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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS
Evaluación de hidrogramas en la parte alta de la
cuenca del río La Antigua, Ver., aplicando el modelo
HEC-HMS
TESINA
Que para evaluar la experiencia educativa
Experiencia Recepcional (MEIF) del Programa Educativo
Licenciatura en Ciencias Atmosféricas
Presenta
VICTORIA DE LOS ÁNGELES ULLOA GUTIÉRREZ
Dr. Juan Cervantes Pérez
Director
Xalapa-Enríquez, Veracruz
M. en I. Domitilo Pereyra Díaz
Director
Septiembre 2013
1
Agradecimientos
A Dios, por darme la sabiduría
para poder concluir esta meta en mi vida,
a pesar de los obstáculos y dificultades.
A mis padres y hermano, por estar conmigo
siempre apoyando cada uno de mis pasos, por
su amor y comprensión ante cada uno de mis
tropiezos.
A ti Josué por ser parte de mi historia, por
tu amor, tu paciencia, por motivarme siempre
para seguir mis sueños.
A mi princesa Alicea, por ser mi razón de ser,
mi mayor inspiración de lucha.
Al Dr. Juan Cervantes por creer y confiar en mí,
Por el apoyo que siempre me brindo, por
guiarme en este camino.
2
Dedicatoria
A mi pequeña princesa Alicea te dedico este y todos los logros de mi
vida, porque eres y serás siempre mi razón de existir, mi fuerza,
mi inspiración, simplemente eres mi todo.
3
ÍNDICE
Página
1.
INTRODUCCIÓN
2
1.1
Hipótesis
3
1.2
Objetivo
3
2.
DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO
2.1
2.2
Climatología
Tipos de climas
5
6
2.3
Hidrografía
8
2.4
8
2.5
Sistemas atmosféricos a escala regional que afectan a la
región
Uso de suelo
2.6
Escurrimiento
9
3.
METODO
11
3.1
3.2
Descripción del modelo HEC-HMS
Componentes dentro del software
11
12
3.2.1
3.2.2
3.3
3.4
3.5
Modelo de cuenca
Modelo meteorológico
Especificaciones de control
Datos de entrada
Calibración del modelo HEC-HMS
12
12
13
13
13
3.6
Método del Flujo Base (Baseflow Method)
17
3.7
Método de transformación (Method transform)
17
3.8
Datos de precipitación
18
19
4.
RESULTADOS
5.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
35
6.
REFERENCIAS
37
4
9
4
1. INTRODUCCIÓN
En la hidrología es importante predecir algunas variables físicas y análisis de las
cuencas
hidrográficas,
como
son
el
escurrimiento,
evapotranspiración,
infiltración, entre otros dentro de un determinado tiempo y lugar en específico.
Para la predicción de las variables se utilizan modelos numéricos de lluviaescurrimiento que se adapten a las características de una cuenca hidrográfica,
entre estos modelos se encuentra el HEC-HMS (Hydrologic Engineering CenterHydrologic Modeling System), a lo largo de una cuenca y el escurrimiento
generado por ésta (García, 2011).
Una avenida es la elevación del nivel del agua significativamente mayor que el
flujo medio de éste. Durante la crecida, el caudal de un curso de agua aumenta
en tales proporciones que el lecho del río puede resultar insuficiente para
contenerlo. Las afectaciones traen consigo cambios sensibles en la morfología
de las márgenes y del lecho del río, ocasionando desbordes significativos.
Para minimizar dichos desbordes, una adecuada defensa ribereña, un enrocado
o la construcción de muros, pueden ser ciertamente efectivos para prevenir este
tipo de daños.
El gasto máximo, es utilizado principalmente para diseñar puentes y alcantarillas
en ciertos tramos de un cauce, y la avenida máxima, es empleada para diseñar
presas de almacenamiento, dado que el hidrograma de esta permite conocer el
volumen de agua que llegara al vaso, en función del cual se diseña la cortina de
la presa, así como su vertedor y su compuerta (Ferrer, 2000).
El ciclo hidrológico se puede esquematizar como un estímulo constituido por la
precipitación, al que la cuenca responde mediante el escurrimiento a su salida
(Aparicio, 2008), por medio de modelos numéricos se puede simular su
comportamiento y relacionarlo con la precipitación de la cual una parte es
captada por la vegetación y otra parte se infiltra para satisfacer las carencias de
humedad del suelo y alimentar a los mantos acuíferos, los cuales se les
denomina pérdida al escurrimiento (Linsley et al.,1977; Chow et al.,1994).
5
Tomando en cuenta esta variable y las características físicas de la cuenca se
puede utilizar el modelo HEC-HMS. El modelo numérico HEC-HMS se utilizó
para simular el escurrimiento generado por tormentas severas, que se presentan
en la parte alta de la cuenca del rio La Antigua, para el periodo de años 19942008, con excepción del año 1997 (este año se excluye debido a la carencia de
datos los cuales no permiten analizar el periodo de lluvias ocurrido dentro del
mismo año).
