ESTUDIO hidro

“Mejoramiento de la Carretera (PU 116) Huancané - Acocollo, Distrito de Huancané – Provincia de Huancané - Puno”

22/10/2012

GOBIERNO REGIONAL PUNOGerencia General Regional

Pontón 01Km 1+469


Oficina Regional de Estudios y Proyectos

RESUMEN

El presente reporte proporciona la información respecto al Estudio Hidrológico realizado en

el ámbito del proyecto denominado “Mejoramiento de la carretera (PU 116) Huancané

– Acocollo, Distrito de Huancane, Provincia de Huancane - Puno”.

El Estudio Hidrológico, nos permite conocer los caudales máximos de diseño a partir de los

datos de precipitación, con el fin de realizar un adecuado diseño de las obras de arte. Para

determinar las avenidas de diseño se han utilizado los datos pluviométricos de la estación

meteorológica de Huancané, con una longitud de registro histórico de 45 años, así mismo

para la clasificación climática de la zona de estudio se han utilizado los datos de

precipitación media mensual, Temperatura (media, máxima y mínima),humedad relativa,

evaporación, horas de sol y viento (velocidad y dirección).

Con la finalidad de que la información disponible de precipitación media mensual sea

confiable, se ha realizado el respectivo análisis de consistencia solo para la precipitación

media mensual, por lo que dicha información histórica es libre de saltos y tendencias.

Después de realizado el tratamiento de la información se ha completado los datos faltantes,

tanto de las precipitaciones medias mensuales y la precipitación máxima en 24 horas, con el

programa Hec-4 (MonthlyStreamflowSimulation), desarrollado por el HidrologicEngineering

Center de los Estados Unidos de América.Cabe recalcar que para las precipitaciones

máximas en 24 horas no es necesario realizar el análisis de consistencia debido a que son

datos aleatorios.

El análisis de frecuencia de la precipitación máxima en 24 horas, se ha realizado utilizando

el Software hidrológico para eventos extremos FLFREQ, de este análisis se seleccionó la

distribución Gumbel por presentar menor porcentaje de error respecto a las otras

distribuciones teóricas, con la distribución teórica seleccionada se ha obtenido las

precipitaciones máximas en 24 horas para 1.25, 2, 5, 10, 20, 50, 100 y 200 años de periodo

de retorno, luego de este análisis se procedió a realizar el cálculo de la curva Intensidad –

Duración – Periodo de retorno, utilizando los modelos de Bell y Yance Tueros y finalmente la

estimación de caudales máximos de diseño se realizó mediante el método Racional. Estos

últimos resultados obtenidos, se emplearán para el diseño de las obras de arte existentes en

el tramo vial.

Mejoramiento y rehabilitación de la carretera Huancané - Accoccollo



1.ASPECTOS GENERALES

1.1. INTROCUCCION

En este apartado se definen los parámetros hidrológicos así como el procedimiento de cálculo a utilizar paraobtener los caudales a desaguar por cada obra de drenaje. El paso previo más importante para diseñar una obrade drenaje es el establecimiento del caudal de diseño. Este caudal puede definirse como el caudal máximo quepuede circular por una obra de desagüe sin riesgo alguno para la infraestructura ni interrupción del servicio.

Todo proceso de construcción de una carretera lleva consigo la interacción de ésta y sus infraestructuras con el medio natural y en particular con la red natural de escorrentía y drenaje. Por ello es necesario conocer el caudal de lluvia aportado por cada cuenca con el fin de diseñar correctamente sus obras de arte en el transcurso de su recorrido, también es necesario conocer las características hidrológicas de todas las cuencas, en especial su coeficiente de escorrentía y el tiempo de concentración en el punto donde desagua de forma natural dicha cuenca.

El presente estudio hidrológico tiene por finalidad determinar los caudales máximos de diseño, a partir de un análisis de frecuencia de las precipitaciones máximas en 24 horas registradas en las estaciones pluviométricas que influyen la zona de estudio.

En cuanto al cálculo máximas avenidas nos encontramos generalmente frente a dos situaciones: Primer caso, en que el río o fuente de agua cuenta con una serie de datos de caudales históricos y el Segundo caso es, en que la fuente de agua no tiene datos históricos de caudales. Como en este caso no se cuenta con la información histórica de caudales se tomará en cuenta el segundo caso, por lo que se determinará los caudales máximos de diseño, mediante un Modelo Hidrológico de Precipitación - Escorrentía.

1.2. ANTECEDENTES

Como parte preliminar para el inicio del desarrollo del presente estudio, se ha revisado los estudios antecedentes en la cuenca Huancané, a continuación se muestran los estudios realizados por instituciones y universidades.

ALT (Autoridad Binacional Autónoma del Sistema Hídrico TDPS): “Disponibilidad hídrica de las cuencas afluentes al lago Titicaca”, Puno 2005.

Carlos Nina Castro: “Balance Hídrico de la Cuenca del Rio Huancané”, Tesis de Grado, Facultad de Ingeniería Agrícola, Universidad Nacional del Altiplano, Puno, 2008.

Efraín Lujano Laura: “Estudio hidrológico de la cuenca del río Huancané”, Informe de prácticas pre-profesionales, Administración Local de Agua Huancané, Facultad de Ingeniería Agrícola - UNA-Puno, 2010.




1.3. JUSTIFICACION

El presente reporte, proporciona la información básica con respecto al estudio desarrollado ytrabajo de campo realizado con el fin de identificar y determinar los caudales máximos para las diferentes obras de arte que atraviesan el tramo de la vía en estudio.

Los resultados obtenidos, permitirá conocer de la información necesaria para realizar un diseño adecuado delas obras de arte (Pontones, alcantarillas, cunetas, etc.), los cuales cumplirán las funciones de evacuar las aguas pluviales y así prevenir los daños que puedan ocasionar en la vía a causa de las fuertes avenidas que se producen en tiempos de lluvia.

1.4. OBJETIVO

El presente estudio tiene los siguientes objetivos:

1.4.1. Objetivo general

Realizar el estudio hidrológico de la carretera Huancané Acocollo.

1.4.2. Objetivos Específicos

Delimitar las Unidades Hidrográficas que interceptan la vía proyectada

Determinar los parámetros geomorfológicos de las Unidades Hidrográficas.

Determinar los caudales máximos de diseño para los diferentes puntos de interés.

1.5. METODOLOGIA

La metodología a seguir para lograr los objetivos del presente estudio, es la siguiente:

Fase I: Trabajos de Campo

Reconocimiento de las unidades hidrográficas en campo.

Identificación y ubicación de las obras de arte.

Ubicación de puntos de control para delimitar las Unidades Hidrográficas.

Evaluación de las estacióneshidrometeorológicas.

Fase II: Trabajos de Gabinete

Procesamiento, análisis y depuración de la información meteorológica recopilada.

Delimitación de las Unidades Hidrográficas.

Elaboración de mapas temáticos de las unidades hidrográficas.




Análisis de eventos extremos.

Redacción del estudio hidrológico.

Herramientas utilizadas en el presente estudio: Microsoft office, software ARGIS 10, software WRPLOT, software hidrológico Hec4 para la completación de la información meteorológica, software FLFREQ para el análisis de frecuencia de precipitaciones máximas en 24 horas.

1.6. INFORMACIÓN BÁSICA

Para la elaboración del presente estudio se ha recurrido básicamente a la información cartográfica y meteorológica (pluviométrica y climatológica) y estudios antecedentes. A continuación se detalla cada una de estas informacionesen forma breve.

1.6.1. Información cartográfica

Se utilizó la siguiente información cartográfica:

Carta Nacional (Huancané 31x) a escala 1/100,000 del Instituto Geográfico Nacional (IGN) digitalizado bajo el entorno de SIG con equidistancia mínima entre curvas de nivel de 50 m.

Imagen satelital Landsat TM.

1.6.2. Información meteorológica

Los datos meteorológicos se utilizarán de la estación Huancané por ser la más cercana a la zona de estudio, controlada por el SENAMHI – Puno.

La información meteorológica, de precipitación (total mensual y máxima en 24 horas), temperatura (media, máxima y mínima), humedad relativa, evaporación, horas de sol y viento (velocidad y dirección); se ha recopilado de la estacion Huancané.

La ubicación, características y longitud de registro histórico de lasvariables meteorológicas de la estación utilizada en el presente estudio, se presentan en los siguientes cuadros.

Cuadro Nº 1.1 Características físicas de la estación meteorológicaEstación Huancané

N° Estación Tipo

Ubicación Política Ubicación Geográfica

PropietarioDistrito Prov.

Dpto.

Latitud Longitud UTM (m)Altitud (msnm)Sur Oeste Este Norte

1 Huancané CO Huancané Huancané Puno 15°12'24.8" 69°45'29.7" 417973 8319186 3840 Senamhi

Cuadro Nº 1.2 Longitud de registro histórico de las variables meteorológicasEstación Huancané




1 P. total mensual 45

2 Pmáx 24 horas 45

3 T. máxima 45

4 T. mínima 45

5 T. media 45

6 Humedad relativa 45

7 Evaporación 13

8 Horas de sol 17

9 Velocidad del viento 10

10 Direccion del viento 9

Periodo de registro

N° Variable

meteorológicaTotal años

2.DESCRIPCIÓN GENERAL DEL AREA DE ESTUDIO

2.1. UBICACIÓN GEOGRÁFICA

La zona de estudio se encuentra ubicada entre las coordenadas UTM (WGS 84).

Kilómetro 0+000

Este : 417229.36

Norte : 8319848.87

Altitud : 3821.90

Kilómetro 7+991.47

Este : 411766.63

Norte : 8325319.62

Altitud : 3844.34

2.2. UBICACIÓN POLÍTICA

La zona de estudio políticamente se encuentra ubicado en:

Departamento : Puno

Provincia : Huancané

Distrito : Huancané

El presente tramo comprende el estudio hidrológico de la carretera Huancané – Acocollo, del Kilómetro 0+000 al Kilómetro 7+991.47.

2.3. ACCESIBILIDAD Y VÍAS DE COMUNICACIÓN

Los principales ejes de vías de acceso a la zona de estudio, desde la ciudad de Puno, es la siguiente:




1) Puno – Paucarcolla – Caracoto – Juliaca – Samán – Taraco – Huancané Km 0+000.

2) Puno – Paucarcolla – Caracoto – Juliaca – Samán – Taraco – Acocollo – Km 7+991.47.

La primera ruta es accesible al inicio del tramo proyectado (Km 0 + 000), la segunda es accesible al final del tramo proyectado (km 7+991.47).

En el Mapa Nº 2.1 se muestra las dos (02) vias de acceso desde la ciudad de Puno.

