TESIS DE PREGRADO
ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LA CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA
DE UNA RED DE DRENAJE URBANO. APLICADO AL CASO DE ESTUDIO:
CIUDAD GUABINAS YUMBO, VALLE.
Vittorio Doglioni Velez
Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
PREGRADO EN INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2020
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a mi familia por todo el apoyo en el recorrido de la carrera y el proyecto, a
Gustavo Barrientos y Geinner Martínez por brindarme su conocimiento y asesoría, a
Juan G. Saldarriaga por su tiempo y sobre todo por lograr llevar a cabo el
acompañamiento del proyecto en tiempos de pandemia.
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TABLA DE CONTENIDO
1
Introducción ........................................................................................................................... 1
1.1
Objetivos ........................................................................................................................ 2
1.1.1
Objetivo General ..................................................................................................... 2
1.1.2
Objetivos Específicos ............................................................................................... 2
2
Marco teórico ........................................................................................................................ 3
2.1
EPA SWMM Runoff ......................................................................................................... 3
2.1.1
Proceso de simulación............................................................................................. 4
2.1.2
Precipitación ........................................................................................................... 5
2.1.3
Modelación de subcuencas ..................................................................................... 5
2.2
Métodos de infiltración .................................................................................................. 6
2.2.1
SCS (Soil Conservation Service)................................................................................ 6
2.2.2
Green and Ampt ..................................................................................................... 8
3
Metodología......................................................................................................................... 10
3.1
Preparación del modelo ................................................................................................ 10
3.1.1
Definición del caso de estudio ............................................................................... 10
3.1.2
Entrevistas ............................................................................................................ 12
3.1.3
Información de partida ......................................................................................... 12
3.2
Modelación .................................................................................................................. 13
3.2.1
Trazado de la red .................................................................................................. 13
3.2.2
Trazado de subcuencas ......................................................................................... 16
3.3
Parametrización y casos de análisis ............................................................................... 17
3.3.1
Parámetros requeridos ......................................................................................... 17
3.3.2
Planteamiento de casos de análisis ....................................................................... 20
3.3.3
Casos de análisis ................................................................................................... 26
3.3.4
Metodología de implementación .......................................................................... 27
4
Resultados ........................................................................................................................... 28
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4.1
Resultados de volumen total captado ........................................................................... 28
4.1.1
Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt) ................................. 28
4.1.2
Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt) ..................................... 30
4.1.3
Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt) ................................................. 32
4.1.4
Factor de pendiente vs Volumen (Método SCS) ..................................................... 34
4.1.5
Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS) .......................................................... 36
4.1.6
Número de curva vs Volumen (Método SCS) ......................................................... 38
4.2
Resultados hidrogramas y limnigramas ......................................................................... 40
4.2.1
Limnigramas ......................................................................................................... 40
4.2.2
Hidrogramas ......................................................................................................... 46
5
Análisis de resultados ........................................................................................................... 53
5.1
Análisis de volumen total captado ................................................................................ 53
5.2
Análisis de hidrogramas y limnigramas ......................................................................... 54
6
Conclusiones ........................................................................................................................ 56
7
Referencias .......................................................................................................................... 57
8
Anexos ................................................................................................................................. 58
8.1
Anexo A. Diseño tubería de salida laguna de regulación. ............................................... 58
8.2
Anexo B. Perfiles característicos del modelo. ................................................................ 61
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ÍNDICE DE FIGURAS
Ilustración 1. Diagrama de flujo general del modelo EPASWMM Run off ....................................................... 3
Ilustración 2. Diagrama de bloque de la transición de estados de SWMM...................................................... 4
Ilustración 3.Diagrama de modelo de almacenamiento no lineal. .................................................................. 5
Ilustración 4. Triangulo textural USDA ........................................................................................................... 9
Ilustración 5. Descripción estadística de la conductividad hidráulica saturada. .............................................. 9
Ilustración 6. Imagen del urbanismo de la etapa Málaga. ............................................................................ 11
Ilustración 7. Planta del urbanismo y trazado de tendencia original del flujo. .............................................. 11
Ilustración 8. Planta de la zona de estudio con curvas cada nivel 5m y 0.5m. ............................................... 13
Ilustración 9. Sección representativa del plano de tuberías AUTOCAD. ....................................................... 14
Ilustración 10. Listado de tuberías y sus propiedades. ................................................................................. 15
Ilustración 11. Trazado de la red de drenaje. ............................................................................................... 16
Ilustración 12. Trazado de subcuencas de la zona de estudio. ..................................................................... 17
Ilustración 13. Tramo de la red y trazado de subcuencas del punto A. ......................................................... 23
Ilustración 14. Tramo de la red y trazado de subcuencas del punto B. ......................................................... 25
Ilustración 15. Tramo de la red y trazado de subcuencas del punto C. ......................................................... 26
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ÍNDICE DE GRÁFICAS
Gráfico 1. Lluvia de diseño para un periodo de retorno de 10 años.............................................................. 18
Gráfico 2. Punto A. Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt). ........................................ 28
Gráfico 3. Punto B. Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt). ........................................ 29
Gráfico 4. Punto C. Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt). ........................................ 29
Gráfico 5. Punto A. Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt). ............................................. 30
Gráfico 6. Punto B. Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt). ............................................. 31
Gráfico 7. Punto C. Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt). ............................................. 31
Gráfico 8. Punto A. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt). ........................................................ 32
Gráfico 9. Punto B. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt). ........................................................ 33
Gráfico 10. Punto C. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt). ...................................................... 33
Gráfico 11. Punto A. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt). ...................................................... 34
Gráfico 12. Punto B. Factor de pendiente vs Volumen (Método SCS). .......................................................... 35
Gráfico 13. Punto C. Factor de pendiente vs Volumen (Método SCS). .......................................................... 35