Se tomó en cuenta la parte alta de la cuenca del río La Antigua debido a la
importancia que esta tiene sobre la problemática del desabasto de agua de la
ciudad de Xalapa y su zona conurbada, la cual abarca a los municipios que están
dentro de la zona de estudio. La construcción de una presa en dicha zona
favorecerá en gran medida la solución de esta problemática y traerá beneficios a
la población tanto económicos, sociales, productivos y turísticos.1
1.1 Hipótesis
Utilizar el modelo HEC-HMS para evaluar los hidrogramas de la estación
hidrométrica Jalcomulco, perteneciente a la cuenca del río La Antigua.
1.2 Objetivo
Comparar los hidrogramas de la estación hidrométrica Jalcomulco (datos
observados) con los hidrogramas estimados por el modelo HEC-HMS para
tormentas severas, del periodo 1994- 2008.
1
http://www.lapolitica.com.mx/?p=139828,consultado mayo 2013
6
2. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO
La cuenca del río La Antigua pertenece a la región hidrológica número 28 del río
Papaloapan, se localiza en la porción sudoccidental del Golfo de México. El río
La Antigua tiene su origen en la Sierra Madre Oriental a 3750 msnm en el oriente
de la población González Ortega del estado de Puebla, el cual se caracteriza por
tener pendientes demasiado pronunciadas (CNA, 1998).
La parte alta de la cuenca del río La Antigua hasta la estación hidrométrica de
Jalcomulco (para fines prácticos se llamará subcuenca Jalcomulco) se encuentra
ubicada geográficamente entre los 19°10'0" y 19°35'0" latitud norte, y los
96°45'0" y 97°20'0" longitud oeste (figura 1); tiene un área aproximada de 2827
km2 hasta la desembocadura, y 1389.934 km2 desde la parte más alta que se
ubica en las faldas del Cofre de Perote (ligeramente arriba de la estación de
Tembladeras) hasta la parte media donde se ubica la estación hidrométrica
Jalcomulco, a la cual se consideró zona de estudio ( Pereyra et al., 2007a).La
cuenca del río La Antigua es una de las más importantes del centro de Veracruz,
aunque también comprende una pequeña porción del estado de Puebla. En
Veracruz el área de interés abarca varios municipios importantes, entre ellos
Xalapa y Coatepec.
Figura 1. Ubicación geográfica de la zona de estudio en una imagen de satélite LandSat 7 y
modificada con el software ArcGis V.10.
7
2.1 Climatología
Tejeda et al., (1989) dicen que los factores determinantes del clima son: la
altitud, la orografía, la distribución de tierras y aguas, las corrientes marinas y las
tormentas junto con sus trayectorias. A los tres primeros factores se les
considera “controles permanentes”, y a los dos últimos “controles variables”.
Por lo que se refiere al primer control permanente, el estado de Veracruz queda
comprendido entre latitudes tropicales, pero su parte norte no está lejos del
Trópico de Cáncer, por lo que habrá de esperarse que también afecten los
fenómenos extratropicales (Tejeda et al, 1989).
La orografía en la zona de estudio es en parte escarpada por lo que inducirá
embalses, encañonamientos, elevamientos forzados del aire, desviaciones, etc.,
que modifiquen sustancialmente los efectos de las tormentas y las masas de aire
que afectan a la zona de estudio la cual se delimitada como la subcuenca de la
estación hidrométrica de Jalcomulco, y a su vez impedirán que se contemplen
condiciones climáticas homogéneas en todo ese territorio (Tejeda et al, 1989).
Debido a la interacción de todos los factores antes mencionados el clima de la
zona de estudio varía de cálido húmedo en la planicie costera a templado
húmedo en Xalapa con lluvias todo el año, y más arriba en la parte montañosa el
clima es semi-frío subhúmedo con lluvias en verano (Jáuregui, 2004).
La
temperatura
media
anual
de
la
subcuenca
de
Jalcomulco
es,
aproximadamente, de 22.3 °C y oscila entre los 18.7 °C y 25.2 °C. En los meses
de abril y mayo se presentan los valores más altos y en noviembre, diciembre,
enero y febrero las temperaturas más frías, las temperaturas más bajas se
registran en Ixhuacan y Tembladeras.
La precipitación media anual es de 1393 mm, con valores altos en la zona alta de
la subcuenca, mayores a 2000 mm, y valores bajos en la parte central, entre 900
8
y 1000 mm. La evaporación media anual es de 1340 mm, en los meses de marzo
a mayo es más intensa, y en el mes de diciembre se presenta el valor mínimo2
2.2 Tipos de climas
En la cuenca La Antigua los climas se distribuyen paralelos a la línea de costa,
en dirección NE-SE (figura 2), de la siguiente manera: cálidos, semicálidos,
templados, semifríos y semisecos, en los cuales predominan las lluvias en
verano (Pereyra et al., 2007).A continuación en la tabla 1 se resumen las
características de cada uno de éstos.
Las zonas de la cuenca con climas semicálidos húmedos, suelen tener lluvias
durante todo el año. Este clima constituye la transición de los cálidos a los
templados.