Cuadro Nº 2.1 Distancia de las vías de acceso – Primera ruta

Tramo Distancia (Km) Tipo de vía

Puno – Paucarcolla 14.71 Asfaltada

Paucarcolla - Caracoto 20.28 Asfaltada

Caracoto - Juliaca 9.10 Asfaltada

Juliaca - Samán 25.94 Asfaltada

Samán - Taraco 5.21 Asfaltada

Taraco – Huancané – Km 0+000 27.02 Asfaltada

Cuadro Nº 2.2 Distancia de las vías de acceso – Segunda ruta

Tramo Distancia (Km) Tipo de vía

Puno – Paucarcolla 14.71 Asfaltada

Paucarcolla - Caracoto 20.28 Asfaltada

Caracoto - Juliaca 9.10 Asfaltada

Juliaca - Samán 25.94 Asfaltada

Samán - Taraco 5.21 Asfaltada

Taraco – Desvío HuancanéPutina 18.39 Asfaltada

Desvío HuancanéPutina – Km 7+991.47 (Acocollo)

11.32 Asfaltada




Mapa Nº 2.1 Vias de acceso




Mapa Nº 2.2 Ubicación geográfica




Mapa Nº 2.3 Ubicación política




Figura Nº 2.1 Via proyectada Huancané - Acocollo

2.4. DELIMITACIÓN HIDROGRÁFICA DE LAS MICROCUENCAS

Con el uso de la carta nacional a escala de 1:100,000 y con la ayuda de imagen satelital Landsat TM, se procedió a delimitar las microcuencas utilizando el programa ArcGIS 10, en el cual setrazó el parte aguas quedando así delimitado en su totalidad el perímetro de la cuenca.

De la tabla Nº 2.1 según el rango propuesto, las unidades hidrográficas delimitadas en la zona del proyecto sus áreas de drenaje son menores que 10 Kilómetros cuadrados, por lo que lo que son denominadas microcuencas.

Tabla Nº 2.1 clasificación superficial de una unidad hidrográfica

Unidad hidrográfica Área (Km2)

Microcuenca hasta 100Subcuenca 101 - 700

Cuenca más de 700

2.4.1. Descripción de las microcuencas

Es toda el área de drenaje menor a 100 km2, cuyas aguas concurren a un punto de salida, en otras palabras se puede decir que es el área que contribuye a la escorrentía y que proporciona todo o parte del flujo del cauce principal y sus tributarios.


FIN DE VIA ACCOCCOLLO KM 8+106

INICIO DE VIA HUANCANE KM 0+000



2.5. GEOMORFOLOGIA

2.5.1. Generalidades

La geomorfologíaes la rama de la geografía física que estudia de manera descriptiva y explicativa el relieve de la Tierra, el cual es el resultado de un balance dinámico - que evoluciona en el tiempo - entre procesos constructivos y destructivos, dinámica que se conoce de manera genérica como ciclo geomorfológico.

Morfología de la cuenca.- La morfología de una cuenca queda definida por su forma, relieve y drenaje, para lo cual se han establecido una serie de parámetros, que a través de ecuaciones matemáticas, sirven de referencia para la clasificación y comparación de las cuencas. Para un mejor enfoque sobre el estudio de las cuencas se establece los parámetros de forma, parámetros de relieve y parámetros de la red hidrográfica, generalmente.

Las características físicas desempeñan un papel esencial en la respuesta hidrológica de una cuenca hidrográfica. Recíprocamente, el carácter hidrológico de la misma contribuye considerablemente a formar sus características físicas. Entonces, esta interrelación debería suministrar la base para predecir cuantitativamente la respuesta hidrológica, a partir de aquellos parámetros físicos que son fáciles de medir.

En el presente estudio solo se determinaran alguno de los parámetros de forma y parámetros de la red hidrográfica, debido a que son los de mayor importancia apara la determinación del caudal máximo.

2.5.2. Parámetros geomorfológicos

En lo que respecta a los parámetros geomorfológicos de las microcuencas, asociados a su capacidad de respuesta a la precipitación en forma de escorrentía superficial, se tiene como principales parámetros que contribuirán para determinar las máximas avenidas de cada microcuenca encontrada en el área de estudio, tales como son: el área de drenaje, longitud, cota máxima, cota mínima y pendiente del cauce principal.

2.5.2.1. Área (A)

El área de la cuenca o área de drenaje es el área cerrada que está comprendido dentro del límite o divisoria de agua (divortium aquarum). El área de una unidad hidrográfica, es el elemento básico para el cálculo de las otras características físicas y es determinado normalmente con planímetro y expresado en kilómetros o hectáreas. Es importante mencionar que las cuencas hidrográficas con la misma área pueden tener comportamientos hidrológicos completamente distintos en función de los otros factores que intervienen.

Su importancia radica en las siguientes razones:

Es un valor que se utilizará para muchos cálculos en varios modelos hidrológicos.

Para una misma región hidrológica o regiones similares, se puede decir que a mayor área mayor caudal o viceversa.

Bajo las mismas condiciones hidrológicas, cuencas con áreas mayores producen hidrógrafas con variaciones en el tiempo más suaves y más llanas. Sin embargo, en cuencas grandes, se pueden dar hidrógrafas picudas cuando la precipitación fue intensa y en las cercanías, aguas arriba, de la estación de aforo.

El crecimiento del área actúa como un factor de compensación de modo que es más común detectar crecientes instantáneas y de respuesta inmediata en cuencas pequeñas que en las grandes cuencas.




El area de drenaje de las microcuencas que interceptan el tramo en estudio oscilan entre2.1 a 2204.5hectareas, este parámetro nos servirá para determinar el caudal de diseño de las obras de arte.

2.5.2.2. Perímetro

Es la longitud de la línea de divortium aquarum. Se mide mediante el curvímetro o directamente se obtiene del Software en sistemas digitalizados.

2.5.2.3. Longitud del cauce principal (L)

Es la longitud de mayor de recorrido que realiza el río, desde la cabecera de la cuenca, siguiendo todos- los cambios de dirección o sinuosidades, hasta un punto fijo de interés, puede ser una estación de aforo o desembocadura, expresado en unidades de longitud.

La longitud del cauce principal en las microcuencas encontradas en la zona del proyecto varian de 143.8 a 9273.7 metros.

2.5.2.4. Pendiente del cauce principal (S)

El agua de lluvia se concentra en los lechos fluviales después de escurrir superficialmente y subterráneamente por la superficie de la cuenca en dirección a la desembocadura o salida. La pendiente del curso de agua influye en los valores de descarga de un rio de forma significativa, pues la velocidad con que la contribución de la cabecera alcanza la salida depende de la pendiente de los canales fluviales. Así, cuanto mayor la pendiente, mayor será la velocidad de flujo y más pronunciados y estrechos los hidrogramas de avenidas.

La pendiente media del cauce principal, según TAYLOR Y SCHUWARZ es la relación entre la diferencia de alturas y la longitud del curso principal.

…………………………………2.1

Donde:

S = pendiente media del cauce principal (m/m).

L = longitud del cauce principal (m).

HM ,Hm= altura máxima y mínima del lecho del río principal, referidos al nivel medio de las aguas del mar (msnm).

En el Cuadro Nº 2.4, se muestran los principales parámetros morfológicos de las microcuencas (Mc) encontradas en la zona de estudio, los cuales servirán para la determinación de los caudales de diseño de las obras de arte.

Las superficies delimitadas, corresponden a la superficie de la misma proyectadaen un plano horizontal; en el cual escurre las precipitaciones fluviales formando laescorrentía superficial.


S=(HM−H m )

L



Cuadro Nº 2.4 Parámetros morfológicos de las microcuencas

Longitud (L) m

Altura máxima (HM)

m.s.n.m.

Altura mínima (Hm)

m.s.n.m.

Pendiente (S) (%)

Mc 01 0+166 5.5 464.5 3912.0 3820.7 19.7

Mc 02 0+323 2.5 221.3 3876.0 3819.9 25.3Mc 03 0+442 13.7 490.4 3910.0 3819.7 18.4

Mc 04 0+726 2.1 143.8 3856.0 3818.3 26.2

Mc 05 1+469 2204.5 9273.7 4117.0 3814.8 3.3

Mc 06 3+439 111.4 2508.9 3846.0 3816.4 1.2

Mc 07 3+635 36.3 978.3 3840.0 3817.1 2.3

Mc 08 5+212 115.9 1993.4 3897.0 3823.0 3.7

Mc 09 5+547 73.7 2067.9 3976.0 3822.2 7.4

Mc 10 6+480 94.5 2113.2 4002.0 3822.1 8.5

Mc 11 6+992 157.9 2409.7 4033.0 3823.4 8.7

Microcuenca Desembocadura

Progresiva

Area de influencia

Has

Características del cauce principal

3. CLIMATOLOGÍA

El año se divide en cuatro estaciones astronómicas en función de la actividad atmosféricay de la circulación de masas de aire, no obstante desde el punto de vista climatológico, la zona de estudio tiene una estación húmeda (Diciembre a Marzo), otraseca (Mayo a Agosto) y dos periodos de transición (Septiembre - Noviembre y Abril).

En la estación primavera (Septiembre-Noviembre), verano (Diciembre-Febrero), otoño(Marzo-Mayo) e invierno (Junio-Agosto); el viento dominante viene del Norte – Estegeneralmente.

Otro aspecto localizado sobre la región es la anomalía depresionaria provocada por elfuerte calentamiento del suelo árido. En efecto, la altitud media es en torno a 4,300msnm. Y la presión media es de 650 mb. Esta situación provoca fuertes movimientosconvectivos, a la que se añade la humedad producida por la evaporación del lagoTiticaca, da como resultado la formación de grandes nubes cúmulus y cumulunimbossobre la región.

Los principales parámetros climáticos que definen o caracterizan el clima en una zona, es la siguiente: precipitación, temperatura, humedad relativa y evaporación;son los de mayor importancia en cuanto a la tipificación o caracterización de laclimatología. Estos parámetros provienen del registrohistórico de la estacion meteorológica deHuancané, instaladaen la cercania de la zona de estudio.Esta estacion está a cargo del Servicio Nacional deMeteorología e Hidrología (SENAMHI)-Puno.

La información utilizada en el presente estudio, para caracterizar el clima en la zona delproyecto, corresponde a la estacion de Laraqueri. Los parámetros analizadosson: precipitación, temperatura, humedad relativa, evaporación, horas de sol y viento.

De acuerdo a la evaluación climatológica, los factores más importantes del clima songeneralmente la altitud y la latitud, ellos definen las características particulares del clima,el efecto orográfico y las amplias oscilaciones de temperatura y los fuertes vientos.

3.1. PARÁMETROS CLIMATOLÓGICOS

3.1.1. Precipitación




La precipitación es la fase del ciclo hidrológico que da origen a todas las corrientes superficiales y profundas, debido a lo cual su evaluación y el conocimiento de su distribución, tanto en el tiempo como en el espacio, son problemas básicos en hidrología.