Gráfico 14. Punto A. Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS). ............................................................... 36
Gráfico 15. Punto B. Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS). ............................................................... 37
Gráfico 16. Punto C. Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS). ............................................................... 37
Gráfico 17. Punto A. Número de curva vs Volumen (Método SCS). .............................................................. 38
Gráfico 18. Punto B. Número de curva vs Volumen (Método SCS). .............................................................. 39
Gráfico 19. Punto C. Número de curva vs Volumen (Método SCS). .............................................................. 39
Gráfico 20. Punto A. Limnigrama de impermeabilidad variable. ................................................................... 40
Gráfico 21. Punto B. Limnigrama de impermeabilidad variable. ................................................................... 41
Gráfico 22. Punto C. Limnigrama de impermeabilidad variable. ................................................................... 41
Gráfico 23. Punto A. Limnigrama de factor de pendiente variable. .............................................................. 42
Gráfico 24. Punto B. Limnigrama de factor de pendiente variable. .............................................................. 42
Gráfico 25. Punto C. Limnigrama de factor de pendiente variable................................................................ 43
Gráfico 26. Punto A. Limnigrama de número de curva variable. ................................................................... 43
Gráfico 27. Punto B. Limnigrama de número de curva variable. ................................................................... 44
Gráfico 28. Punto C. Limnigrama de número de curva variable. ................................................................... 44
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Gráfico 29. Punto A. Limnigrama de porcentaje de humedad variable. ........................................................ 45
Gráfico 30. Punto B. Limnigrama de porcentaje de humedad variable. ........................................................ 45
Gráfico 31. Punto C. Limnigrama de porcentaje de humedad variable. ........................................................ 46
Gráfico 32. Punto A. Hidrograma de impermeabilidad variable.................................................................... 46
Gráfico 33. Punto B. Hidrograma de impermeabilidad variable. ................................................................... 47
Gráfico 34. Punto C. Hidrograma de impermeabilidad variable. ................................................................... 47
Gráfico 35. Punto A. Hidrograma de factor de pendiente variable. .............................................................. 48
Gráfico 36. Punto B. Hidrograma de factor de pendiente variable. .............................................................. 48
Gráfico 37. Punto C. Hidrograma de factor de pendiente variable. .............................................................. 49
Gráfico 38. Punto A. Hidrograma de número de curva variable. .................................................................. 49
Gráfico 39. Punto B. Hidrograma de número de curva variable. ................................................................... 50
Gráfico 40. Punto C. Hidrograma de número de curva variable. ................................................................... 50
Gráfico 41. Punto A. Hidrograma de porcentaje de humedad variable. ........................................................ 51
Gráfico 42. Punto B. Hidrograma de porcentaje de humedad variable. ........................................................ 51
Gráfico 43. Punto C. Hidrograma de porcentaje de humedad variable. ........................................................ 52
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Listado de variables requeridas para la implementación. ............................................................... 20
Tabla 2. Listado de variables hidrológicas implementadas en el diseño original. .......................................... 21
Tabla 3. Propiedades de subcuencas del punto A. ....................................................................................... 23
Tabla 4. Propiedades de subcuencas del punto B. ....................................................................................... 24
Tabla 5. Propiedades de subcuencas del punto C. ....................................................................................... 25
Tabla 6. Combinación de parámetros para el método de infiltración SCS. .................................................... 27
Tabla 7. Combinación de parámetros para el método de infiltración Green and Ampt. ................................ 27
Tabla 8. Leyenda de interpretación Factor de pendiente vs Volumen. ......................................................... 28
Tabla 9. Leyenda de interpretación Impermeabilidad vs Volumen. .............................................................. 30
Tabla 10. Leyenda de interpretación Humedad vs Volumen. ....................................................................... 32
Tabla 11. Leyenda de interpretación Factor de pendiente vs Volumen. ....................................................... 34
Tabla 12. Leyenda de interpretación Impermeabilidad vs Volumen. ............................................................ 36
Tabla 13. Leyenda de interpretación Número de curva vs Volumen. ............................................................ 38
Tabla 14. Relación de dispersión de volumen entre parámetros. ................................................................. 53
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ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1. Vector de estado de las variables. Método EPA SWMM Runoff…………………………………………………..4
Ecuación 2. Vector de salida de las variables. Método EPA SWMM Runoff. …………………………………………………..4
Ecuación 3. Ecuación de Manning………………………………………………………………………………………………………….………6
Ecuación 4. Caudal de salida. Método SCS. ……………………………………………………………………………………………………6
Ecuación 5. Abstracción inicial. Método SCS. …………………………………………………………………………………………………7
Ecuación 6. Simplificación caudal de salida. Método SCS. ……………………………………………………………………………..7
Ecuación 7. Máxima retención potencial. Método SCS. …………………………………………………………………………………7
Ecuación 8. Tasa de infiltración. Método Green and Ampt. …………………………………………………………………………..8
Ecuación 9. Modelo lluvia-escorrentía. Método EPA SWMM Runoff. …………………………………………….……………17
Ecuación 10. Caudal de entrada a cámara. Método EPA SWMM Runoff………………………………………………………18
Ecuación 11. Profundidad total de lluvia a cada subcuenca. Método EPA SWMM Runoff. ………………………….18
Ecuación 12. Profundidad total de lluvia infiltrada en cada subcuenca. Método EPA SWMM Runoff. …………18
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1 INTRODUCCIÓN
El desarrollo urbanístico de las ciudades demanda protección ante riesgos naturales, y por eso es
fundamental prevenirse ante estos riesgos mediante la planeación, el diseño y la construcción de
infraestructura que ayude a contener estos desastres. Los desastres naturales con mayor
ocurrencia en Colombia corresponden a sismos, inundaciones, y deslizamientos, entre otros. Las
diferentes ramas de la ingeniería al cabo de los años se han encargado de perfeccionar sus
prácticas ante estos riesgos, permitiendo a la sociedad moderna densificar sus poblaciones y a su
vez evitar las pérdidas de vidas, bienes e infraestructura.
El estudio de la hidráulica y la hidrología han contribuido enormemente al desarrollo de las
civilizaciones, desde los canales que surcaron en la antigua Mesopotamia hasta redes de
distribución y drenaje para ciudades con millones de habitantes. Al enfatizar en el desarrollo
urbano la infraestructura hidráulica se centra en cuatro tipos: redes de distribución, redes de
drenaje sanitario, redes de drenaje pluvial y estructuras de contención. Algunas redes de drenaje
operan con el sistema combinado (sanitario y pluvial), sin embargo, esta práctica desfavorece el
aprovechamiento de este recurso vital aguas abajo.
El diseño de las redes de drenaje pluvial implica una interacción directa entre la hidráulica y la
hidrología, en la cual la hidrología estima la cantidad de agua que la hidráulica debe transportar
hasta su sitio de disposición final sin permitir que la falla del sistema ocasione daños graves.
La aleatoriedad natural de la lluvia conlleva a que la hidrología tenga mucha incertidumbre en su
estimación. El estudio de la probabilidad ha brindado un gran aporte y gracias a los modelos
probabilísticos se estiman las lluvias más críticas para el diseño.
Esta tesis se centra en evaluar algunos parámetros hidrológicos a partir de un análisis de
sensibilidad, llevando sus valores a casos típicos y casos extremos a partir de la implementación
del software SEWERGems y el método de lluvia-escorrentía EPASWMM Runoff. La implementación
se lleva a cabo sobre la red de drenaje del proyecto ciudad Guabinas en Yumbo, Valle. Partiendo
por la modelación geométrica de las tuberías, el trazado de las subcuencas y finalmente la
parametrización y ejecución del modelo ante las diferentes parametrizaciones planteadas.
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1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo General
Evaluar las variaciones en la carga hídrica que recibe la red de drenaje de ciudad Guabinas ante
cambios en la impermeabilidad, la topografía y los métodos de infiltración, a partir de la
implementación del software SEWERGems y el método de lluvia-escorrentía EPASWMM Runoff.
1.1.2 Objetivos Específicos
• Familiarizarse con la parametrización, modelación y ejecución de modelos en
SEWERGems.
• Entrevistar al diseñador y modelador del proyecto.
• Modelar la red de tuberías del proyecto, trazar las subcuencas y agregar la conectividad de
la red.
• Parametrizar y ejecutar el modelo ante los casos planteados de impermeabilidad,
topografía y método de infiltración.