Tabla 1. Características de los tipos de climas de la zona de estudio.
Tipo de
clima
Características
C(f)
Templado húmedo, temperatura media anual entre 12°C y 18°C, temperatura del mes más
frio entre -3°C y 18°C y temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el mes
más seco mayor de 40 mm; lluvias todo el año y porcentaje de lluvia invernal mayor al 18%
del total anual.
Cálido subhúmedo, temperatura media anual mayor de 22°C y temperatura del mes más frio
mayor de 18°C. Precipitación del mes más seco menor de 60 mm; lluvias de verano con
índice P/T entre 43.2 y 55.3 y porcentaje de lluvia invernal del 5% al 10.2% del total anual.
Semicálido subhúmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura
del mes más frio menor de18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C.
Precipitación del mes más seco menor a 40 mm; lluvias de verano con índice P/T mayor de
55 y porcentaje de lluvia invernal del 5% al 10.2% del total anual.
Semicálido subhúmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura
del mes más frio menor de 18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C.
Precipitación del mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano con índice P/T entre 43.2
y 55 y porcentaje de lluvia invernal del 5% al 10.2% anual.
Semicálido húmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura del
mes más frio menor de 18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C. Con
precipitación anual mayor de 500 mm y precipitación del mes más seco mayor de 40 mm;
lluvias de verano y porcentaje de lluvia invernal mayor al 10.2% del total anual.
Semifrio húmedo con verano fresco largo, temperatura media anual entre 5°C y 12°C,
temperatura del mes más frio entre -3°C y 18°C, temperatura del mes más caliente bajo
22°C. Precipitación en el mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano y porcentaje de
lluvia invernal mayor al 10.2% del total anual.
Semifrio subhúmedo con verano fresco largo, temperatura media anual entre 5°C y 12°C,
Aw
(A)C(w2)
(A)C(w1)
(A)C(m)(f)
Cb'(m)(f)
Cb'(w2)
2
http://smn.cna.gob.mx/productos/normales/cnormales.html,consultada agosto 2012
9
(A)C(fm)
C(m)(f)
C(w2)
temperatura del mes más frio entre -3°C y 18°C, temperatura del mes más caliente bajo
22°C. Precipitación en el mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano y porcentaje de
lluvia invernal del 5 al 10.2% del total anual.
Semicálido húmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura del
mes más frio menor de 18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C. Precipitación
del mes más seco mayor a 40 mm; lluvias entre verano e invierno y porcentaje de lluvia
invernal menor al 18% del total anual.
Templado húmedo, temperatura media anual entre 12°C y 18°C, temperatura del mes más
frio entre -3°C y 18°C y temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el mes
más seco menor de 40 mm; lluvias de verano y porcentaje de lluvia invernal mayor al 10.2%
del total anual.
Templado subhúmedo, temperatura media anual entre 12°C y 18°C, temperatura del mes
más frio entre -3°C y 18°C y temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el
mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano con índice P/T mayor de 55 y porcentaje
de lluvia invernal del 5 al 10.2% del total anual.
Clasificación de climas
Simbología
Elaboro: Victoria de los
Ángeles Ulloa Gutiérrez
Figura 2.Clasificación de climas para la parte alta de la Cuenca de La Antigua. Carta de climas,
INEGI 2007.
10
2.3 Hidrografía
El río La Antigua nace en la Sierra Madre Oriental, con el nombre de río
Sumidero, a una altitud de 3345 msnm, al oriente de la población González
Ortega del estado de Puebla. Fluye hacia el sureste en terrenos montañosos y a
la altura del rancho Calixitla, varía su rumbo hacia el este-noreste hasta la
confluencia con el río Barranca Grande, a 3 km al norte del cerro con el mismo
nombre; en este sitio el colector general cambia su nombre a río Los Pescados,
sigue su curso sureste y en los límites de los estados de Puebla y Veracruz lo
cambia al noreste; aguas abajo de este punto recibe por margen izquierdo al río
Cozolapa. En esta confluencia el colector general cambia su nombre a río La
Antigua; sigue su curso sureste, pasando por el poblado Jalcomulco, Veracruz,
es en este punto donde se localiza la estación hidrométrica que delimita la
subcuenca en estudio. (Pereyra y Pérez, 2006).
2.4 Sistemas atmosféricos a escala regional que afectan a la región son:
 Las masas de aire polar que descienden en altitud desde Norteamérica en la
estación fresca (noviembre a abril) asociadas a un aumento de nubosidad y
precipitación así como con vientos del Norte que pueden ser violentos en la
costa. Con la llegada del viento Norte se abate la temperatura (ligeramente en la
planicie costera y marcadamente a medida que se asciende en la montaña)
aumentando la humedad ambiente (Jáuregui, 2004).
 Durante los meses del verano el clima está regido por la corriente húmeda y
cálida de los vientos alisios, del Atlántico Tropical, que en ocasiones acarrean
tormentas tropicales, aunque rara vez se ve afectada la región por un ciclón
(Jáuregui, 2004).