Se le puede llamar precipitación a cualquier tipo de agua que cae de las nubes sobre la superficie de la tierra, ya sea en estado sólido o en estado líquido, esto incluye lluvia, llovizna, nieve, granizo, generalmente, menos la neblina y rocío.

La precipitación se considera como la primera variable hidrológica y es la entrada natural de agua dentro del balance hídrico de los agro-ecosistemas y de las cuencas hidrográficas.

Las pequeñas gotas de agua que forman las nubes son de dimensiones tan diminutas que se necesita reunir unos cuantos de cientos de miles de estas gotitas para formar una gota de llovizna, y varios millones para formar una gota grande de lluvia, [Fuentes 1989].

3.1.1.1. Régimen de la precipitación estacional

Las características estacionales del clima en la zon a de estudio, se manifiestan principalmente en la variación del régimen de las precipitaciones. Se sabe que las especies entre las que son pastos naturales, no solo son afectados por la poca precipitación anual, sino también por su irregular distribución a lo largo de todo el año.

En el Cuadro Nº 3.1, se presenta el promedio multimensual de la precipitación total mensual correspondiente al periodo 1965 – 2009 de la estacion meteorológicaHuancané, de igual manera en elGráfico Nº 3.1, se aprecia la uniformidad de variación de la precipitación, lo que demuestra el carácter estacional de la precipitación en la zona de estudio.

El comportamiento estacional de la precipitación de la estacion meteorológica considerada en el presente estudio, de acuerdo a los periodos de lluvia, invierno ymeses de transición, se detallan a continuación al respecto de su totalidad, de lasiguiente forma:

El período de lluvias de mayor magnitud comienza a partir del mes de Diciembre y seprolonga hasta Marzo, para lo cual corresponde el 68.5%, de laprecipitacion total anual.

El período seco (invierno), comprende los meses de Mayo a Agosto, las precipitacionescon sus mínimos valores llegan a ser del 4.5%,de laprecipitacion total anual.

Los meses transitorios corresponden a Abril, Setiembre - Noviembre, lo cual representan el 26.9%, de la precipitacion total anual.

Cuadro Nº 3.1 Precipitación total mensual – Promedio multimensual (1965 – 2009) Estación Huancané

EstaciónAltitud (msnm)

Meses Total AnualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Huancané 3840 139.8 108.0 101.7 41.1 11.0 5.1 4.0 10.1 27.3 47.5 64.0 108.3 668.1




Gráfico Nº 3.1 Variación mensual de la precipitación – Promedio multimensual (1965 – 2009)Estación Huancané

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

10.1

27.3

47.5

64.0

108.3

139.8

108.0101.7

41.1

11.0 5.1 4.0

Tiempo (meses)

Pre

cipi

taci

ón

(mm

)

Cuadro Nº 3.2Porcentaje de variación de la precipitación total mensual (%) Estación Huancané


Meses Total AnualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Huancané 3840 20.9 16.2 15.2 6.2 1.6 0.8 0.6 1.5 4.1 7.1 9.6 16.2 100

Gráfico Nº 3.2 Distribución del Porcentaje de variación de la precipitación total mensualEstación Huancané




Ene20.9%

Feb16.2%

Mar15.2%

Abr6.2%

May1.6%

Jun0.8%

Jul0.6%

Ago1.5% Sep

4.1%

Oct7.1%

Nov9.6%

Dic16.2%

3.1.1.2. Régimen de la precipitación total anual

La precipitación es una de las variables climáticas más importantes que influyen en laproducción agrícola, puesto que la precipitación pluvial, es normalmente, la única fuentede humedad proporcionada al suelo.

La precipitacion total anual de 45 años de registro varia en un rango de 358.6 mm a 956.0 mm, el valor más bajo de la serie justifica que en ese año ocurrió una sequia intensa por lo que se registró dos episodios de sequia extremadamnete seco (1982-1983), según la estimación a través de la suma del Indice de Precipitación Estandarizada (IPE), realizados en otros estudios de la region.

La información pluviométrica utilizada en el presente estudio proviene de 45 años de registro histórico de la estacion meteorológica Huancané. En el cuadro Nº 3.3, se muestra la precipitacion total de cada año hidrológico de las cuales tiene un promedio totalanual de 668.1 mm, lo que significa que es una zona con lluvias normales.

Cuadro Nº 3.3 Precipitación total anual (mm) – Estación Huancané

Nº Año Total Anual Nº Año Total Anual

1 1965 719.8 24 1988 902.02 1966 643.2 25 1989 660.23 1967 545.3 26 1990 616.14 1968 821.2 27 1991 719.05 1969 544.5 28 1992 616.86 1970 702.3 29 1993 678.87 1971 477.4 30 1994 669.08 1972 625.1 31 1995 522.69 1973 645.9 32 1996 654.110 1974 593.5 33 1997 799.111 1975 717.7 34 1998 572.112 1976 358.6 35 1999 592.713 1977 550.3 36 2000 539.814 1978 950.7 37 2001 851.1




15 1979 665.3 38 2002 955.716 1980 714.8 39 2003 756.717 1981 956.0 40 2004 697.218 1982 602.8 41 2005 606.119 1983 392.9 42 2006 620.720 1984 660.5 43 2007 698.421 1985 952.3 44 2008 585.422 1986 879.4 45 2009 433.323 1987 596.1

Valor máximo de la serie 956.0 mm Valor mínimo de la serie 358.6 mm Promedio total anual 668.1 mm Desviación estándar 144.4 mm

Gráfico Nº 3.3 Precipitación total anual (mm) – Estación Huancané

1965

1967

1969

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

900.0

1000.0

Tiempo (Años)

Pre

cipi

taci

ón (

mm

)

3.1.2. Temperatura del aire

La temperatura del aire en la superficie es la temperatura comprendida entre 1.25 y 2 metros, sobre el nivel del suelo y es diferente a la temperatura del suelo. Generalmente se admite que esta temperatura es representativa de las condiciones a que están sometidos los seres vivos en la superficie de la tierra.

La temperatura expresa numéricamente el efecto que produce en los cuerpos el calor originado por el balance entre la radiación emitida y recibida. El aire se calienta o enfría a partir del suelo por distintos métodos de transmisión y por los cambios de estado físico del agua atmosférica.




Los registros de temperatura utilizados en el presente estudio es la información recopilada y adquirida de la institucionde la región SENAMHI. La longitud de registro de temperaturas es de 45 años, generalmente.

Es necesario subrayar que, la temperatura constituye un factor limitativo para el desarrollo de las plantas y en consecuencia de la agricultura, por lo que el estudio de estavariable merece una especial atención.

La temperatura del aire de la estación meteorológica considerada en el presenteestudio, se manifiestan de tres niveles, como temperatura media, temperatura media delas máximas diarias y temperatura media de las mínimas diarias, que en adelante sedetalla cada una de ellas.

3.1.2.1. Régimen de temperaturas medias

Es la temperatura promedio de un periodo dado. En rigor, para poderla calcular, se necesitaría disponer de un registro continuo de la temperatura o de observaciones espaciadas regularmente en el tiempo en cantidad suficiente. En la práctica, se utiliza la media entre la Temperatura máxima y la mínima, o el promedio entre las temperaturas tomadas a intervalos regulares. Para dar un valor se requiere más de dos datos en ausencia de Temperatura máxima y Temperatura mínima.

Debido a las diferencias de altitud, exposición a los vientos y al sol, existen algunas variaciones en la distribución de la temperatura media del aire en la zona de estudio. En toda la región las temperaturas medias más bajas se producen en el mes de Julio, mientras que las más elevadas se registran en los meses de Noviembre a Marzo, por lo general centradas en noviembre y diciembre.

Del cuadro Nº 3.4, se observa que la temperatura media varia de 4.5º C a 9.5º C y un valor promedio anual de 7.7º C.

Cuadro Nº 3.4Temperatura media mensual (°C) - Promedio multimensualEstacion Huancané


Meses Promedio anualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Huancané 3840 9.3 9.3 9.0 8.1 6.3 4.9 4.5 5.7 7.5 8.9 9.5 9.5 7.7

Gráfico Nº 3.4Variación mensual de la Temperatura media (ºC) – Promedio MultimensualEstación Huancané





1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0 9.3 9.39

8.1

6.3

4.94.5

5.7

7.5

8.99.5 9.5

Tiempo (meses)

Tem

pera

tura

(°C

)

3.1.2.2. Régimen de temperaturas máximas

Es la temperatura mas alta registrada durante un periodo determinado, la temperatura máxima, vendría a ser en este caso, la temperatura media de las máximas diarias a nivel mensual.

En el Cuadro Nº 3.5, se verifica que durante el año la mayor temperatura máxima se registra en el mes de Noviembre al igual que la temperatura media.

El gradiente térmico para la temperatura máxima promedio de la región corresponde a 0.51ºC por cada 100 m de desnivel.

Cuadro Nº 3.5 Temperatura máxima media mensual (°C) - Promedio multimensualEstacion Huancané


Meses Promedio AnualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Huancané 3840 14.5 14.6 14.5 14.8 14.7 14.1 13.9 14.5 15.2 15.8 16.0 15.4 14.8

Gráfico Nº 3.5Variación mensual de la Temperatura máxima (ºC) – Promedio MultimensualEstación Huancané





13.0

13.5

14.0

14.5

15.0

15.5

16.0

14.514.6

14.5

14.814.7

14.113.9

14.5

15.2

15.816

15.4

Tiempo (meses)

Tem

pera

tura

(°C

)

3.1.2.3. Régimen de temperaturas mínimas

De forma análoga a la temperatura máxima, la temperatura mínima es la temperatura mas baja registrada durante un periodo, teniéndose en cuenta toda la información disponible.

La temperatura mínima, vendría a ser en este caso, la temperatura media de las mínimasdiarias a nivel mensual.

En el Cuadro Nº 3.6, se verifica que durante el año la temperatura más baja se registra en el mes de Julio (-4.9º C), lo que significa que es mes con mas frecuencia de heladas seguida del mes de junio y aumentadose la temperatura en los meses de agosto, septiembre y Octubre.

Cuadro Nº 3.6 Temperatura mínima media mensual (°C) - Promedio multimensualEstación Huancané


Meses Promedio AnualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Huancané 3840 4.1 4.0 3.4 1.6 -2.1 -4.3 -4.9 -3.1 -0.2 1.9 2.9 3.6 0.6

Gráfico Nº 3.6Variación mensual de la Temperatura mínima (ºC) – Promedio MultimensualEstación Huancané




Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0 4.1 43.4

1.6

-2.1

-4.3-4.9

-3.1

-0.2

1.9

2.9

3.6

Tiempo (meses)

Tem

pera

tura

(°C

)

3.1.3. Humedad Relativa

Es la humedad que contiene la masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse la condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. También se define como el porcentaje de saturación del aire con vapor de agua. El factor determinante de la humedad relativa es la temperatura, el cual permite saber cuánto de vapor de agua hay en la atmósfera. Se expresa en porcentaje.