• Analizar las variaciones del volumen total captado por la red de subcuencas ante la lluvia
de diseño en diferentes puntos de la red.
• Analizar los hidrogramas y Limnigramas de los puntos de salida de la red de subcuencas.
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2 MARCO TEÓRICO
En el siguiente capítulo se presentan las definiciones de los métodos implementados en el
desarrollo del proyecto.
2.1 EPA SWMM Runoff
El modelo de EPASWMM Runoff es un sistema de entrada y salida que incluye las perdidas por
infiltración y evaporación para simulaciones de tiempo prolongado. El diagrama de flujo del
modelo que define las interacciones entre los diferentes puntos del proceso, el cual es definido
por el manual de referencia para el manejo de aguas lluvia de la EPA (United States Environmental
Protection Agency) (Rossman & Huber, 2016).
Ilustración 1. Diagrama de flujo general del modelo EPASWMM Run off
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El modelo incluye los posibles puntos del sistema donde puede estar el agua, cabe resaltar que no
todos los pasos del proceso son necesarios para su implementación algunos de ellos se pueden
omitir dadas ciertas condiciones geográficas o del alcance del proyecto.
2.1.1 Proceso de simulación
El modelo de SWMM es un modelo de tiempo discreto distribuido. Se ejecuta a partir del estado
de las variables en la secuencia de tiempo definida, cada paso de tiempo está sujeto a las
condiciones iniciales definidas y el estado de las variables es actualizado a través de la ejecución
del set de ecuaciones. (Rossman & Huber, 2016).
El proceso de simulación sigue la siguiente metodología expresada por el siguiente diagrama.
Ilustración 2. Diagrama de bloque de la transición de estados de SWMM.
Las ecuaciones que representan la transición de estados del modelo son:
𝑋
𝑡
= 𝑓(𝑋
𝑡−1
, 𝐼
𝑇
, 𝑃)
Ecuación 1
𝑌
𝑡
= 𝑔(𝑋
𝑡
, 𝑃)
Ecuación 2
Donde:
𝑋
𝑡
= Vector de estado de las variables en el tiempo t.
𝑌
𝑡
= Vector de salida de las variables en el tiempo t.
𝐼
𝑇
= Vector de variables de entrada en el tiempo t.
𝑃 = Vector de parametros constantes
𝑓 = Función de transición de estado con valores vectoriales.
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𝑔 = Función de transformación de salida con valores vectoriales.
Las variables contenidas dentro del vector 𝑋
𝑡
hacen referencia a los procesos de escorrentía,
infiltración, aguas subterráneas, enrutamiento de flujo, derretimiento de nieves y calidad de agua.
2.1.2 Precipitación
El modelo tiene la capacidad de interpretar diferentes tipos de información de lluvias, los tipos de
información están relacionados con un tiempo entre pulsos, ese tiempo es el que determinará el
paso de tiempo del modelo.
Uno de los tipos de información de precipitación y el cual se empleó para el desarrollo de este
proyecto es el hietograma de lluvia, el cual representa las intensidades de lluvia dado un intervalo
de tiempo constante durante la duración del evento de precipitación.
2.1.3 Modelación de subcuencas
La modelación de las subcuencas es la que define la totalidad del fluido que entrará al sistema de
drenaje, es basada en un modelo de almacenamiento no lineal. El diagrama presentado a
continuación define las interacciones del sistema. (Rossman & Huber, 2016).
Ilustración 3.Diagrama de modelo de almacenamiento no lineal.
En este modelo la subcuenca experimenta entrada de fluido por precipitación y/o derretimiento
de nieves, dos salidas definidas por las tasas de infiltración y evaporación y finalmente el resultado
de escorrentía obtenido por la diferencia neta de las entradas y salidas del sistema. En el esquema
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la altura d corresponde al total de fluido que entra al sistema, la altura ds corresponde al total del
fluido que se infiltra en el suelo.
El modelo asume que todo el flujo a través de la subcuenca ocurre como flujo uniforme en un
canal rectangular de ancho (W), profundidad (d-ds) y con una pendiente (S). El flujo es calculado a
partir de la ecuación de Manning definida a continuación.
𝑄 =
1.49
𝑛
𝑆
1/2
𝑅
𝑥
2/3
𝐴
𝑋
Ecuación 3
Donde:
𝑄 = Caudal total de salida de subcuenca (m3/s).
𝑆 = Pendiente característica del tramo las largo de la subcuenca (m/m).
𝑅
𝑋
= Radio hidráulico de la sección representativa (m).
𝐴
𝑋
= Área mojada de la sección representativa (m2).
Las variables de pendiente y ancho característico deben ser abstraídas de la topografía de la
cuenca, las variables de área y radio hidráulico son calculadas en función de d-ds.
2.2 Métodos de infiltración
2.2.1 SCS (Soil Conservation Service)
El método del Soil Conservation Service es un método desarrollado por la USDA (United States
Department of Agriculture) a partir de información recolectada por más de una década, donde
relacionan los tipos de suelo y condiciones de cobertura con un numero de curva. El numero de
curva define una función que sobre los datos de lluvia determina que porción de agua se infiltra al
suelo.
La ecuación que define el caudal de salida por el método del SCS se presenta a continuación.
𝑄 =
(𝑃−𝐼
𝑎
)
2
(𝑃−𝐼
𝑎
)+𝑆
Ecuación 4
Donde:
𝑄 = Caudal de escorrentía (mm).
𝑃 = Precipitación (mm).
𝑆 = Máxima retención potencial después de iniciada la escorrentía.
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𝐼
𝑎
= Abstracción inicial.
La abstracción inicial corresponde a todas las perdidas antes que inicie la escorrentía incluye las
retenciones por depresiones en superficie, interceptación vegetal, evaporación e infiltración. La
abstracción inicial es bastante variada y tiene una relación directa con las practicas sobre el suelo y
su tipología. El estudio desarrollado por la USDA encontró que para las parcelas donde se llevó a
cabo la investigación existe una relación entre la abstracción inicial y la máxima retención
potencial expresada por la siguiente ecuación. (Cronshey, McCuen, Miller, & Robbins, 1986)
𝐼
𝑎
= 0.2𝑆
Ecuación 5
Consecuente a esta simplificación la ecuación de escorrentía se simplifica a la siguiente.
𝑄 =
(𝑃−0.2𝑆)
2
(𝑃−0.8𝑆)
Ecuación 6
La variable S esta relacionada con el numero de curva que a su vez se relaciona con las condiciones
de suelo y cobertura como se menciona anteriormente. La ecuación que relaciona S con el numero
de curva se expresa a continuación.
𝑆 =
1000
𝐶𝑁
− 10
Ecuación 7
El SCS define la caracterización de los suelos mediante cuatro tipologías de suelos A, B, C, y D
A: suelos con bajo potencial de escorrentía y una tasa alta de infiltración incluso en condiciones de
suelo saturado, suelo de textura típicamente arenosa y marga arenosa. Transmisiones mayores a
7.7 (mm/h)
B: suelos con tasa de infiltración moderada de texturas franco-limosas y marga. Transmisiones
entre 3.8 y 7.7 (mm/h)
C: suelos con bajas tasas de infiltración en condiciones de saturación y moderadas en el proceso
de saturación de textura franco arcillo arenosa. Transmisiones entre 1.3 y 3.8 (mm/h).