 La presencia del aire polar sobre la vertiente veracruzana está asociada con la
presencia de los frentes fríos (nortes) y consiste en un desprendimiento de la
masa polar por el norte del Golfo de México cuyo efecto generalmente no es tan
profundo. En el mes de Junio se establece el aire tropical, el cual se manifiesta
11
en los vientos alisios los cuales soplan del Golfo al continente. En ocasiones, en
los vientos alisios viajan las “ondas del este”, cuyo eje cambia de dirección e
intensidad ocasionando una inestabilidad atmosférica. Cuando las “ondas del
este” alcanzan el nivel de depresión o tormenta tropical y llegan a chocar o a
pasar cerca de la vertiente del Golfo de México, dejan considerable cantidad de
lluvia sobre la zona de estudio. Como fue el caso del año 2005 con el Huracán
Stan el cual impacto el estado de Veracruz y causó daños a la entidad.
2.5 Uso de suelo
De acuerdo con la asociación de usuarios COANALAG (Concesionaria de Aguas
Nacionales para la Agricultura y la Ganadería) con la ubicación geográfica de la
cuenca del río La Antigua y las condiciones climatológicas de la región, su
disposición agrícola se ha vinculado principalmente al cultivo de la caña de
azúcar, que representa el 81.9% del total de la superficie cosechada. El resto del
patrón de cultivos está conformado por forrajes (9.3%), toronja (4.0%), maíz
(1.6%), mango (1.3%) y, en menor proporción, café, hortalizas, frijol, papaya,
limón y naranja (1.9%) (CONALAG, 2007).
2.6 Escurrimiento
El escurrimiento es el agua proveniente de la precipitación, que circula sobre o
bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser
drenada hasta la salida, si se trata de una cuenca exorreica, y hacia su centro, si
se trata de una cuenca endorreica (Aparicio, 2008).
El agua proveniente de la precipitación que llega hasta la superficie terrestre, una
vez que una parte ha sido interceptada y evaporada, sigue diversos caminos
hasta llegar a la salida de la cuenca. Se pueden dividir estos caminos en tres
clases: escurrimiento superficial, subsuperficial y escurrimiento subterráneo
(Aparicio, 2008).
Una vez que la precipitación alcanza la superficie del suelo, se infiltra hasta que
las capas superiores del mismo se saturan. Posteriormente, se comienzan a
12
llenar las depresiones del terreno y, al mismo tiempo el agua comienza a escurrir
sobre su superficie (Aparicio, 2008).
Este escurrimiento se llama flujo en la superficie del terreno, se produce mientras
el agua no llega a cauces bien definidos, es decir que no desaparecen entre dos
tormentas sucesivas. En su trayectoria hacia la corriente más próxima, el agua
que fluye sobre el terreno se sigue infiltrando e incluso se evapora en pequeñas
cantidades. Una vez que llega a un cauce bien definido se convierte el
escurrimiento en corrientes (Aparicio, 2008).
El flujo sobre el terreno, junto con el escurrimiento en corrientes, forma el
escurrimiento superficial. Una parte del agua de lluvia que se infiltra escurre
cerca de la superficie del suelo más o menos paralelamente a él. A esta parte el
escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial; la otra parte, que se infiltra
hasta alcanzar el nivel freático, se denomina escurrimiento subterráneo
(Domínguez, 1981).
De los tres tipos de escurrimiento, el superficial es el que llega más rápido a la
salida de la cuenca. Por esta razón está relacionado directamente con una
tormenta en particular y se dice que proviene de la precipitación en exceso o
efectiva, de la tormenta, a este escurrimiento se le llama escurrimiento directo
(Domínguez, 1981).
Lo realmente importante en el escurrimiento es la rapidez con que una cuenca
responde a una tormenta, pues esto es lo que determina la magnitud de las
correspondientes avenidas (Aparicio, 2008).
En lo que se refiere a la subcuenca de Jalcomulco perteneciente a la cuenca del
río La Antigua suele tener escurrimientos extraordinarios originados por la
inexistencia de presas de almacenamiento ni de control de avenidas. Dichos
escurrimientos provocan desbordamientos e inundaciones en la parte baja de la
subcuenca, causando pérdidas materiales a la población de los municipios
aledaños.
13
3.
MÉTODO
3.1 Descripción del Modelo HEC-HMS
El modelo HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling
System) fue diseñado para simular procesos de lluvia-escurrimiento en sistemas
de cuencas dendríticas. Se usa en estudios de disponibilidad de agua, drenaje
urbano, pronóstico de avenidas, futuras urbanizaciones, reducción del daño por
inundaciones, etc. (Scharffenberg y Fleming, 2008).
El modelo HMS se usa para simular la respuesta hidrológica de una cuenca.
Incluye
los
componentes
como
son:
modelos
de
cuenca,
modelos
meteorológicos, especificaciones de control y datos de entrada. El modelo HMS
crea una corrida de simulación, combinando los componentes
y las
especificaciones. Puede hacer corridas de precipitación o de la proporción de
flujo, tiene la capacidad de salvar toda la información del estado de la cuenca en
un determinado tiempo, y la habilidad de comenzar una nueva corrida de
simulación basada en la información de estado previamente guardada.