A una temperatura dada, la presión parcial del vapor de agua en el aire no puede superar un cierto valor, llamado tensión de vapor saturante. La humedad relativa es el tanto por ciento de la tension de vapor existente en ralación con ese máximo. Si hay saturación, la humedad relativa será del 100% (y la temperatura del punto de rocío se iguala a la temperatura del aire). Cuando hay niebla el aire está saturado de humedad

En nuestro país, el SENAMHI realiza tres mediciones por día (a las 07, 13 y 19 horas), las temperaturas bulbo húmedo y seco. Con la ecuación de la humedad relativa se calcula para cada hora y con el promedio de las tres mediciones se obtiene la humedad relativa media diaria, de igual forma el promedio mensual se obtiene de las humedades relativas diarias correspondientes.

En el Cuadro Nº 3.7 se verifica que durante el año la menor humedad relativa se registra en el mes de agosto (54%) y la mayor humedad relativa se presenta en el mes de marzo (71%).

Cuadro Nº 3.7Humedad realtiva media mensual (%) - Promedio multimensualEstación Huancané



Huancané

3840 70.0 70.0 71.0 66.0 58.0 57.0 57.0 54.0 56.0 56.0 58.0 64.0 61.4

Gráfico Nº 3.7 Variación mensual de la Humedad realtiva (%) – Promedio Multimensual




Estación Huancané


10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.070.0 70.0 71.0

66.0

58.0 57.0 57.054.0 56.0 56.0 58.0

64.0

Tiempo (meses)

Hum

edad

rel

ativ

a (%

)

3.1.4. Evaporación

La evaporación es el proceso físico mediante el cual el agua se convierte a su forma gaseosa. La evaporación del agua a la atmósfera ocurre en la superficie de ríos, lagos, suelos y vegetación. La evaporación es otro de los elementos principales de la fase del ciclo hidrológico.

Factores que influyen en la evaporación:

Humedad relativa.- La relación es inversa, entre mayor sea el contenido de vapor en la atmósfera menor será la evaporación.

Temperatura del aire.- Al aumentar la temperatura aumenta la evaporación, debido a que se aumenta la capacidad de la masa de aire de almacenar vapor de agua.

Viento.- El viento lo que hace es remover las masas de vapor de agua, aumentando el déficit de vapor del aire o la demanda evaporativa.

Radiación solar.-Es la fuente de energía del proceso, ya que él la que calienta el agua provocando el paso del estado líquido al estado de vapor.

Presión atmosférica.-Su efecto sólo es apreciable cuando hay grandes diferencias en altitud, tanto menor sea la presión atmosférica mayor será la evaporación.

Salinidad del agua.-La evaporación es inversamente proporcional a la salinidad del agua.

En en Cuadro Nº 3.8, se observa que durante el año la menor evaporación se registra en el mes de junio y la mayor evaporación en el mes de noviembre con 164.1 mm.

Cuadro Nº 3.8Evaporacióntotal mensual (mm) - Promedio multimensualEstación Huancané


Meses Total anualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Huancané

3840 125.8 109.9 112.8 106.9 111.7 99.3 111.8 137.0 156.0 171.7 164.1 144.1 1551.1




Gráfico Nº 3.8 Variación mensual de la Evaporación (mm) – Promedio MultimensualEstación Huancané


20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

125.8

109.9 112.8106.9

111.7

99.3

111.8

137.0

156.0

171.7164.1

144.1

Tiempo (meses)

Eva

pora

ción

(m

m)

3.1.5. Horas de Sol

Número de horas por día de luz solar brillante, también definida como la duración de trazas o quemaduras hechas en una carta hidrográfica por el registro de "Campbell Stokes".

La radiación de sol constituye una fuente de calor y esta también es necesaria para muchos procesos vegetales. Tanto la luz como la humedad proporciona verdaderos materiales para construir la estructura vegetal, mientras que la temperatura proporciona las necesarias condiciones de trabajo. La luz es de primordial importancia para los aspectos nutricionales y estructura de la vida vegetal.

El Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología – SENAMHI, mide la duración de insolación diaria con el aparato meteorológico llamado “Heliógrafo”.

En el Cuadro Nº 3.9 se verifica que durante el año la menor horas de sol se registra en el mes de enero, esto significa que este mes es nublado y bastante lluvioso.

Cuadro Nº 3.9 Horas de sol media mensual - Promedio multimensualEstación Huancané



Huancané

3840 5.5 6.0 6.5 7.9 9.3 9.0 9.0 8.9 8.9 8.5 8.2 6.5 7.9




Gráfico Nº 3.9Variación mensual de las Horas de sol – Promedio MultimensualEstación Huancané


1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

5.56.0

6.5

7.9

9.3 9.0 9.0 8.9 8.98.5

8.2

6.5

Tiempo (meses)

Hor

as d

e so

l

3.1.6. Viento

El viento es el movimiento de aire en la superficie terrestre. Es generado por la acción de gradientes de presión atmosférica producida por el calentamiento diferencial de las superficies y masas de aire.

La superficie de la tierra se calienta por la radiación solar, esta radiación solar no se recibe con la misma intensidad en todas las zonas del planeta, lo que origina un calentamiento desigual de las masas de aire. El aire de las capas atmosféricas más bajas se calienta bajo la influencia de la superficie terrestre, siendo su calentamiento más o menos intenso según la temperatura que alcanza las diferentes zonas de la superficie terrestre con las que se mantiene en contacto.

En general existe la tendencia a que cualquier desequilibrio que exista a nivel de la atmósfera tiende a equilibrarse de manera natural. El desequilibrio creado por la diferencia de presión tiende a equilibrarse de una forma natural mediante el desplazamiento de aire de la zona de mayor presión a la de menor presión, este desplazamiento de aire horizontal recibe el nombre de viento.

Desde el punto de vista ecológico, un buen conocimiento del viento tiene implicaciones amplias en la agricultura y en el manejo de los suelos. Los vientos influyen en:

1) La remoción de CO2. 2) Transferencia y/o remoción de vapor de agua. 3) Transporte de insectos, polen y esporas de enfermedades. 4) Desgarre de hojas. 5) Cambios en la humedad atmosférica local. 6) Aumento en las tasas de evapotranspiración. 7) Pérdidas en las aplicaciones de agroquímicos y en los sistemas de riego por

aspersión. 8) Cambios térmicos en las primeras capas del suelo.




9) Pérdidas de suelos por erosión eólica. 10)Causa sequías.

Las dos características fundamentales del viento son la Velocidad y la Dirección.

Velocidad: espacio recorrido por unidad de tiempo (m/s; km/h).

Dirección: es el punto del horizonte de donde viene el viento.

Tabla Nº 3.1 Valores generales de la velocidad del viento en términos mensuales

DescripciónVelocidad media mensual del

viento a 2 m de altura

Vientos suaves <= 1.0 m/seg.Vientos suaves a moderados 1-3 m/seg.Vientos moderados a fuertes 3-5 m/seg.

Vientos fuertes >= 5.0 m/seg.

El Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología – SENAMHI, mide la velocidad del viento con el aparato meteorológico “Anemómetro” y la dirección del viento con la “Veleta”.

3.1.6.1. Velocidad del viento

En general para un año promedio, la distribución de la velocidad media delViento, es de3.0 m/seg., con un valor máximo de 3.8 m/seg., en el mes de Octubre y un valor mínimo de 2.2 m/seg. en de junio.

Cuadro Nº 3.10Velocidad del viento media mensual (m/seg.) - Promedio multimensualEstación Huancané



Huancané

3840 3.0 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.6 3.1 3.7 3.8 3.6 3.4 3.0

Gráfico Nº 3.10Variación mensual de la Velocidad del Viento (m/seg.) – Promedio Multimensual

Estación Huancané





0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

3.0 3.02.8

2.62.4

2.2

2.6

3.1

3.7 3.83.6

3.4

Tiempo (meses)

Vel

ocid

ad (

m/s

eg.)

3.1.6.2. Dirección del viento

Del registro mensual de la dirección del viento, de la estación meteorológicaHuancané, se ha obtenido la dirección del viento predominante a nivel mensual y anual de la cual se puede describir que la dirección predominate del viento es de sudeste (SE), ver el Cuadro Nº 3.11.

Para la gráfica de las rosas del viento se ha utilizado el software WRPLOT View (Themeteorologicalresource center), mediante el cual se generan gráficas de rosa de los vientos y gráficas para varios formatos de datos meteorológicos. Una rosa de los vientos muestra la frecuencia de ocurrencia de los vientos en cada una de las direcciones del viento proporcionadas y las clases de velocidad para tiempo y lugar específicos. Se considera que este programa es un sustituto a U.S. EPA DOS utility WRPLOT.

WRPLOT View se alimenta de datos guardados en archivos con formato SCRAM, CD144, SAMSON, .DAT y datos meteorológicos ISC procesados anticipadamente. Produce rosas de los vientos con opciones de color, al mismo tiempo que crea tablas de distribución y estabilidad de clases.

Las rosas del viento se muestran en el Gráfico Nº 3.11, donde se aprecia la dirección predominante del viento de la estación considerada en el presente estudio.

Cuadro Nº 3.11 Dirección del viento predominante mensual y anual - Estacion Huancané


MesesAnual

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Huancané

3840 SE SE SE SE SE SE W E E SE SE SE SE

Cuadro Nº 3.12 Registro anual de la dirección del viento predominante - Estación Huancané

Unidad Dirección Tota

lN NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW C

n 0.0 0.0 0.0 0.0 32.0 0.0 65.0 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 10.0 0.0 0.0 0.0 0.0 108

% 0.0 0.0 0.0 0.0 29.6 0.0 60.2 0.9 0.0 0.0 0.0 0.0 9.3 0.0 0.0 0.0 0.0 100




Gráfico Nº 3.11 Rosas de la dirección del viento predominante (%) - Estación Huancané

4. PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24 HORAS

4.1. GENERALIDADES

Las lluvias violentas pueden ocasionar importantes daños, degradación de la estructura del suelo, erosión, inundaciones, daños mecánicos en cultivos, daños de vías construidas, etc. La precipitación máxima en 24 horas, son los datos disponibles, sin recurrir a localizar las bandas de pluviógrafo, en ocasiones son más interesantes las precipitaciones máximas en períodos de tiempo más cortos, por lo que se debe acudir a sistemas de estimación.

El estudio de las precipitaciones máximas es necesario en múltiples aplicaciones. Así en hidrologíapara la estimación de avenidas es necesario conocer el valor de la máxima precipitación probableregistrada para un determinado período de retorno. El "período de retorno o de recurrencia" (T) esel intervalo medio expresado en años en el que un valor extremo alcanza o supera al valor "x", almenos una sola vez (Elías y Ruiz, 1979).