D: suelos de alto potencial de escorrentía con muy bajas tasas de infiltración en estado de
saturación típicamente de textura arcillosas. Transmisiones entre 0 y 1.3 (mm/h).
El procedimiento para la selección de un numero de curva inicia en determinar la cobertura del
suelo que tendrá el proyecto en estudio, posteriormente se deben revisar las librerías del SCS
donde tienen una asignación para cada uso cuatro números de curva diferentes en función del
tipo de suelo. (Cronshey, McCuen, Miller, & Robbins, 1986)
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2.2.2 Green and Ampt
El modelo de Green and Ampt es un modelo de infiltración físicamente basado el cual estima la
infiltración a partir de las propiedades del suelo. El método exige la determinación de las
propiedades del suelo y también se deben considerar sus variaciones en el espacio y tiempo. La
ecuación que describe la tasa de infiltración de Green and Ampt se presenta a continuación.
(Rawls, Brakensiek, & Miller, 1983).
𝑓 = 𝐾 (1 +
𝑛𝜓
𝑓
𝐹
)
Ecuación 8
Donde:
𝑓 = Tasa de infiltración (cm/h)
𝐾 = Conductividad hidráulica (cm/hr)
𝑛 = Porosidad disponible (%)
𝜓
𝑓
= Valor de succión capilar a lo largo del frente húmedo (cm)
𝐹 = Cantidad de infiltración (cm)
Para la implementación de este método se requiere la estimación de la conductividad hidráulica,
porosidad efectiva y la succión capilar del frente húmedo.
La ecuación 8 es implementada a partir de su integración en los sets de ecuaciones de los modelos
matemáticos y estima la infiltración dado un intervalo de tiempo establecido, ese intervalo
generalmente esta determinado por la información de lluvia.
Diferentes autores han realizado estudios donde relacionan la conductividad hidráulica con la
textura de los suelos definidas por el triángulo textural de la USDA. Los resultados de estos
estudios pueden ser útiles para la implementación de este método. Entre estos estudios tenemos
el de Carlos García donde él y otros autores realizan un análisis estadístico de muestras de suelo
con textura homogénea obteniendo valores de conductividad para cada una de las muestras.
(Gutiérrez, Pachepsky, & Martín, 2018)
A continuación, se presentan los resultados de este estudio y el triangulo textural de la USDA.
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Ilustración 4. Triangulo textural USDA
Ilustración 5. Descripción estadística de la conductividad hidráulica saturada.
Los valores de K están expresados en cm/h.
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3 METODOLOGÍA
La metodología implementada para el desarrollo del análisis de sensibilidad tiene tres etapas.
Primero, la preparación del modelo donde se realizan entrevistas, tutoriales y se gestiona toda la
información disponible para la implementación del modelo. Segundo, la modelación a partir de la
información obtenida, donde se describe su paso a paso y se definen los parámetros constantes.
En tercer lugar, la parametrización y ejecución del modelo ante los casos de estudio que se
plantean más adelante.
3.1 Preparación del modelo
El proyecto inicia con la voluntad de realizar un análisis de parámetros hidrológicos sobre una red
de drenaje en desarrollo de construcción de un proyecto urbano. Con el fin vivir la experiencia de
interactuar en el ejercicio profesional del diseño de redes de drenaje y a su vez ejercer el ejercicio
académico de análisis.
3.1.1 Definición del caso de estudio
En primera instancia, se llevo a cabo una reunión un el ingeniero hidráulico Gustavo Barrientos,
donde se le solicitó formalmente información sobre un proyecto que estuviera llevando a cabo en
el momento de subcuencas de diferentes tipologías. Finalizada la reunión, se determinó
conjuntamente la selección de Ciudad Guabinas. Ciudad Guabinas es un proyecto de urbanización
desarrollado por la constructora Jaramillo Mora en el cual el ingeniero Gustavo Barrientos y su
equipo de trabajo fueron contratados para la consultoría del diseño de la red de drenaje pluvial.
En consentimiento de la constructora responsable, fue entregada la información topográfica,
pluvial y el trazado de la red con las propiedades definidas.
Ciudad Guabinas se sitúa en el sur del municipio de Yumbo, Valle. La totalidad del proyecto abarca
un área de 120 Hectáreas, la implementación del proyecto se desarrolla en la etapa Málaga ya que
es aquella que cuenta con la totalidad de la información requerida para la implementación del
estudio.
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Ilustración 6. Imagen del urbanismo de la etapa Málaga.
Ilustración 7. Planta del urbanismo y trazado de tendencia original del flujo.
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3.1.2 Entrevistas
3.1.2.1 Geinner Martínez
Geinner Martínez es el ingeniero que desarrollo el primer modelo del proyecto, en la reunión
expuso los criterios y los pasos que implemento para el modelo. El punto de partida es el trazado
de tuberías con la localización de las cámaras, posteriormente se trazan los polígonos de las áreas
tributarias a cada cámara. Existen varias técnicas en el trazado de áreas para este proyecto el
implemento la técnica del trazado manual basándose en las curvas de nivel y en la rasante de las
vías donde se ubican las cámaras. En la implementación del modelo empleó el software EPA-
SWMM con su propio método de escorrentía y el método Green and Ampt. Por otra parte,
mencionó los criterios de selección de parámetros donde para la impermeabilidad se basa en la
normativa de ocupación máxima permitida y en los métodos de infiltración en estudios de suelo
cercanos o propios del proyecto.
3.1.2.2 Gustavo Barrientos
Los primeros diseños para la aprobación del proyecto se realizaron hace mas de seis años atrás, en
el transcurso del tiempo los arquitectos de la constructora realizaron cambios en el urbanismo, lo
que implicó que se requería un ajuste en el diseño de la red en la nueva etapa. Dadas las
circunstancias, se requería un modelo actualizado y es aquel modelo que se implementa en este
proyecto. Durante la reunión se recibieron las instrucciones de como leer el plano para montar
toda la geometría al software así mismo como los criterios de selección de parámetros de las
tuberías.
Para la nueva red hacía falta por diseñar la tubería de salida de la laguna de regulación, semanas
más tarde tuvimos una reunión donde se revisó el modelo y se empleó para el diseño de la tubería
de salida de la red. (Anexo A)
3.1.3 Información de partida
Para efectuar la modelación se requiere de toda la información geométrica de la red,
específicamente: diámetro, longitud y rugosidad de las tuberías; y la localización georreferenciada
de las cámaras. Por otra parte, para la modelación y parametrización de las subcuencas se
requiere la información topográfica del sector. A continuación, se presenta el plano de curvas de
nivel de la etapa Málaga cuyas curvas primarias están espaciadas cada cinco metro y las
secundarias cada 50 centímetros.
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Ilustración 8. Planta de la zona de estudio con curvas cada nivel 5m y 0.5m.