El software HEC-HMS ofrece un ambiente de trabajo totalmente integrado,
incluyendo una base de datos, utilerías de la entrada de datos, el procesador del
equipo de cómputo, y una herramienta que muestra los resultados en forma
numérica y gráfica. Un interfaz de uso gráfico permite el movimiento entre las
diversas partes del programa. La funcionalidad y el aspecto del programa son
igual a través del entorno Microsoft Windows o Linux. Es un programa de
simulación hidrológica, lineal y semidistribuido, desarrollado para estimar
hidrogramas de salida de una cuenca o varias subcuencas (escurrimiento
máximos y tiempo pico) a partir de condiciones extremas de lluvias, aplicando
para ello algunos de los métodos de cálculo de hietogramas (precipitación total y
de exceso), pérdidas por infiltración, escurrimiento base, etc.
El hidrograma generado por el programa es usado directamente o conjuntamente
con otro software para estudios de disponibilidad de agua, drenaje urbano,
pronóstico de avenidas, impacto de la urbanización futura, diseño de vertedores
14
de presas, reducción del daño por inundación, regulación de la planicie de
inundación, y de la operación de sistemas (Scharffenberg y Fleming, 2008).
3.2 Componentes dentro del software
3.2.1 Modelo de cuenca
El modelo de cuenca representa la cuenca física, el usuario lo desarrolla
agregando y conectando elementos hidrológicos. Para definir la estructura de la
zona de estudio, dado que se pueden agregar varios elementos hidrológicos, el
software considera los siguientes elementos:
a) Subcuencas (subbasins)
b) Tramos de tránsito (routing reach)
c) Uniones (junctions)
d) Embalses (reservoirs)
e) Fuentes (Sources)
f) Sumideros (sinks)
g) Derivaciones (diversions)
En los modelos de cuenca, se proporciona al programa de las distintas
subcuencas y sus características, como el área, el método que se usará para la
obtención del hidrograma, número de curva y el tiempo de retraso, entre otros.
3.2.2 Modelo meteorológico
El modelo meteorológico calcula la entrada de precipitación requerida por un
elemento (subcuenca). El programa usa datos de lluvia y puede modelar lluvia
congelada o líquida junto con evapotranspiración. Incluye varios métodos de
precipitación (tormenta frecuente, medidores de lluvia). Dentro del modelo
meteorológico introducimos los datos del pluviómetro que se utilizó y lo
asignamos a la subcuenca.
15
3.3 Especificaciones de control
En las especificaciones de control se fija el lapso de tiempo de una corrida de
simulación. Se establece la fecha y hora de inicio de la lluvia y el término de la
misma con un intervalo de tiempo que puede variar según nuestra conveniencia.
3.4 Datos de entrada
La información que necesita el programa está relacionada directamente con los
métodos de cálculo que maneja. Existen cinco grupos básicos de información
que deben suministrarse al HEC-HMS para efectuar las simulaciones:
1. Precipitación histórica o de diseño.
2. Características del suelo.
3. Información morfométrica de las subcuencas.
4. Datos hidrológicos del proceso de transformación de lluvia en escorrentía.
5. Características hidráulicas de los tramos de canal y de la capacidad de los
embalses (métodos de tránsito).Para la calibración, validación y análisis de
sensibilidad del modelo, además de la información anterior se necesitan:

Registros
concordantes
de
precipitación
y
caudales
de
salida
(hietogramas e hidrogramas).

Determinación de las condiciones iniciales de humedad en los suelos.

Para alimentar los datos de precipitación, se introduce el tiempo y la lluvia
registrada
por
cada
pluviómetro
localizado
en
las
estaciones
climatológicas.
3.5 Calibración del modelo HEC-HMS
Se eligió el método de número de curva del United States Soil Conservation
Service (USSCS, 1957) cuyos parámetros se obtienen de la siguiente manera.
16
Primero se clasifica el tipo de suelo de la zona de estudio, con ayuda de mapas
de edafología, así como, con las claves de la clasificación de la FAO/UNESCO,
1974 delimitando la zona de estudio en el mapa de edafología (figura 3), en la
tabla 2 se indican las características de los tipos de suelos.
Clasificación edafológica
Elaboro: Victoria de los
Ángeles Ulloa Gutiérrez
Figura 3. Clasificación edafológica de la zona de estudio. Realizada con la carta de Edafología
serie III escala 1:250,000 INEGI 2007. Y modificada con el software ArcGis V.10.
17
Tabla 2. Características de los distintos tipos de suelo de la zona de estudio.
I
Clave
Clasificación
Litosol
Th
Andosol húmico
To
Andosol Ócrico
Vp
Vertisol Pélico
Hh
Feozem Háplico
Lo
Luvisol Órtico
E
Rendzina
Ao
Acrisol Ortico
Características
Arenas con poco limo y arcilla; suelos muy permeables. Muy
ligeros, con gran capacidad de retención de agua y nutrientes.