Cuadro Nº 4.1 Serie histórica de las precipitaciones máximas en 24 horas

Estación Huancané

m Año Mes P24 m Año Mes P24

1 1965 Enero 35.0 24 1988 Enero 52.42 1966 Febrero 49.0 25 1989 Marzo 35.23 1967 Diciembre 54.2 26 1990 Diciembre 23.84 1968 Febrero 35.4 27 1991 Febrero 58.05 1969 Febrero 31.2 28 1992 Agosto 48.56 1970 Enero 47.5 29 1993 Diciembre 34.27 1971 Febrero 44.0 30 1994 Marzo 68.78 1972 Febrero 35.0 31 1995 Noviembre 35.09 1973 Marzo 39.5 32 1996 Diciembre 51.610 1974 33 1997 Enero 35.611 1975 Febrero 36.0 34 1998 Noviembre 54.5




12 1976 35 1999 Marzo 45.013 1977 Febrero 34.1 36 2000 Diciembre 28.414 1978 Febrero 45.2 37 2001 Marzo 29.715 1979 Enero 36.8 38 2002 Abril 32.016 1980 Marzo 32.4 39 2003 Diciembre 39.217 1981 Enero 42.2 40 2004 Diciembre 35.918 1982 Enero 38.2 41 2005 Marzo 26.419 1983 Febrero 21.2 42 2006 Enero 31.620 1984 Noviembre 46.6 43 2007 Marzo 34.621 1985 Abril 42.2 44 2008 Diciembre 43.922 1986 Febrero 39.4 45 2009 Febrero 25.323 1987 Enero 58.0

Valor máximo de la serie 68.7 mm Valor mínimo de la serie 21.2 mm Promedio 39.8 mm Desviación estándar 10.2 mm Coeficiente de asimetría 0.63

Gráfico Nº 4.1 Hidrograma de la precipitación máxima en 24 – EstaciónHuancané

1965

1966

1967

1968

1969

1970

1971

1972

1973

1974

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

0

20

40

60

80

100

Hidrograma de precipitación máxima en 24 horas - Serie histórica Estación Huancané

Tiempo (Años)

Pre

cip

itac

ión

(m

m)

4.2. COMPLETACIÓN DE LA INFORMACION HISTÓRICA

La completaciónde datos pluviométricos se realizó mediante una correlación múltiple entre las estaciones consistentes para cada periodo, para este proceso se utilizó el programa Hec-4 MonthlyStreamflowSimulation, desarrollado por el HidrologicEngineering Center de los Estados Unidos de América.

Los resultados se muestran a continuación:




Cuadro Nº 4.2 Precipitación máxima en 24 horas – Registro histórico completado

m Año Mes P24 m Año Mes P24

1 1965 Enero 35.0 24 1988 Enero 52.42 1966 Febrero 49.0 25 1989 Marzo 35.23 1967 Diciembre 54.2 26 1990 Diciembre 23.84 1968 Febrero 35.4 27 1991 Febrero 58.05 1969 Febrero 31.2 28 1992 Agosto 48.56 1970 Enero 47.5 29 1993 Diciembre 34.27 1971 Febrero 44.0 30 1994 Marzo 68.78 1972 Febrero 35.0 31 1995 Noviembre 35.09 1973 Marzo 39.5 32 1996 Diciembre 51.610 1974 Noviembre 39.0* 33 1997 Enero 35.611 1975 Febrero 36.0 34 1998 Noviembre 54.512 1976 Diciembre 21.0* 35 1999 Marzo 45.013 1977 Febrero 34.1 36 2000 Diciembre 28.414 1978 Febrero 45.2 37 2001 Marzo 29.715 1979 Enero 36.8 38 2002 Abril 32.016 1980 Marzo 32.4 39 2003 Diciembre 39.217 1981 Enero 42.2 40 2004 Diciembre 35.918 1982 Enero 38.2 41 2005 Marzo 26.419 1983 Febrero 21.2 42 2006 Enero 31.620 1984 Noviembre 46.6 43 2007 Marzo 34.621 1985 Abril 42.2 44 2008 Diciembre 43.922 1986 Febrero 39.4 45 2009 Febrero 25.323 1987 Enero 58.0

Valor máximo de la serie 68.7 mm Valor mínimo de la serie 21.0 mm Promedio 39.4 mm




Desviación estándar 10.3 mm Coeficiente de asimetría 0.56

*Registro completado

Gráfico Nº 4.2Hidrograma de la precipitación máxima en 24 – Registro histórico completado

196

519

66

196

719

68

196

919

70

197

119

72

197

319

74

197

519

76

197

719

78

197

919

80

198

119

82

198

319

84

198

519

86

198

719

88

198

919

90

199

119

92

199

319

94

199

519

96

199

719

98

199

920

00

200

120

02

200

320

04

200

520

06

200

720

08

200

9

0

20

40

60

80

Tiempo (Años)

Pre

cip

itac

ión

(m

m)

5. ANALISIS DE MAXIMAS AVENIDAS

5.1. INTRODUCCIÓN

Los eventos extremos máximos con una probabilidad de ocurrencia en función de la vidaútil y el riesgo de falla de la obra, son la base para el dimensionamiento de toda estructurahidráulica (defensas ribereñas, puentes, presas, bocatomas, pontones, alcantarillas, etc.).

Los complejos problemas sociales y económicos que se derivan por el colapso de una obrahidráulica (pérdida de vidas y propiedades), impiden cualquier procedimiento arbitrario;como base de sus estudios, el U.S. Corps of Engineers, usa una “avenida estándar deproyecto” definida como:

“La descarga que puede esperarse para la más severa combinación de condicionesmeteorológicas, y que son consideradas como razonablemente características de la regióngeográfica en estudio, con la exclusión de las combinaciones extremadamente raras”(LINSLEY – FRANZINI, 1972).

Usualmente la avenida estándar de proyecto es el 50% de la avenida máxima probable parael área; la magnitud de la máxima avenida probable (usada mayormente en el diseño devertedero de grandes presas) se determina por estimaciones meteorológicas del límitefísico de la lluvia caída en la cuenca de drenaje.

El hecho de que exista una diversidad de métodos y procedimientos de cálculo paradeterminar los eventos extremos máximos, indica la magnitud y complejidad del problema.




La no suficiente extensión de las series hidrometeorológicas disponibles y la falta degarantía de los datos, particularmente de los valores extremos, es probable que haya dadolugar a la no uniformidad de criterios en el estudio de los eventos máximos, además de laoposición de criterios y resultados que supone la consideración de los elementosprimordiales ligados al proyecto de toda obra: seguridad y economía.

El objetivo principal es calcular el caudal máximo (instantáneo) para diferentes períodos deretorno: 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000 y 10000 años según la obra de arte a proyectar; en forma global, serequiere para ello de ciertos datos básicos tales como la serie de descargas máximasdiariase instantáneas, la serie de precipitaciones máximas de 6, 12 y 24 horas, y datos de lageomorfología de la cuenca.

En cuanto al análisis de máximas avenidas nos encontramos generalmente frente a dossituaciones: como primer caso es cuando el río tiene registro de datos históricos decaudales máximos y el segundo caso es cuando el río no tiene este tipo de información. En la zona de estudio no se cuenta con registro de caudales máximos, solo se dispone de la precipitación máxima en 24 horas de la estación Larqueri, controladas por elSENAMHI- Puno, esta estación meteorológica es la más cercanas a la zona de estudio.Dicha información se ha utilizado para la estimación demáximas avenidas en los diferentes puntos donde estarán ubicadas las obras de arte, empleando el Modelo Hidrológico de precipitación– escorrentía, para así alcanzar el objetivo del estudio y proporcionar los elementos de juicio hidrológico, para latoma de decisiones en el diseño de la obras de arte ubicadas en el trayecto de la carretera.

En la actualidad existen varios métodos para determinar el caudal pico de diseño, en el Cuadro Nº 5.1 se muestran los más conocidos.

Cuadro Nº 5.1 Métodos para determinar el caudal pico de diseño

Lugares instrumentados Lugares no instrumentados

Distribución Normal Ecuaciones de regresión de la USGS

Distribución Log-Normal Ecuaciones de regresión de la FHWA

Distribución de valores extremos de Gumbel Método de descarga pico de la SCS

Distribución Log-Pearson tipo III Método Racional

Métodos de flujos pico regionalesFuente: Traducido de "Hidraulics Design Of Highway Culverts. Federal Highway Administration. Reimpreso 1998.

La información meteorológica disponible es suficiente para el análisis de los eventosextremos y establecido el marco teórico – conceptual; se procedió a la determinación de lamáxima avenida de diseño para diferentes períodos de retorno empleando el Método Racional.

5.2. MÉTODO RACIONAL

5.2.1. Introducción




El uso de este método, tiene una antigüedad de más de 100 años, se generalizado en todo el mundo. En mayo de 1989, la universidad de Virginia, realizó una Conferencia Internacional, en conmemoración del Centenario de la Formula Racional.

El método puede ser aplicado a pequeñas cuencas de drenaje agrícola, aproximadamente si no exceden a 1300 has o 13 km2.

En el método racional, se supone que la máxima escorrentía ocasionada por una lluvia, se produce cuando la duración de esta es igual al tiempo de concentración (tc). Cuando así ocurre, toda la cuenca contribuye con el caudal en el punto de salida. Si la duración es mayor que el tiempo de concentración (tc), contribuye así mismo toda la cuenca, pero en ese caso la intensidad de la lluvia es menor, por ser mayor su duración y, por tanto, también es menor el caudal.

Si la duración de la lluvia es menor que el tc la intensidad de la lluvia, es mayor, pero en el momento en el que acaba la lluvia, el agua caída en los puntos más alejados aun no ha llegado a la salida; solo contribuye una parte de la cuenca a la escorrentía, por lo que el caudal será menor.

5.2.2. Parámetros de método racional

Del planteamiento mencionado anteriormente, el caudal máximo se calcula por medio de la siguiente expresión, que representa la formula racional:

…………………………………. 5.1

Donde:

Q = caudal máximo, en m3/seg.

C = coeficiente de escorrentía, que depende de la cobertura vegetal, la pendiente y el tipo de suelo, sin dimensiones.

I = intensidad máxima de la lluvia, para una duración igual al tiempo de concentración, y para un periodo de retorno dado, en mm/hr.

A = área de la cuenca en has.

El coeficiente 1/360 corresponde a la transformación de unidades.

Para el caso en que el área de la cuenca esté expresado en Km2 la formula es:

………………………………….. 5.2

Siendo los demás parámetros con las mismas unidades.

5.2.2.1. Tiempo de concentración (tc)

Se denomina tiempo de concentración, al tiempo transcurrido, desde que una gota de agua cae en el punto más alejado de la cuenca hasta que llega a la salida de esta (estación de aforo). Este tiempo es función de ciertas características geográficas y topográficas de la cuenca.