3.2 Modelación
En la siguiente sección se presentará el paso a paso implementado para el proceso de modelación,
desde el trazado de la red hasta la parametrización geométrica de las subcuencas.
3.2.1 Trazado de la red
El trazado de la red parte de la lectura del plano suministrado.
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Ilustración 9. Sección representativa del plano de tuberías AUTOCAD.
A partir de la información representada en el plano se realiza la lectura de las propiedades
geométricas de la red.
Donde:
L: Longitud de la tubería (m).
Ꝋ: Diámetro de la tubería (pulgadas).
P: Pendiente de la tubería (%).
Adicionalmente, las siglas adyacentes al valor de la pendiente hacen referencia a la materialidad
de la tubería, PVC o HR para aquellas tuberías de hormigón reforzado. Las cotas de batea de las
tuberías se representan en las salidas y entradas de las cámaras. A cada cámara se le especifica su
nomenclatura, cota rasante y georreferenciación como etiqueta. En conjunto a la lectura del
plano, con ayuda del software Excel se listan todas las variables y así posteriormente introducir los
valores en SEWERGems. Finalmente, se obtiene la tabla de tuberías con todas sus propiedades
geométricas y de rugosidad representada a continuación. La tabla presentada es de carácter
ilustrativo, no incluye todas las tuberías, el proyecto incluye 140 tuberías.
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Ilustración 10. Listado de tuberías y sus propiedades.
Una vez definidas las propiedades de cada una de las tuberías, y gracias a la georreferenciación de
los nodos, se obtiene el trazado general de la red. Adicionalmente, se introducen hidrogramas con
caudales a tubería llena para identificar como parámetro de entrada para verificar la conectividad
del modelo e identificar los posibles puntos críticos. A continuación, se presenta el trazado
obtenido en su representación por el programa SEWERGems. Por otra parte, se presenta en la
sección de anexos algunos perfiles característicos de la red modelada. (Anexo B)
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Ilustración 11. Trazado de la red de drenaje.
3.2.2 Trazado de subcuencas
Ahora bien, se cuenta con el montaje de la red de tuberías relacionada al punto de análisis el
siguiente paso corresponde a el trazado de subcuencas. Si bien se menciona anteriormente,
existen diferentes metodologías para el trazado de subcuencas, sin embargo, debido a que la
información topográfica no es lo suficientemente robusta y la operación de la red se dará una vez
realizadas las explanaciones de las parcelas por sugerencia Geinner Martínez se optó por el
método de delineación manual. El método delineación manual se lleva a cabo sobre el plano,
plano que incluye la topografía, el trazado vial, la localización de las cámaras y la rasante de las
vías. Primero, se trazan líneas conectando las cámaras indicando la dirección de menor pendiente
de la rasante. Segundo, a cada costado de las vías entre cada cámara se comparan las cotas del
terreno con la rasante de la vía, si la rasante tiene un valor menor ese costado de la vía
corresponde a una subcuenca en caso contrario, el terreno adyacente o bien no pertenece al
proyecto o drena a otra sección de la red de cotas más bajas. Tercero, se analiza la extensión de la
subcuenca correspondiente a cada cámara, este procedimiento, se hace basándose en la
observación de las curvas de nivel y para el caso considerando las posibles explanaciones no
representadas en el modelo. Finalmente, sobre un software GIS o CAD se trazan las subcuencas y
se calculan sus áreas.
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Ilustración 12. Trazado de subcuencas de la zona de estudio.
Por otra parte, la ejecución del modelo demanda dos parámetros geométricos adicionales de la
cuenca para su implementación los cuales son el ancho y la pendiente característicos de la
subcuenca. El ancho característico es la relación entre el área de drenado y la máxima longitud
recta de la cuenca, la pendiente característica corresponde a la pendiente promedio de la máxima
longitud de recta de la cuenca. Ambos valores se abstraen del plano CAD y se incluyen dentro de
los parámetros físicos de la cuenca. Finalmente, se realiza la importación de los trazados al
software y dentro de las propiedades físicas de la cuenca se introducen los valores obtenidos.
3.3 Parametrización y casos de análisis
En la siguiente sección se presentarán los parámetros requeridos para la implementación, los
planteamientos de parámetros para el análisis y finalmente la metodología de la implementación.
3.3.1 Parámetros requeridos
La operación del modelo lluvia-escorrentía EPASWMM Run off en su modelo de subcuenca se
ilustra en la figura 3. Para el se plantea el siguiente balance de masa.
𝐸𝑠𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑖𝑎 = 𝑑 − 𝑑
𝑠
Ecuación 9
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Donde:
𝑑 = Profundidad total de precipitación.
𝑑
𝑠
= Profundidad total infiltrada.
Ambas variables presentadas se discretizan en el tiempo para la modelación, esta discretización es
la que define cada paso de tiempo del hidrograma de salida. La lluvia de diseño del proyecto esta
discretizada cada quince minutos en sus valores de intensidad con una duración total de tres
horas. La información de la lluvia de diseño se presenta a continuación.
Gráfico 1. Lluvia de diseño para un periodo de retorno de 10 años.
La variable que se quiere calcular es el caudal de entrada para cada intervalo i de tiempo, este
calculo se realiza a partir de la ecuación de Manning (Ecuación 3), la cual adaptándola a la
discreción temporal y los datos de lluvia se obtienen las siguientes ecuaciones.
𝑄
𝑖
=
1.49
𝑛
𝑆
1
2
(
𝑤(𝑑
𝑖
−𝑑
𝑠𝑖
)
𝑤+2(𝑑
𝑖
−𝑑
𝑠𝑖
)
)
2
3
𝑤(𝑑
𝑖
− 𝑑
𝑠𝑖
)
Ecuación 10
𝑑
𝑖
= 𝐼
𝑖
∗ 𝑡 ∗
𝑓(𝐴)
Ecuación 11
𝑑
𝑠𝑖
= 𝑓(𝑑
𝑖
)
Ecuación 12
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Donde:
𝑄
𝑖
= Caudal en el intervalo i (m3/s).
𝑆 = Pendiente promedio de la subcuenca(m/m).
𝑤 = Ancho característico de la subcuenca (m).
𝑑
𝑖
= Profundidad total de lluvia en el intervalo i (m).
𝑑
𝑠𝑖
= Profundidad total de lluvia infiltrada en el intervalo i (m).
𝐴 = Área total de la subcuenca (m2).
𝐼
𝑖
= Intensidad de lluvia en el intervalo i (m/min).
𝑡 = Duración del intervalo i (min).
𝑓(𝑑
𝑖
) = Función del método de infiltración.
Adicionalmente, el ingreso de este caudal a cada cámara es afectado por el tiempo de
concentración simulado por los supuestos descritos en el marco teórico de canal rectangular con
rugosidades parametrizadas para superficies impermeables y permeables.
Para la implementación del modelo se debe definir el porcentaje de impermeabilidad y la
metodología de enrutamiento, ya que el modelo genera dos canales en su simulación uno para
cada condición de impermeabilidad. La condición de enrutamiento define si los canales simulados
ambos tienen una salida independiente a la cámara o si tienen una conexión interna entre ellos.