Andosol muy limoso o arcilloso a menos de 50 cm de
profundidad; tiene una capa superficial clara y pobre en
materia orgánica y nutrientes.
Textura fina de color negro con abundante arcilla. Se hinchan
con la humedad y se agrietan cuando están secos. Estos
suelos suelen emplearse en cultivos de arroz, caña de azúcar
y pastos.
Arenas muy finas. Pueden presentar casi cualquier tipo de
vegetación en condiciones naturales. Suelo con alto contenido
de arcilla.
Suelos con mucha arcilla acumulada en el subsuelo. Se
diferencian de los Acrisoles en que son más fértiles en general.
Suelos con menos de 50 cm de espesor que están encima de
rocas duras ricas en cal. La capa superficial es algo gruesa,
oscura y rica en materias orgánicas y nutrientes.
Arcilla en grandes cantidades; suelos pocos profundos muy
impermeables con alto contenido de materia orgánica.
Para la ejecución del modelo HMS, es importante conocer el tipo de suelo para la
región de estudio ya que este influye de manera directa en el número de curva
(NC) del método del United States Soil Conservation Service (USSCS, 1957),
esto se ilustra en la figura 4. Las tablas de uso de la tierra y cobertura vegetal
para determinar Número de Curva y la clasificación de suelos han sido usadas
en análisis pasados por García (2011), Arano (2013) y Ramírez (2013).
18
Uso de suelo
Elaboro: Victoria de los
Ángeles Ulloa Gutiérrez
Figura 4. Distribución de uso de suelo para la zona de estudio. Realizada con el Conjunto de
datos vectoriales de la carta de uso de suelo y vegetación de serie IV escala 1:250,000 INEGI
2007 e imágenes LandSat 7.
Una de las variables de entrada es la abstracción inicial, para estimarla se utiliza
la Ec. 1 (Arlen, 2000).
(
)
(Ec. 1)
Otro dato que utiliza el modelo HMS es el tiempo de retardo (Tr) estimado por
tiempo de concentración Tc y este se estima con la fórmula de Kirpich Ec. 2, la
cual se expresa de la siguiente forma (Aparicio, 2008):
(Ec. 2)
Donde L es la longitud del cauce principal en metros y S es la pendiente
promedio del cauce; el tiempo de retardo es el 60% del tiempo de concentración.
19
3.6 Método del Flujo Base (Baseflow Method)
Este método requiere los siguientes datos de entrada del flujo base de cada
tormenta:
Initial discharge (m3/s)
3.7 Método de transformación (Method transform)
En este apartado solo se requiere el tiempo de retraso, y algunas características
de la subcuenca las cuales se encuentran en la tabla 3.
Tabla 3. Características principales que se utilizaron para alimentar al modelo HMS.
Longitud del río Antigua
Cauce principal
En línea recta (Cofre de Perote a la
estación hidrométrica Jalcomulco)
Altitud
Altura mínima
(Estación hidrométrica Jalcomulco)
Altura máxima
(Cofre de perote)
Pendiente
Número de curva
Tiempo de retraso
3.7 horas
Tr =132 minutos
Abstracción inicial del suelo
(
)
Área de la cuenca
20
3.8 Datos de precipitación
Los datos de precipitación que alimentan al modelo se muestran en el apartado
de resultados los cuales se obtuvieron de la base de datos CLICOM.
Para calcular la precipitación promedio de la zona de estudio, de cada tormenta,
se utilizó la técnica de los polígonos de Thiessen Ec.3 (Aparicio, 2008).
∑
(Ec. 3)
Donde:
= Área de influencia de la estación
= Área total de la cuenca
= Precipitación de la estación
El método de Thiessen toma en cuenta la no uniformidad de la distribución
espacial de la lluvia mediante un factor de ponderación. Dicho método se ve
ilustrado de manera general en la figura 6.
Figura 6.Esquema general del trazo de polígonos de Thiessen en una cuenca.
4. RESULTADOS
21
Los datos de precipitación, que alimentaron al modelo, se tomaron de cinco
estaciones climatológicas e hidrométrica, las cuales se muestran en la tabla 5 y
se ubican geográficamente en la figura 6. Estas estaciones cuentan con registros
climatológicos del periodo 1994-2008, para el análisis de los datos se omitió el
año 1997 debido que no todas las estaciones cuentan con registros.
Tabla 5. Estaciones climatológicas consideradas para hacer el análisis de las tormentas.
NÙMERO
DE LA
ESTACION
30076
NOMBRE DE
LA ESTACIÒN
Jalcomulco
(CFE)
30175
Tembladeras
Xico
-97.11
19.51
3102
30209
Ixhuacan de los
Reyes (CFE)
Ixhuacan de los
Reyes
-97.11
19.35
1802
30311
Cosautlan
Cosautlan de
Carvajal
-96.99
19.33
1274
30228
Las Animas
Xalapa
-96.88
19.5
1281
MUNICIPIO
LONG
LAT
ALTITUD(msnm)
Jalcomulco
-96.76
19.33
335
22
Figura 6.Localizacion de las estaciones climatológicas e hidrométrica dentro de la zona de
estudio; en una imagen satelital LandSant 7 y modificadas con el software ArcGis V.10.
