 9964 m², es
importante comentar que el hecho de que el proyecto es pequeño y debido a la topografía
del sitio se realiza el análisis para una única área tributaria.
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MOPT
FIGURA 9. PLAN MAESTRO DEL PROYECTO
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4.5
MOPT
COEFICIENTES DE ESCORRENTIA
Para considerar el cambio en el uso del suelo del proyecto, se utilizan los coeficientes de
escorrentía, los cuales representan la fracción de la precipitación que escurren de manera
directa. Para la determinación de estos coeficientes es necesario conocer la distribución que
tendrá la propiedad luego de que se desarrolle el proyecto; para esto se utiliza la
distribución en planta del proyecto presente en la figura anterior, posteriormente se
procede a comparar los datos de uso y cobertura de suelo actual y futuro con los datos
presentes en la figura siguiente tomada del libro Hidrología Aplicada (Chow y otros, 1994)
y en la normativa nacional (Código de Instalaciones hidráulicas y Sanitarias, Manual de
fraccionamientos del Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados).
FIGURA 10. COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA A UTILIZAR CON EL MÉTODO RACIONAL.
FUENTE: CHOW, MAIDMENT Y MAYS, 1994.
En las tablas siguientes, se presentan la discretización de los diferentes usos de suelo que
tendrá el terreno del proyecto tanto para la condición actual como luego de desarrollado el
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MOPT
proyecto, así mismo se presentan los coeficientes de escorrentía asociados a estos usos de
suelo.
TABLA 2. USO DE SUELO ACTUAL Y COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA ASOCIADO
Uso
Zonas
pavimentadas
Estructuras
techadas
Área
Coeficiente
de
escorrentía
8 303
0,86
1 661
0,88
Coeficiente
de
escorrentía
Ponderado
0,863
TABLA 3. USO DE SUELO FUTURO Y COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA ASOCIADO
Uso
Zonas
pavimentadas
Estructuras
techadas
4.6
Área
Coeficiente
de
escorrentía
5 166
0,86
4 798
0,88
Coeficiente
de
escorrentía
Ponderado
0,870
CÁLCULO DE CAUDALES DE ESCURRIMIENTO
En la tabla siguiente se resumen los resultados del caudal para los escenarios propuestos:
Coeficiente Intensidad
Caudal de
Caudal de
de
de la
escurrimiento escurrimiento
escorrentía precipitación
(m3/s)
(l/s)
ponderado
(mm/h)
Condición
Actual
Condición
Futura
5
0,863
143
0,342
341,7
0,870
143
0,344
344,2
ESTRUCTURA DE MANEJO DE AGUAS
Mediante una visita al sitio y dada la ubicación de la propiedad en estudio, se determinó
que actualmente la escorrentía del terreno se moviliza por la superficie del terreno hasta el
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MOPT
cordón y caño existente. Luego la misma se transporta en el sistema de alcantarillado
pluvial existente.
Dado que el cambio en las condiciones superficiales del proyecto no alteran
significativamente la capacidad de infiltración del terreno (ya que actualmente se
encuentra impermeabilizado en su totalidad), el proyecto en sí no generará afectación a
las estructuras actuales, ya que los caudales máximos esperados son relativamente iguales.
6
CONCLUSIONES
Se caracterizó la climatológicamente el área de proyecto y se realizó una recopilación de
información hidrológica con el fin de determinar las caudales de diseño.
Actualmente el terreno en análisis posee un uso de techos y pavimentos, mismo que no
cambiará cuando se desarrolle el proyecto.
Se determinó el caudal para las condiciones antes y después de desarrollado el proyecto, y
se encontró que con la construcción del mismo no generará una mayor afectación a las
estructuras hidráulicas existentes, debido a que el proyecto no produce una
impermeabilización mayor al terreno.
7
REFERENCIAS
Aparicio, F. (1992). Fundamentos de hidrología de superficie. Mexico, D.F.: Limusa.
Chow, V. t., Maidment, D., & Mays, L. (1994). Hidrología aplicada. Bogotá: Mc Graw Hill.
Porras, P. (2011). Notas Hidrología. San José: Universidad de Costa Rica.
Serrano, A. (2011). Notas Hidrología. San José: Universidad de Costa Rica.
Solano, J., & Villalobos, R. (sf). Regiones y Subregiones climáticas de Costa Rica. Instituto
Meterológico Nacional.
USACE. (2000). HEC-HMS Hydrologic Modeling System Technical Reference Manual. Davis,
California.
USACE. (2010). HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual. Davis,
California.
Vahrson, G., & Dercksen, P. (1990). Intensidades Críticas de Lluvia para el diseño de obras
de conservación de suelos en Costa Rica. Agronomía Costarricense , Número 14 - Volumen 2.
Vahrson, G., Alfaro, M., & Arauz, I. (1992). Curvas de intensidad duración frecuencia para los
centros urbanos más importantes de Costa Rica. San José: IV Congreso Nacional de Recursos
Hidráulicos.
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