La función del método de infiltración también requiere de la determinación de los parámetros
correspondientes a cada método. Para este proyecto se evaluarán los métodos SCS y Green and
Ampt, los cuales fueron descritos en el marco teórico. Para la implementación del método SCS se
debe determinar el número de curva y a partir de las ecuaciones 6 y 7 se determina la porción de
agua que se infiltra al suelo, la determinación y selección de este valor se presenta más adelante.
La implementación del método Green and Ampt requiere la determinación de los tres parámetros
físicos del suelo descritos en la ecuación 8.
Finalmente, se listan todas las variables requeridas para la implantación del modelo, sus unidades,
simbología y mecanismo de obtención.
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Elemento
Variable
Unidades
Símbolo
Mecanismo de
obtención
Tubería
Longitud
m
L
Lectura de planos
cota batea entrada
m
CBE
Lectura de planos
cota batea salida
m
CBS
Lectura de planos
diámetro
m
Ꝋ
Lectura de planos
rugosidad
adim
n
Lectura de planos
Cámara
coordenada X
m
E
Lectura de planos
coordenada Y
m
N
Lectura de planos
cota rasante
m
CR
Lectura de planos
cota fondo
m
CBS
Lectura de planos
Subcuenca
área
m2
A
Software CAD
ancho característico
m
w
Software CAD
pendiente
m/m
S
Software CAD
impermeabilidad
%
Imp
Llevada a análisis
rugosidad en superficie
impermeable
adim
n imp
Entrevista
rugosidad en superficie
permeable
adim
n perm
Entrevista
método de enrutamiento
N/A
N/A
Entrevista
Métodos
de
infiltración
número de curva
adim
CN
Llevada a análisis
succión capilar del frente
húmedo
mm
ψf
Estudio de suelos
conductividad hidráulica
mm/hr
K
Estudio de suelos
porosidad
%
n
Llevada a análisis
Tabla 1. Listado de variables requeridas para la implementación.
3.3.2 Planteamiento de casos de análisis
Si bien todas las variables requeridas en este punto de la implementación ya se encuentran
establecidas en el modelo, también se ejecuta el modelo para validar su funcionamiento con los
valores que se usaron en el diseño original de las variables traídas a estudio. A continuación, se
presenta el listado de variables implementadas en el primer modelo de diseño.
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Elemento
Variable
Unidades
Símbolo
Valor
Subcuenca
área
m2
A
Propio en cada ítem
ancho característico
m
w
Propio en cada ítem
pendiente
m/m
S
Propio en cada ítem
impermeabilidad
%
imp
85%
rugosidad en superficie
impermeable
adim
n imp
0.02
rugosidad en superficie
permeable
adim
n perm
0.1
método de enrutamiento
N/A
N/A
Salidas independientes
Métodos
de
infiltración
numero de curva
adim
CN
N/A
succión capilar del frente
húmedo
mm
ψf
90
conductividad hidráulica
mm/hr
K
10
porosidad
%
n
0.75
Tabla 2. Listado de variables hidrológicas implementadas en el diseño original.
El análisis de sensibilidad de volumen máximo total captado e hidrogramas a implementar busca
estudiar las variables de impermeabilidad, pendiente, número de curva y porosidad. Los
planteamientos llevados al análisis para cada una de las variables mencionadas se presentan más
adelante.
3.3.2.1 Impermeabilidad
La impermeabilidad define el porcentaje de la cuenca que trabaja con los parámetros n imp y la
precipitación especifica de esa área asociada. Debido a que la ocupación será un área urbana
residencial poblada con área de parqueaderos, se toma el valor alto de 85% de impermeabilidad
para el diseño. Sin embargo, lo que busca plantear el análisis es diferentes casos impermeabilidad
y ver su influencia en los resultados del método. Dado lo anterior se plantean tres casos
adicionales de impermeabilidad equivalentes al 0%, 33%, y 100%.
3.3.2.2 Pendiente
La pendiente de cada subcuenca depende de la topografía de esta, para la implementación del
método se proponen cuatro factores multiplicativos para las pendientes del terreno original y
evaluar su influencia en los resultados. Los factores propuestos corresponden al 33%, 66%, 200% y
300%.
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3.3.2.3 Numero de curva
Si bien se describe en el marco teórico, el número de curva depende de dos factores: la ocupación
probable y el tipo de suelo. El tipo de suelo original corresponde a un suelo con un alto potencial
de escorrentía y bajo potencial de infiltración esto se atribuye a el alto nivel freático de la zona y la
materialidad misma del suelo. En la caracterización del suelo este tipo de suelo corresponde al
suelo tipo C y las condiciones de cobertura a urbano de población densa, para un numero de curva
de 90 según las librerías de la USDA. (Rossman & Huber, 2016)
Para el análisis se plantean dos casos adicionales de numero de curva correspondientes a 74 y 50,
74 equivale a un mismo tipo de suelo para una ocupación muy baja y 50 equivale a un suelo tipo C
para la misma ocupación baja.
3.3.2.4 Humedad del suelo
La humedad del suelo se relaciona al parámetro de la porosidad del método Green and Ampt, su
valor se maneja como la fracción entre el volumen ocupado por agua y el volumen total de
espacios de aire en el suelo. Dada la alta humedad del sector para el diseño se toma un valor del
75, para el análisis se plantean tres casos adicionales de humedad los cuales corresponden a 25%,
50% y 100%.
3.3.2.5 Puntos de análisis
A partir del modelo trabajado anteriormente se seleccionan tres puntos de la red para llevar a
cabo la implementación, puntos que serán descritos a continuación.
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3.3.2.5.1 Punto A
Punto medio del drenaje de la vía interna Etapa Málaga
Sub Cuenca
Ancho
característico
(m)
Pendiente
(m/m)
Área (He)
1
26.5
0.002
0.208
2
19.7
0.001
0.183
3
28.3
0.002
0.621
4
17.3
0.001
0.129
5
31.4
0.003
0.935
6
33.5
0.002
0.747
7
34
0.003
0.888
8
36.3
0.004
0.799
Total
Profundidad
característica
promedio (m)
Pendiente
promedio
(m/m)
Área total
(He)
8
28.375
0.00225
4.51
Tabla 3. Propiedades de subcuencas del punto A.
Ilustración 13. Tramo de la red y trazado de subcuencas del punto A.
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3.3.2.5.2 Punto B
Drenaje de la vía interna Etapa Málaga
Sub Cuenca
Ancho
característico
(m)
Pendiente
(m/m)
Área (He)
1
26.5
0.002
0.208
2
19.7
0.001
0.183
3
28.3
0.002
0.621
4
17.3
0.001
0.129
5
31.4
0.003
0.935
6
33.5
0.002
0.747
7
34
0.003
0.888
8
36.3
0.004
0.799
9
25.6
0.005
0.354
10
43.5
0.002
1.023
11
23.5
0.006
0.333
12
26.9
0.002
0.374
13
21.4
0.006
0.213
14
18.5
0.002
0.155
15
19.2
0.005
0.191
Total
Ancho
característico
promedio (m)
Pendiente
promedio
(m/m)
Área total
(He)
15
27.04
0.00307
7.153
Tabla 4. Propiedades de subcuencas del punto B.