La metodología ya descrita se aplicó para el periodo de 1994 al 2008, de los
cuales se seleccionaron seis tormentas, ocurridas dentro de la subcuenca. De
este periodo las tormentas simuladas de los años 1994, 1996,1998, 2004, 2005
y 2008 fueron satisfactorias esto fundamentado en el análisis estadístico
realizado con los datos observados y simulados por el modelo HMS.
Los mapas de isoyetas para las tormentas seleccionadas se ilustran en las
figuras 7a a 12a. Los cuales nos dicen que el comportamiento de la precipitación
es relativamente homogéneo para todas las tormentas seleccionadas teniendo el
centro máximo de precipitación en la estación de Cosautlan y dispersándose
hacia la parte alta de la subcuenca de manera uniforme.
23
precipitación (mm)
(a)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
(b)
Figura 7. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 1994 dentro del periodo de días del 14 al
20 de Septiembre (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta.
24
(a)
precipitación (mm)
25
(b)
20
15
10
5
0
Figura 8. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 1996 dentro del periodo de días del 01 al
08 de Octubre (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta.
25
(a)
precipitación (mm)
80
70
(b)
60
50
40
30
20
10
0
Figura 9. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 1998 dentro del periodo de días del 14 al
20 de Julio, (b) Hietograma representativo de la tormenta.
26
(a)
Precipitación (mm)
precipitación(mm)
25
20
15
(b)
(b)
10
5
0
Figura 10. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 2004 dentro del periodo de días del 04
al 14 de Junio (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta.
27
(a)
90
precipitación (mm)
80
(b)
70
60
50
40
30
20
10
0
Figura 11. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 2005 dentro del periodo
de días del 14 al 28 de Agosto (mm/día), (b) Hietograma representativo de la
tormenta.
28
(a)
Tormenta de 2008
precipitación (mm)
70
60
(b)
50
40
30
20
10
0
Figura 12. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 2008 dentro del periodo
de días del 04 al 14 de Junio (mm/día), (b) Hietograma representativo de la
tormenta.
29
Al ejecutar el modelo HMS con los datos, características y métodos establecidos,
generó las figuras 13 a 18 en dichas figuras se observa similitud entre los
hidrogramas estimados y observados, principalmente en su gasto máximo, con
un desfase en el tiempo de pico.
Gasto (m3/s)
(a)
3
287 m /s
(b)
3
Gasto
(m3/s)
294.5 m /s
Figura 13. Escurrimiento observado(a) y (b) estimado por el modelo HEC-HMS de la tormenta
registrada durante los días15 al 22 de julio de 1998, en la parte alta de la cuenca.
30
(a)
3
Gasto
3
(m /s)
313.2 m /s
3
338.1 m /s
(b)
Gasto
3
(m /s)
Figura 14. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta
registrada durante los días 19 de agosto al 02 de septiembre de 2005, en la parte alta de la
cuenca.
31
3
241.1 m /s
3
Gasto (m /s)
(a)
(b)
3
Gasto
3
(m /s)
231.9 m /s
Figura 15. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta
registrada durante los días 05 de junio al 14 de junio de 2008, en la parte alta de la cuenca.
32
(a)
3
235 m /s
(b)
3
3
Gasto (m /s)
229.5 m /s
Figura 16. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta
registrada durante los días 14 de septiembre al 21 de septiembre de 1994, en la parte alta de la
cuenca.
33
(a)
3
3
Gasto (m /s)
183 m /s
(b)
3
3
Gasto (m /s)
124.1 m /s
Figura 17. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta
registrada durante los días 01 de octubre al 14 de octubre de 1996, en la parte alta de la cuenca.
34
250
(a)
3
199 m /s(a)
Gasto (m3/s)
200
150
100
50
18/06/2004
16/06/2004
14/06/2004
12/06/2004
10/06/2004
08/06/2004
06/06/2004
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
(b)
3
18/06/2004
16/06/2004
14/06/2004
12/06/2004
10/06/2004
08/06/2004
06/06/2004
04/06/2004
188.5 m /s
02/06/2004
3
Gasto (m /s)
04/06/2004
0
Figura 18.Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta
registrada durante los días 06 de junio al 17 de junio de 2004, en la parte alta de la cuenca.
Al comparar los hidrogramas observados y estimados por el modelo para los
años analizados, se observa que el gasto máximo observado es ligeramente
variante al gasto máximo estimado el cual se ilustra en la tabla 6.
35
Este análisis estadístico se puede ver en la figura 20; lo cual sustenta la
simulación satisfactoria del modelo HMS, este análisis se realizó para cada una
de las tormentas y el resultado no muestra gran variación. Se realizó con el
software Office Excel (2007).
La correlación ilustrada en la figura 19 muestra una alta confiabilidad entre los
datos simulados por el modelo HMS y observados, esto de acuerdo al factor de
correlación r que arroja un resultado mayor a 96 % de correlación entre los datos.