Q=CIA360

Q=CIA3 . 6



El tiempo de concentración debe incluir los escurrimientos sobre terrenos, canales, cunetas y los recorridos sobre la misma estructura que se diseña.

Todas aquellas características de la cuenca tributaria, tales como dimensiones, pendientes, vegetación y otras en menor grado, hacen variar el tiempo de concentración.

Existen varias formas de hallar el tiempo de concentración de una cuenca.

A. Medida directa usando trazadores

Durante una lluvia intensa, colocar un trazador radioactivo, en la divisoria de la cuenca.

Medir el tiempo que toma el agua en llegar al sitio de interés.

B. Medida directa usando trazadores

Durante una lluvia intensa, colocar un trazador radioactivo, en la divisoria de la cuenca.

Medir el tiempo que toma el agua en llegar al sitio de interés.

C. Estimando velocidades

Calcular la pendiente media del curso principal, dividiendo el desnivel total entre la longitud total.

De la Tabla Nº 5.1, escoger el valor de la velocidad media en función a la pendiente y cobertura.

Usando la velocidad media y la longitud total encontrar el tiempo de concentración.

Tabla Nº 5.1 Velocidades medias de escurrimiento por laderas (m/min)

Pendiente (%)

Vegetación densa o cultivos

Pastos o vegetación ligera

Sin vegetación

0 - 5 25 40 705 - 10 50 70 12010 - 15 60 90 15015 - 20 70 110 180

D. Usando formulas empíricas

Existen entre las más usadas la formula Australiana, de George Rivero, del SCS, de Kirpich, esta última es la más conocida y la más aplicada en diferentes estudios y es la que se utilizara en el presente reporte.

Según Kirpich, la fórmula para el cálculo del tiempo de concentración es:

………………………………5.3


t c=0.000325( L0 . 77

S0 . 385 )



Donde:

tc = tiempo de concentración (Hr).

L = Longitud del cauce principal (m)

S = Pendiente del cauce principal (m)

5.2.2.2. Intensidad de lluvia

Este valor se determina a partir de la curva intensidad – duración – periodo de retorno. La fórmula utilizada en USA, que relaciona la Intensidad máxima Imáx, con la duración t, y el periodo de retorno T, es:

…………………………………..5.4

Donde:

Imax = intensidad máxima (mm/hr).

m, n, K = parámetros.

T = periodo de retorno (años).

t = duración (min).

Los parámetros a, b, K, se obtienen a partir de datos medidos, aplicando una correlación potencial múltiple, a una ecuación del tipo:

…………………………………..5.5

5.2.2.3. Coeficiente de escorrentía (C)

La escorrentía, es decir, el agua que llega al cauce de evaluación representa una fracción de la precipitación total. A esta fracción se le denomina coeficiente de escorrentía, que no tiene dimensiones y se representa por la letra C.

…………………………………5.6

El valor de C depende de factores topográficos, edafológicos, cobertura vegetal, etc.

En la Tabla Nº 5.2 se presenta valores del coeficiente de escorrentía en función de la cobertura vegetal, pendiente y textura.

En la Tabla Nº 5.3, se muestran coeficientes de escorrentía para zonas urbanas, los cuales son bastante conservadores, para que puedan ser usados para diseño.

Tabla Nº 5.2 Valores del coeficiente de escorrentía

Tipo de vegetación

Pendiente (%)

Textura


Imax=KTm

tn

Imax=KTmtn

C=VescorrentiaSuperficialTotalVprecipitadoTotal



Franco arenosa

Franco arcillolimosa franco limosa

Arcillosa

Forestal0 - 5 0.10 0.30 0.405 - 10 0.25 0.35 0.5010 - 30 0.30 0.50 0.60

Praderas0 - 5 0.10 0.30 0.405 - 10 0.15 0.35 0.5510 - 30 0.20 0.40 0.60

Terrenos Cultivados

0 - 5 0.30 0.50 0.605 - 10 0.40 0.60 0.7010 - 30 0.50 0.70 0.80

Fuente: Manual de Conservación del suelo y del agua, Chapingo, México, 1977

Tabla Nº 5.3 Valores del coeficiente de escorrentía para zonas urbanas

Tipo de área drenada Coeficiente C

Áreas comerciales

Céntricas 0.70 - 0.95

Vecindarios 0.50 - 0.70

Áreas residenciales

Familiares simples 0.30 - 0.50

Multifamiliares separadas 0.40 - 0.60

Multifamiliares concentrados 0.60 - 0.75

Semi - urbanos 0.25 - 0.40

Casas de habitación 0.50 - 0.70

Áreas industriales

Densas 0.60 - 0.90

Espaciadas 0.50 - 0.80

Parques, cementerios 0.10 - 0.25

Campos de juego 0.10 - 0.35

Patios de ferrocarril 0.20 - 0.40

Zonas sub-urbanas 0.10 - 0.30

Calles

Asfaltadas 0.70 - 0.95

De concreto hidráulico 0.80 - 0.95

Adoquinadas 0.70 - 0.85

Estacionamientos 0.75 - 0.85

Techados 0.75 - 0.95

Cuando la cuenca se compone de superficies de distintas características, el valor de C, se obtiene como una media ponderada, es decir:

…………………………………5.7

Donde:

C= coeficiente de escorrentía ponderado

Ci = coeficiente de escorrentía para el área Ai


C=C1 A1+C2 A2+. ..+Cn An

A1+A2+.. .+An=∑i=1

n

Ci Ai

∑i=1

n

A i



Ai = área parcial i

n = numero de áreas parciales

5.3. DETERMINACIÓN DE MÁXIMAS AVENIDAS

En la determinación de máximas avenidas instantáneas de diseño en los diferentes puntos de interés, para el diseño de las obras de arte, se ha utilizado el METODO RACIONAL, anteriormente expuesto.

La aplicación del método Racional, requiere de los siguientes pasos:

Análisis de frecuencia de la precipitación máxima en 24 horas.

Determinación del tiempo de concentración (tc).

Determinación de la intensidad de lluvias.

Determinación del coeficiente de escorrentía (C).

Cálculo de la avenida de diseño para diversos periodos de retorno

5.3.1. Análisis de frecuencia de precipitación máxima en 24 horas

En el análisis de frecuencia de la precipitación máxima en 24 horas se ha utilizado lainformación de la estación Huancané, es la estación más cercana a la zona del proyecto, dicha información se muestra en el Cuadro Nº 4.2 del acápite anterior.

Para el análisis de frecuencia de la precipitación máxima en 24 horas se ha empleado elSoftware Hidrológico de Eventos Extremos FLFREQ, es un programa que permite calcularla precipitación máxima en 24 horas para diferentes períodos de retorno, considerando lasfunciones de distribución de probabilidades como: La Log-Normal de 2 parámetros, Log-Normal de 3 parámetros, Gumbel I y Log-Pearson III.

En los Cuadros N° 5.2 – 5.4, se muestran los resultados del análisis de frecuencia de la precipitación máxima en 24 horas.

Cuadro Nº 5.2 Análisis de frecuencia de la precipitación máxima en 24 horas




Cuadro Nº 5.3 Parámetros estadísticos de la muestra y de las distribuciones teóricas




Cuadro Nº 5.4 Precipitación máxima para diferentes periodos de retorno

Según el análisis de frecuencia resulta que la serie de precipitación máxima en 24 horas, se ajusta mejor a la Distribución Gumbel I, por mostrar menor porcentaje de error estándar que las otras distribuciones. A continuación se muestra las precipitaciones máximas en 24 horas para diferentes períodos de retorno.

Cuadro Nº 5.5 Precipitación máxima en 24 horas para diferentes periodos de retorno

T (años)

Precipitación máxima (mm)

1.25 30.42 37.85 47.810 54.420 60.750 68.9100 75.1200 81.2

Gráfico Nº 5.1Curva de frecuencia de la precipitación máxima

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

20

30

40

50

60

70

80

90

CURVA DE FRECUENCIAS DE LA PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 24 HORAS (Ajuste: Distribución Gumbel - Método Máxima Verosimilitud)

PERIODO DE RETORNO (años)

PR

EC

IPIT

AC

ION

(m

m)




5.3.2. Determinación del tiempo de concentración (tc)

Para la determinación del tiempo de concentración de las diferentes microcuencas encontradas en la zona de estudio se ha utilizado la formula de Kirpich, los datos que se ha utilizado son las características del cauce principal, entre estos la longitud, altitud máxima y altitud mínima, sus resultados se presentan en el Cuadro Nº 5.6.

Si el tiempo de concentración es menor a 5 minutos se asume la intensidad de diseño como la de 5 minutos, puesto que no existe una duración de lluvia de ese tiempo.

Cuadro Nº 5.6 Tiempo de concentración para las diferentes Microcuencas

Longitud (L) m

Altura máxima (HM)

m.s.n.m.

Altura mínima (Hm)

m.s.n.m.

0+166 464.51 3912 3821 40+323 221.31 3876 3820 20+442 490.38 3910 3820 4

0+726 143.79 3856 3818 11+469 9273.74 4117 3815 833+439 2508.93 3846 3816 453+635 978.34 3840 3817 175+212 1993.44 3897 3823 245+547 2067.94 3976 3822 196+480 2113.20 4002 3822 186+992 2409.68 4033 3823 20

Tiempo de

concentración (tc)

(minutos)

Características del cauce principalDesembocadura

Progresiva

5.3.3. Determinación de la intensidad de lluvias

5.3.3.1. Curvas Intensidad – Duración – Periodo de Retorno

El cálculo de una avenida de diseño en estructuras cuya cuenca es pequeña:

Presas de almacenamiento

Derivación o Control de avenidas.

Alcantarillas y puentes pequeños.

Obras de drenaje agrícola, urbano y aeropuertos.

Debe basarse en el análisis disponible sobre lluvias máximas y en las características de la cuenca.

La metodología a utilizar para obtener las curvas Intensidad – Duración - Período de Retorno, se basa en el procesamiento estadístico de los registros de lluvias máximas en 24 horas disponibles.

El procesamiento estadístico tiene por objeto cuantificar las lluvias en 24 horas de diversos períodos de retorno. Los períodos de retorno se determinan de manera que cubran las necesidades de diseño de las estructuras hidráulicas. En la Tabla Nº 5.4, se muestra lo periodos de retorno para obras de drenaje en carreteras de bajo volumen de transito.




Tabla Nº 5.4 periodos de retorno para obras de drenaje

Tipo de obra Periodo de retorno en años

Puentes y pontones 100 (mínimo)

Alcantarillas de paso y badenes 50

Alcantarilla de alivio 10 - 20

Drenaje de la plataforma 10Fuente: Manual para el diseño de carreteras pavimentadas de Bajo Volumen de Tránsito

Tabla Nº 5.5 periodos de retorno para cuencas rurales

Sistema Periodo de retorno (años)

Cunetas 5

Alcantarillas 10

Box - Culvert y pontones 10

Puentes 50Fuente: Gavilán León Germán Eduardo. Manual de diseño de drenajes superficiales y subsuperficiales en Vías 2001.