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Ilustración 14. Tramo de la red y trazado de subcuencas del punto B.
3.3.2.5.3 Punto C
Entrada norte de la laguna de regulación
Sub Cuenca
Ancho
característico
(m)
Pendiente
(m/m)
Área (He)
1
68
0.104
1.591
2
27.8
0.001
0.712
3
21
0.002
0.343
4
19.5
0.002
0.139
5
16
0.001
0.16
6
15.5
0.001
0.153
Total
Ancho
característico
promedio (m)
Pendiente
promedio
(m/m)
Área total
(He)
6
27.967
0.0185
3.098
Tabla 5. Propiedades de subcuencas del punto C.
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Ilustración 15. Tramo de la red y trazado de subcuencas del punto C.
En las ilustraciones de los puntos de análisis, la circunferencia roja indica el punto de salida de la
red y es este mismo punto donde son tomados los datos de caudal, volumen total y nivel.
3.3.3 Casos de análisis
Si bien se menciona anteriormente, se proponen los diferentes valores de cada parámetro en
estudio, ahora bien, se plantearán las combinaciones de parámetros llevadas al análisis.
El análisis de sensibilidad se desarrolla en dos instancias, primero se evalúa la dispersión de
volúmenes máximos captados por las subcuencas ante la combinación de todos los casos de
análisis y cada método. Segundo, a partir de las condiciones paramétricas donde el parámetro en
estudio tenga mayor dispersión se generan hidrogramas y limnigramas de esta forma analizar ele
efecto temporal en su variación.
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Tabla 6. Combinación de parámetros para el método de infiltración SCS.
Tabla 7. Combinación de parámetros para el método de infiltración Green and Ampt.
Cada combinación de parámetros corresponde a una ejecución del modelo y su respectiva lectura
de datos para un total de 60 para el método del SCS y 80 para Green and Ampt.
3.3.4 Metodología de implementación
3.3.4.1 Análisis de volumen total captado
Este análisis se desarrolla a partir de la ejecución de los 140 modelos con las diferentes
combinaciones de parámetros, cada uno de estos modelos arroja un valor de volumen en m3.
Posteriormente, se tabulan todos los valores obtenidos y se realizan gráficos de cada una de las
variables en función del volumen y referenciando las otras variables en el gráfico.
3.3.4.2 Análisis de hidrogramas y limnigramas
A partir del análisis de volumen total captado se identifican las condiciones donde la variable en
estudio tiende más a la dispersión, para estas condiciones se ejecutan los modelos y se observan
las variaciones temporales en los hidrogramas y limnigramas.
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4 RESULTADOS
En el siguiente capitulo se presentan los gráficos de dispersión de volumen obtenidos para cada
combinación de parámetros. En su segunda sección, se presentan los hidrogramas y limnigramas,
definiendo la selección de sus valores constantes.
4.1 Resultados de volumen total captado
4.1.1 Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt)
Tabla 8. Leyenda de interpretación Factor de pendiente vs Volumen.
Gráfico 2. Punto A. Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt).
100
75
50
25
100
85
33
0
Humedad (%)
Impermeabilidad
(%)
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Gráfico 3. Punto B. Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt).
Gráfico 4. Punto C. Factor de pendiente vs Volumen (Método Green and Ampt).
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30
4.1.2 Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt)
Tabla 9. Leyenda de interpretación Impermeabilidad vs Volumen.
Gráfico 5. Punto A. Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt).
100
75
50
25
300%
200%
100%
66%
33%
Factor de
pendiente
Humedad (%)
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Gráfico 6. Punto B. Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt).
Gráfico 7. Punto C. Impermeabilidad vs Volumen (Método Green and Ampt).
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4.1.3 Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt)
Tabla 10. Leyenda de interpretación Humedad vs Volumen.
Gráfico 8. Punto A. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt).
100
85
33
0
300
200
100
66
33
Factor de
pendiente
(%)
Impermeabilidad (%)
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Gráfico 9. Punto B. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt).
Gráfico 10. Punto C. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt).
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4.1.4 Factor de pendiente vs Volumen (Método SCS)
Tabla 11. Leyenda de interpretación Factor de pendiente vs Volumen.
Gráfico 11. Punto A. Humedad vs Volumen (Método Green and Ampt).
90
74
50
100
85
33
0
Numero de Curva
Impermeabilidad
(%)
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Gráfico 12. Punto B. Factor de pendiente vs Volumen (Método SCS).
Gráfico 13. Punto C. Factor de pendiente vs Volumen (Método SCS).
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4.1.5 Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS)
Tabla 12. Leyenda de interpretación Impermeabilidad vs Volumen.
Gráfico 14. Punto A. Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS).
90
74
50
300
200
100
66
33
Factor de
Pendiente
(%)
Numero de Curva
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Gráfico 15. Punto B. Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS).
Gráfico 16. Punto C. Impermeabilidad vs Volumen (Método SCS).
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4.1.6 Número de curva vs Volumen (Método SCS)
Tabla 13. Leyenda de interpretación Número de curva vs Volumen.
Gráfico 17. Punto A. Número de curva vs Volumen (Método SCS).
100
85
33
0
300
200
100
66
33
Factor de
Pendiente
(%)
Impermeabilidad (%)
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Gráfico 18. Punto B. Número de curva vs Volumen (Método SCS).
Gráfico 19. Punto C. Número de curva vs Volumen (Método SCS).
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4.2 Resultados hidrogramas y limnigramas
La selección de los hidrogramas y limnigramas representativos para el análisis es derivada del
análisis del volumen total captado y se expresa mas adelante en este texto. Esta sección presenta
los resultados de los hidrogramas y limnigramas.
4.2.1 Limnigramas
4.2.1.1 Impermeabilidad variable
Gráfico 20. Punto A. Limnigrama de impermeabilidad variable.
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Gráfico 21. Punto B. Limnigrama de impermeabilidad variable.
Gráfico 22. Punto C. Limnigrama de impermeabilidad variable.
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4.2.1.2 Factor de pendiente variable
Gráfico 23. Punto A. Limnigrama de factor de pendiente variable.
Gráfico 24. Punto B. Limnigrama de factor de pendiente variable.
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Gráfico 25. Punto C. Limnigrama de factor de pendiente variable.
4.2.1.3 Número de curva variable
Gráfico 26. Punto A. Limnigrama de número de curva variable.
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Gráfico 27. Punto B. Limnigrama de número de curva variable.
Gráfico 28. Punto C. Limnigrama de número de curva variable.
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4.2.1.4 Porcentaje de humedad variable
Gráfico 29. Punto A. Limnigrama de porcentaje de humedad variable.
Gráfico 30. Punto B. Limnigrama de porcentaje de humedad variable.
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Gráfico 31. Punto C. Limnigrama de porcentaje de humedad variable.