Figura 19. Correlación entre el gasto máximo observado y el gasto máximo estimado
por el modelo HEC-HMS.
La correlación o coeficiente de correlación R2 mide la proporción de variación en
la variable dependiente explicada por la variación en la o las variables
independientes, es decir mide el grado de intensidad lineal de vinculación de las
36
variables, a partir de las variaciones observadas de los valores proyectados y
de los valores reales.3
El comportamiento del tiempo de pico para las tormentas de los años 1994, 1996
y 2004 presenta un desfase de un día comparado con los hidrogramas
observados registrado en la tabla 6, esto es debido a que el tiempo de retraso
que transcurrió del centro de la masa de la precipitación al pico del hidrograma
fue sobreestimado por el modelo HEC-HMS.
Tabla 6. Comparación entre gastos máximos observados y estimados de cada
una de las tormentas analizadas.
Año
Gasto máximo
3
observado (m /s)
Gasto máximo
3
estimado (m /s)
Día en el cual se presentó Qmáx
1994
235
229.5
16-sep-94 y 17-sep-94
1996
185
124.1
05-oct-96 y 03-oct-96
1998
287
294.5
17-jul-98
2004
198.96
188.5
13-jun-04
2005
313.2
338.1
23-ago-2005 y 24-ago-2005
2008
241.1
231.9
08-jun-2008 y 09-jun-2008
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
3
http://e-stadistica.bio.ucm.es/glosario/coef_corre.html, consultada Agosto 2013.
37
Al obtener los resultados de las simulaciones realizadas con el modelo HECHMS, se observó que para las tormentas analizadas dentro del periodo de años
estudiados los resultados fueron satisfactorios debido a que los hidrogramas
observados son similares en el gasto de pico a los simulados.
Con los hidrogramas obtenidos por el modelo HEC-HMS, se concluye que:

Los hidrogramas generados con el modelo HEC-HMS se ajustan a los
datos reales, con una correlación de r2=0.96, con esto se puede decir que
la simulación del gasto de pico es semejante al observado.

El tiempo de pico tiene una variación de un día para algunos eventos,
debido a que posiblemente los datos de escurrimiento y precipitación,
dado que son promedios diarios ó porque las cartas que maneja Ia INEGI.

El modelo HEC-HMS para las simulación realizadas dentro del periodo
estudiado, sobreestima de manera ligera el escurrimiento de algunos
casos analizados, esto posiblemente se deba a los datos utilizados o a las
características de la cuenca que posiblemente no sean aplicables para
todos los eventos; esto pudiera no ser suficiente para que el modelo
simule de mejor manera el hidrograma de las avenidas.
Por los resultados obtenidos en los hidrogramas se considera que la zona de
estudio es una cuenca de respuesta rápida.
Es de suma importancia considerar que el modelo HMS aún se puede mejorar,
tanto como considerar hacer el análisis para cada año tomando en cuenta las
condiciones que pudieran ocasionar un cambio en la zona de estudio.
Después de haber alcanzado los resultados de este análisis es pertinente
retomar algunos elementos que arrojó este proceso para prevenir desastres
ocasionados por inundaciones, generadas por tormentas severas, que afectan en
gran manera a las poblaciones ubicadas dentro de la parte alta de la cuenca del
río La Antigua, las cuales tienen gran impacto para la población en la dimensión
económica de la región por las afectaciones a los campos agrícolas y ganaderos.
38
Comparando los resultados obtenidos en este trabajo con los obtenidos en el
capítulo “Escurrimiento generado por el Huracán Karl: una primera estimación”
(Pereyra et al. Inundaciones 2010 en Veracruz),concluyo que las estimaciones
que hace el modelo HEC-HMS son favorables ya que coinciden los días en los
cuales se obtuvo el gasto máximo
tanto estimado como registrado por la
estación hidrométrica, de igual manera el comportamiento de los gráficos
generados por los datos obtenidos se observa que la cuenca es de respuesta
rápida, lo cual ya se había concluido en este trabajo, en ocasiones las
simulaciones que hace el modelo HEC-HMS se ven afectadas por la falta de
registros, lo cual ocurrió en el análisis realizado en el libro antes mencionado.
39
6. REFERENCIAS
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en
Ciencias
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40
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
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
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(Continuo Nacional). México.

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
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de alerta temprana, clave: 037529. Primer informe. Fondo Mixto CONACyT –
Gobierno del Estado de Veracruz, 13pp.

Pereyra
D.D.,
J.
A.
Pérez,
y
C.
Hoyos,
2007.
Instalación
de
red
hidropluviométrica en la cuenca del río La Antigua y transmisión de datos en
tiempo real con fines de alerta temprana, clave: 037529. Informe Final. Fondo
Mixto CONACyT – Gobierno del Estado de Veracruz, 64pp.
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cambio climático. Tesis para evaluar la Experiencia Educativa Experiencia
Recepcional
(MEIF)
del
programa
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Licenciatura
en
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Atmosféricas. Facultad de Instrumentación Electrónica y Ciencias Atmosféricas.
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42