Para la construcción de las curvas IDF, se utilizaron los modelos de Bell y Yance Tueros, donde el valor de , puede ser calculado a partir del modelo de Yance Tueros, que estima la intensidad máxima horaria a partir de las precipitaciones máximas en 24 horas.

…………………………………5.8

Donde:

I = intensidad máxima en mm/h

a, b = parámetros del modelo; 0.4602, 0.876, respectivamente.

P24 = precipitación máxima en 24 horas.

El modelo de Bell a utilizar en el presente estudio es el siguiente:

………………………5.9

Donde:

= Precipitación de duración t min, período de retorno T, (mm).

= Precipitación de duración 60 min, período de retorno 10 años, (mm).

Conlasprecipitacionesdediseñoelegidasparadiferentesperiodosderetorno,ajustadacon ladistribuciónteórica Gumbel, mostradoen el Cuadro Nº 5.5, y utilizando el modelo de Yance Tueros, se elaboró el Cuadro Nº 5.7, donde se muestra las Intensidades máximas para diferentes duraciones y periodos de retorno, y el Cuadro Nº 5.8, la Intensidad máxima en milímetros por hora.


I=aP24b

P6010

PTt =(0 . 21LnT+0 .52 )(0. 54 t0 .25−0. 50 )P10

60

PTt

P1060



Cuadro Nº 5.7 Intensidades máximas (mm) para diferentes duraciones y periodo de retorno

Tr años

P.Max 24 horas

Duración en minutos (t)

5 10 15 20 30 60

200 81.20 7.7 11.5 14.0 16.0 19.0 25.0100 75.10 7.0 10.4 12.8 14.6 17.3 22.750 68.90 6.3 9.4 11.5 13.1 15.6 20.520 60.70 5.4 8.1 9.9 11.3 13.4 17.610 54.40 4.7 7.0 8.6 9.8 11.7 15.35 47.80 4.0 6.0 7.4 8.4 10.0 13.12 37.80 3.1 4.7 5.7 6.5 7.8 10.2

1.25 30.40 2.7 4.0 4.9 5.6 6.6 8.7

Gráfico Nº 5.2Curvas de Intensidad máxima (mm) para diferentes duraciones y periodo de retorno

0 50 100 150 200 250

0

5

10

15

20

25

30

5 min

10 min

15 min

20 min

30 min

60 min

TEMPO DE RETORNO (años)

INT

EN

SID

AD

(m

m)

Cuadro Nº 5.8 Intensidades máximas (mm/hora) para diferentes duraciones

Tr años

P.Max 24 horasDuración en minutos (t)

5 10 15 20 30 60

200 81.20 91.9 68.8 56.0 48.0 38.0 25.0100 75.10 83.7 62.6 51.1 43.7 34.6 22.750 68.90 75.5 56.5 46.1 39.4 31.3 20.520 60.70 64.7 48.4 39.4 33.8 26.8 17.610 54.40 56.5 42.3 34.5 29.5 23.4 15.35 47.80 48.3 36.1 29.5 25.2 20.0 13.12 37.80 37.5 28.0 22.8 19.6 15.5 10.2

1.25 30.40 31.9 23.9 19.5 16.7 13.2 8.7




Gráfico Nº 5.3Curvas de Intensidad máxima (mm/hora) para diferentes duraciones y periodo de retorno

0 50 100 150 200 250

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

5 min

10 min

15 min

20 min

30 min

60 min

TEMPO DE RETORNO (años)

INT

EN

SID

AD

(m

m)

Para la determinación de la intensidad máxima de diseño se ha realizado una correlación potencial múltiple utilizando los datos del Cuadro Nº 5.8, el mismo que sus resultados se muestran en el Cuadro Nº 5.9.

Cuadro Nº 5.9 Parámetros de la ecuación de Intensidad máxima

Resultados del análisis de correlación potencial múltiple

Constante 1.91054Err. estándar de est.Y 0.02797

Coef. de determinación (R2) 0.987Núm. de observaciones 48Coeficiente de correlación 0.994

Coeficiente(s) m, n 0.205 -0.527

Error estándar de coef. m, n 0.005 0.012

Log K 1.911K= 81.38

m= 0.205n= 0.527

Por lo tanto la ecuación para el cálculo de la intensidad máxima de diseño seria:

ó


Imax=81 .38∗T 0. 205 t−0. 527Imax=81 .38∗T 0. 205

t0 .527



Cuadro Nº 5.10 Intensidad máxima de diseño (mm/hr) – Duración – Periodo de retorno

2 5 10 20 50 100 200

5 40.2 48.5 55.9 64.5 77.8 89.7 103.4

7 33.6 40.6 46.8 54.0 65.2 75.1 86.6

9 29.5 35.6 41.0 47.3 57.1 65.8 75.911 26.5 32.0 36.9 42.5 51.3 59.2 68.313 24.3 29.3 33.8 39.0 47.0 54.2 62.515 22.5 27.2 31.3 36.1 43.6 50.3 58.017 21.1 25.4 29.3 33.8 40.8 47.1 54.318 20.5 24.7 28.5 32.8 39.6 45.7 52.719 19.9 24.0 27.7 31.9 38.5 44.4 51.2

20 19.3 23.4 26.9 31.0 37.5 43.2 49.824 17.6 21.2 24.5 28.2 34.0 39.2 45.245 12.6 15.2 17.6 20.2 24.4 28.2 32.583 9.1 11.0 12.7 14.7 17.7 20.4 23.5

Duración (t) (minutos)

Período de Retorno (T) en años

La duración (t) del Cuadro Nº 5.10, es el tiempo de concentración de las diferentes microcuencas encontradas en la zona de estudio, en el Cuadro Nº 5.6 se muestran sus respectivos valores de (tc).

Gráfico Nº 5.4 Curva Intensidad – Duración - Periodo de retorno

4 9 14 19 24 29

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

2 años

5 años

10 años

20 años

50 años

100 años

200 años

DURACION (min)

INTE

NSI

DA

D (m

m/h

ora)

5.3.3.2. Periodo de Retorno

Se define siempre en correspondencia con un valor numérico que mide la magnitud de un fenómeno (intensidad de lluvia, caudal de avenida, etc.), y es un intervalo de tiempo de una duración tal que el valor de referencia esalcanzado o superado en media, al menos una vez cada intervalo de esa duración en que puede subdividirse una serie indefinida de dicho fenómeno.

La selección de un caudal de referencia para el que debe proyectarse un elemento de drenaje está relacionadacon la frecuencia de su aparición, que se puede definir por su período de retorno: cuanto mayor sea éste, mayorserá el caudal.




Las condiciones de funcionamiento de los elementos de drenaje superficial pueden verse alteradas por suobstrucción debida a cuerpos arrastrados por la corriente, arbustos, piedras, etc. Para evitarlo se necesita unadecuado diseño, un cierto sobredimensionamiento y una eficaz conservación. Por este motivo se adoptará un período de retorno de 10 años para los elementos de drenaje superficial de la via proyectada.

5.3.4. Determinación del coeficiente de escorrentía (C)

Para la elección del coeficiente de escorrentía, se ha utilizado la Tabla Nº 5.2, y la Formula 5.7, los valores de C, se muestran en el Cuadro Nº 5.11, para las diferentes microcuencas.

Cuadro Nº 5.11 Coeficiente de escorrentía para las microcuencas

0+166 19.7 0.600+323 25.3 0.600+442 18.4 0.60

0+726 26.2 0.601+469 3.3 0.403+439 1.2 0.403+635 2.3 0.405+212 3.7 0.405+547 7.4 0.406+480 8.5 0.406+992 8.7 0.40

Desembocadura Progresiva

Coeficiente de escorrentia (C)

Pendiente (S) (%)

En la zona de estudio el coeficiente de escorrentia, varia de 0.40 a 0.60, esto se debe a que la zona de estudio tiene un suelo variado encontrandose 03 tipos, entre ellos; suelo franco, franco arenosoy material rocoso, asi como también se ha tenido en cuenta la experiencia realizada en otros estudios.

5.3.5. Cálculo de la avenida e hidrograma de diseño de las obras de arte

Para la determinación de las avenidas de diseño de las obra de arte, se utilizó la formula del método racional mencionado anteriormente, utilizando los valores de la Intensidad máxima de diseño determinado por el modelo de Bell, el coeficiente de escorrentía y el área de la microcuenca.

Con los parámetros mencionados se calcula las máximas avenidas para diferentes periodos de retorno. A continuación se muestran los resultados de caudales máximos de diseño para las obras de arte.

Cuadro Nº 5.12Caudales máximos de diseño

KilómetroDrenaje

transversalPeríodo de Retorno (T) en años

2 5 10 20 50 100 200

0+166Alcantarilla

010.37 0.44 0.51 0.59 0.71 0.82 0.94

0+323Alcantarilla

020.16 0.2 0.23 0.26 0.32 0.37 0.42

0+442Alcantarilla

030.92 1.11 1.27 1.47 1.77 2.05 2.36

0+726Alcantarilla

040.14 0.17 0.19 0.22 0.27 0.31 0.36

1+200Alcantarilla

05Alcantarilla para desfogue de cuneta

1+391 Alcantarilla Alcantarilla para desfogue de cuneta




061+469 Pontón 01 22.38 27.02 31.15 35.91 43.35 49.98 57.63

1+990Alcantarilla

07Alcantarilla de regulación por área inundable

3+439Alcantarilla

081.56 1.88 2.17 2.51 3.02 3.49 4.02

3+635Alcantarilla

090.85 1.03 1.18 1.36 1.65 1.9 2.19

5+212Alcantarilla

102.26 2.73 3.15 3.63 4.38 5.05 5.83

5+580Alcantarilla

111.63 1.96 2.26 2.61 3.15 3.63 4.19

6+480Alcantarilla

122.15 2.59 2.99 3.45 4.16 4.79 5.53

6+670Alcantarilla

13Alcantarilla para desfogue de cunetas

6+992Alcantarilla

143.39 4.1 4.72 5.45 6.57 7.58 8.74

7+668Alcantarilla


7+874Alcantarilla


En los Gráficos Nº 5.5 y 5.6, se muestra el hidrograma de diseño de dos obras de de drenaje transversal ubicadas en el Km 0+166 y Km 0+323, de la misma forma para las demas se muestran en el Anexo 1.

Cuadro Nº 5.14Caudales máximos de diseño Alcantarilla 01 – Km 0+166 (Limpieza)

Tiempo de retorno (años)

Intensidad de precipitación

(mm/hr)

Caudales máximos instantáneos

(m3/seg)

2 40.2 0.37

5 48.5 0.44

10 55.9 0.51

20 64.5 0.59

50 77.8 0.71

100 89.7 0.82

200 103.4 0.94

Gráfico Nº 5.5Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 01 – Km 0+166 (limpieza)




0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)

Cuadro Nº 5.6Caudales máximos de diseño Alcantarilla 02 – Km 0+323 (Limpieza)



(mm/hr)


(m3/seg)

2 40.2 0.16

5 48.5 0.20

10 55.9 0.23

20 64.5 0.26

50 77.8 0.32

100 89.7 0.37

200 103.4 0.42

Gráfico Nº 5.6 Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 02 – Km 0+323 (Limpieza)




0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)

6. OBRAS PROPUESTAS

A continuación se detallan las obras y estructuras previstas independizadas de acuerdo a los tipos específicos requeridos en la carretera:

6.1. Alcantarillas y pontones

Son obras de drenaje sumamente importantes para la evacuación de las aguas pluviales, comúnmente a las alcantarillas se les da sección rectangular o circular y a los pontones rectangulares, estas obras de drenaje transversal, se diseñarán de tal manera que tengan la capacidad suficiente para desalojar rápidamente el agua que llega a ellas, así como también para resistir el relleno y lascargas de tránsito. Deben tener pendiente suficiente para que el agua corra. Se ubicarán estas obras de arte en los desagües de las cunetas y cauce principal, la ubicación y su caudal de diseño, se muestran en el Cuadro Nº 5.12.

6.2. Cunetas

Son estructuras para recolectar y conducir el agua de lluvia caída sobre la carretera y el área aledaña, que por la pendiente transversal del camino y los taludes llega hasta la cuneta, para ser evacuada en las descargas hacia los lados del camino. Se construyen únicamente conformadas en suelo natural, sobre todo cuando el suelo es prácticamente horizontal y poco erosionable; y se hace necesario revestir cuando las características del suelo es lo contrario.

Cuando es bastante el agua de escorrentía que desciende de un talud, se puede evitar construyendo una cuneta en la parte superior del talud, tomando el nombre de Contracuneta, se construyen canales de descarga laterales para la evacuación del agua.

Las cunetas como se sabe albergan el agua tanto de la plataforma como del talud adyacente de corte, en nuestro caso tenemos generalmente el trayecto de la vía en ladera, para esto el caudal de diseño se determina de la siguiente manera:


Cuenca 01Cuenca 02

Área de impluvio

Vía proyectadaCuneta

Distancia más lejana del área de impluvio

Q máx.Obra de arte

Obra de arte



Figura 6.1 Diagrama para determinar el caudal de diseño de la cuneta

Para determinar el caudal de diseño de la cuneta del trayecto de la vía, se ha tomado en consideración el área más crítica, para tener una sola dimensión de este tipo de obra.

Determinación del caudal de diseño (Q), utilizando la fórmula del método Racional.

Area de impluvio Has 4.76 Tr (años) I (mm/h) Q (m3/seg.)Longitud mas lejana del area de impluvio m 792.94 5 29.3 0.155Hmáx msnm 3838.2 10 33.8 0.179Hmin msnm 3817.1 20 39 0.206Coeficiente Esc. 0.4 50 47 0.249Tc = min 13 100 54.2 0.287

200 62.5 0.331

7. CONCLUSIONES

7.1. Conclusiones

El presente estudio hidrológico llega a las siguientes conclusiones:

Se han delimitado 11 unidades de análisis hidrológico considerando el sistema hídrico de las quebradas afluentes. Estas unidades hidrológicas corresponden a las microcuencas que interceptan la vía proyectada, cuya confluencia da lugar al diseño de una obra de arte.

Se han determinado los principales parámetros morfológicos de las unidades de análisis hidrológico cuyas áreas varían de 2.1 a 2204.5 hectáreas,longitud del cauce principal (143.8 a 9273.7metros), Altitud comprendida entre 3814.8 y 4117 msnm y una pendientedel cauce principal de drenaje que varía de 1.2% a 26.2%,




estos parámetros han sido de mucha importancia para la determinación del caudal máximo de diseño.

Los caudales máximos de diseño de las obras de drenaje transversal y las obras de drenaje longitudinal, se han determinado con la fórmula del método RACIONAL, los cuales serán utilizados para el dimensionamiento de cada una de ellas.

8. Referencia bibliográfica

1. Aliaga A., Segundo Vito (1985) “Hidrología Estadística”, Lima – Perú.2. Ancco C., César (2007) “Estudio Hidrológico de la Subcuenca del río Blanco”, Proyecto EspecialBinacional Lago Titicaca – PELT, Dirección de Estudios, Puno - Peru.3. Aparicio M., Francisco Javier (1997) “Fundamentos de Hidrología de Superficie”, EditorialLimusa, México.4. Chereque M., Wendor(1989) “Hidrología para Estudiantes de Ingeniería Civil”, PontificiaUniversidad Católica del Perú, Lima-Perú.5. Chow, Ven Te; Maidment, David R. and Mays, Larry W. (1994) “Hidrología Aplicada”, EditorialMcGraw-Hill, Interamericana S.A.(Traduc). Impreso D'vinni Editorial Ltda. Santafé de Bogotá,Colombia.6. Chow, Ven Te (1995) “Hidráulica de Canales Abiertos”, Editorial McGraw-Hill, Santafé de Bogotá,Colombia.7. De Piérola C., J.N. (1992) “Estudio Hidrológico y Simulación del Sistema Vilavilani II", Tacna -Perú.8. Linsley, Kohler y Paulhus(1988) “Hidrología para Ingenieros”, Editorial McGraw-Hill,Interamericana de México, S.A. de C.V., Segunda Edición.9. Monsalve S., Germán (1999) “Hidrología en la Ingeniería”, Segunda Edición, Editorial EscuelaColombiana de Ingeniería - Alfaomega, Colombia.10. Organización Meteorológica Mundial - OMM (1994) “Guía de Prácticas Hidrológicas”, No 168,Quinta Edición.11. Obando Licera, Walter (2001) “Estudio de Hidrología e Hidráulica Fluvial – Defensas RibereñasRío Cabanillas”, Proyecto de apoyo social y obras de emergencia, PELT-INADE, Puno – Perú.12. Serruto C., A.R. (1984) "Balance Hidrológico del Lago Titicaca", Tesis presentada para optar elGrado de Magister Scientiae, UNA - La Molina, Lima - Perú.13. U.S. Bureau of Reclamation(1982) “Diseño de pequeñas Presas”, Segunda Edición, CECSA,México.14. Varas C., Eduardo y Bois, Philippe(2002) “Hidrología Probabilística”, Ediciones UniversidadCatólica de Chile.15. Vásquez V., Absalón (2000) “Manejo de Cuencas Altoandinas”, Tomo I y II, UNA La Molina,Lima-Perú.16. Villón B., Máximo (2002) “Hidrología Estadística”, Escuela de Ingeniería Agrícola, InstitutoTecnológico de Costa Rica, Segunda Edición, Editorial Villón, Lima – Perú.17. Villón B., Máximo (2002) “Hidrología”, Escuela de Ingeniería Agrícola, Instituto Tecnológico deCosta Rica, Segunda Edición, Editorial Villón, Lima – Perú.




ANEXOS

1. Caudales máximos e hidrogramasde diseño.




ANEXO 1

Caudales máximos e Hidrogramas de diseño.

Caudales máximos de diseño Alcantarilla 03 – Km 0+442 (Nueva)


Intensidad de precipitacion

(mm/hr)


(m3/seg)




2 40.2 0.9

5 48.5 1.1

10 55.9 1.3

20 64.5 1.5

50 77.8 1.8

100 89.7 2.0

200 103.4 2.4

Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 03 – Km 0+442 (Nueva)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)

Caudales máximos de diseño Alcantarilla 04 – Km 0+726 (Remplazar por nueva)



(mm/hr)


(m3/seg)

2 40.2 0.14




5 48.5 0.17

10 55.9 0.19

20 64.5 0.22

50 77.8 0.27

100 89.7 0.31

200 103.4 0.36

Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 04 – Km 0+726 (Reemplazar por nueva)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.0

0.1

0.2

0.3

0.4Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)

Caudales máximos de diseño Pontón 01 – Km 1+469 (Remplazar por nueva)



(mm/hr)


(m3/seg)

2 9.1 22.4

5 11.0 27.0




10 12.7 31.1

20 14.7 35.9

50 17.7 43.3

100 20.4 50.0

200 23.5 57.6

Hidrograma de caudales máximos de diseño Pontón 01 – Km 1+469 (Remplazar por nueva)

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.00.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0Tr = 2 añosTr = 5 añosTr = 10 añosTr = 20 añosTr = 50 añosTr = 100 añosTr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)

Caudales máximos de diseño Alcantarilla 08 – Km 3+404 (Reemplazar por nueva)



(mm/hr)


(m3/seg)

2 12.6 1.6

5 15.2 1.9

10 17.6 2.2




20 20.2 2.5

50 24.4 3.0

100 28.2 3.5

200 32.5 4.0

Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 08 – Km 3+404 (Reemplazar por nueva)

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)

Caudales máximos de diseño Alcantarilla 09 – Km 3+700 (Reemplazar)



(mm/hr)


(m3/seg)

2 21.1 0.8

5 25.4 1.0

10 29.3 1.2

20 33.8 1.4




50 40.8 1.6

100 47.1 1.9

200 54.3 2.2

Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 09 – Km 3+700 (Reemplazar)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)





2 17.6 2.3

5 21.2 2.7

10 24.5 3.2

20 28.2 3.6

50 34.0 4.4

100 39.2 5.1

200 45.2 5.8



(mm/hr)


(m3/seg)

Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 10 – Km 5+212 (Remplazar)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)

Caudales máximos de diseño Alcantarilla 11 – Km 5+545 (Reemplazar y reubicar)




2 19.9 1.6

5 24.0 2.0

10 27.7 2.3

20 31.9 2.6

50 38.5 3.2

100 44.4 3.6

200 51.2 4.2



(mm/hr)


(m3/seg)

Hidrograma de caudales máximos de diseño Alcantarilla 11 – Km 5+545 (Reemplazar y reubicar)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)





2 20.5 2.1

5 24.7 2.6

10 28.5 3.0

20 32.8 3.4

50 39.6 4.2

100 45.7 4.8

200 52.7 5.5



(mm/hr)


(m3/seg)


0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)





2 19.3 3.4

5 23.4 4.1

10 26.9 4.7

20 31.0 5.4

50 37.5 6.6

100 43.2 7.6

200 49.8 8.7



(mm/hr)


(m3/seg)


0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.50.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0Tr = 2 años

Tr = 5 años

Tr = 10 años

Tr = 20 años

Tr = 50 años

Tr = 100 años

Tr = 200 años

Tiempo (horas)

Cau

dal (

m3/

seg.

)




ANEXO 2

Mapa de ubicación de las obras de drenaje transversal


ESTUDIO hidro

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