4.2.2 Hidrogramas
4.2.2.1 Impermeabilidad variable
Gráfico 32. Punto A. Hidrograma de impermeabilidad variable.
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Gráfico 33. Punto B. Hidrograma de impermeabilidad variable.
Gráfico 34. Punto C. Hidrograma de impermeabilidad variable.
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4.2.2.2 Factor de pendiente variable
Gráfico 35. Punto A. Hidrograma de factor de pendiente variable.
Gráfico 36. Punto B. Hidrograma de factor de pendiente variable.
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Gráfico 37. Punto C. Hidrograma de factor de pendiente variable.
4.2.2.3 Número de curva variable
Gráfico 38. Punto A. Hidrograma de número de curva variable.
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Gráfico 39. Punto B. Hidrograma de número de curva variable.
Gráfico 40. Punto C. Hidrograma de número de curva variable.
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4.2.2.4 Porcentaje de humedad variable
Gráfico 41. Punto A. Hidrograma de porcentaje de humedad variable.
Gráfico 42. Punto B. Hidrograma de porcentaje de humedad variable.
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Gráfico 43. Punto C. Hidrograma de porcentaje de humedad variable.
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5 ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.1 Análisis de volumen total captado
El análisis de volumen total captado permite valorar las diferencias en los diferentes
planteamientos de combinaciones de parámetros con un único resultado, el volumen. A partir de
la observación de los puntos en el plano y su dispersión relativa se identifican las variables más
influyentes en la generación de escorrentía. También, se comparan las diferencias entre los puntos
de estudio A, B y C.
Para su análisis se definen seis indicadores de dispersión relativa donde el uno representa el valor
de menor dispersión y el seis la dispersión máxima. En base a los indicadores se relacionan los
parámetros en una tabla y respecto a su dispersión se asigna un nivel entre uno y seis.
La lectura de la tabla sigue el siguiente procedimiento. Los parámetros se denotan por las siglas:
impermeabilidad (IMP), factor de pendiente (FP), número de curva (CN), humedad (H). Las
variables listadas en las filas corresponden a las que se observa la dispersión dado el caso de las
variables de las columnas. Adicionalmente, las variables en las columnas tienen dos coloraciones,
rojo para los valores máximos de esa variable y azul para los mínimos.
IMP
FP
CN
H
IMP
1
1
1
IMP
2
4
3
FP
6
1
1
FP
6
2
2
CN
4
1
CN
6
1
H
5
1
H
6
1
Tabla 14. Relación de dispersión de volumen entre parámetros.
Al interpretar la tabla anterior se encuentra que: la impermeabilidad tiene la mayor dispersión
sobre todas las variables solo para números de curva altos y humedades altas la dispersión relativa
disminuye, el factor de pendiente tiene la menor dispersión entre todas las variables solo alcanza
una dispersión notoria para impermeabilidades bajas, el número de curva llega a mayores
dispersiones para impermeabilidad baja y factor de pendiente bajo, comportamiento que
comparte la humedad con un poco de mejor dispersión para impermeabilidades bajas.
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Por otra parte, se observa el comportamiento entre los diferentes puntos, si bien fueron descritos
anteriormente, cabe resaltar que las principales diferencias entre ellos son: el terreno (A) tiene
pendientes similares que el (B) pero el (B) tiene una mayor extensión, el terreno (C) es el de menor
tamaño, pero tiene pendientes más ligeramente mas altas. Mencionadas estas diferencias, se
observó en análisis de volumen captado que a mayor extensión de la cuenca los volúmenes
máximos incrementan en una mayor proporción que los volúmenes mínimos. También que para la
cuenca de mayores pendientes la dispersión por pendiente decrece.
Las relaciones entre parámetros más representativas observadas son cuando: la impermeabilidad
alcanza su dispersión mínima para los números de curva altos, el factor de pendiente alcanza su
dispersión máxima para las impermeabilidades mínimas, y tanto el numero de curva como la
humedad alcanzan su máximo en impermeabilidades mínimas. Las combinaciones mencionadas
anteriormente, se representan en los hidrogramas y limnigramas para el siguiente análisis.
5.2 Análisis de hidrogramas y limnigramas
Gracias a los resultados de volumen total captado, se identificaron las relaciones entre los
parámetros que aumentan la dispersión del parámetro a estudiado. Dadas estas condiciones que
aumentan la dispersión, se generaron los hidrogramas y limnigramas cuyo análisis se presenta en
la siguiente sección.
• Impermeabilidad variable
A medida que se reduce la impermeabilidad el pico de caudal se alcanza minutos mas tarde, sin
embargo, este aumento en el tiempo ente la máxima y la mínima no supera los diez minutos.
También, en todos los casos el pico para bajas impermeabilidades se aplana y en tiempos tardíos
de la simulación tiene mayores caudales. Al comparar el comportamiento entre los diferentes
puntos de análisis, se observa que entre mayor es la extensión de la cuenca mayor es la tendencia
a aplanar el pico de caudal generado o nivel para el caso de los limnigramas.
• Factor de pendiente variable
Al observar los hidrogramas se identifica claramente un punto en el tiempo, donde los caudales
generados por el terreno más plano son mayores que los de terrenos inclinados, para los tiempos
anteriores prevalece la tendencia del caudal mas alto para el terreno mas inclinado. Respecto a la
morfología de los picos, la tendencia a aplanarse se da para los terrenos mas planos. Para el caso
de los limnigramas se da el mismo comportamiento, sin embargo, no se define un punto exacto de
intersección en tiempos tardíos oscilan sus valores.
• Número de curva variable
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Para el caso del número de curva, los caudales para los valores mas altos prevalecen mayores
durante toda la simulación, los picos de caudal tienen un ligero desfase temporal hacia
tiempos más tardíos para valores bajos de número de curva. El efecto que aplana los picos
para valores bajos es bastante notorio para este caso, dado el número de curva con un valor
de 50 el caudal pico permanece casi constante durante una hora y media. Al comparar entre
los diferentes puntos el punto de menor área y mayor pendiente tiende menos a aplanar el
pico de caudal.
• Humedad variable
Para la humedad el suelo los valores máximos prevalecen con un mayor caudal durante toda la
simulación. El pico de caudal tiene un efecto de aceleración previa al pico para valores altos,
sin embargo, la tendencia a aplazarse de los picos no se presenta. La caída del pico de caudal
tiene pendientes casi iguales para todos los valores, dada la humedad mínima la simulación
prevale en cero durante la mayor parte de la simulación.
• Observaciones globales entre puntos de estudio
Cabe resaltar que en el análisis particular de cada variable se especifica cuando se observa un
comportamiento anómalo entre los diferentes puntos en relación con el parámetro en
estudio. Ahora bien, se observa que para todos los limnigramas del punto de análisis B los
picos de nivel ante la variación del parámetro en estudio se unen para mantener un nivel
constante, al observar este fenómeno se acude al modelo para identificar el motivo de su
ocurrencia. La salida del punto de análisis está conectada aguas abajo con un canal que para el
pico de la tormenta su nivel es superior al de la tubería de salida de la red en estudio por esta
circunstancia se presenta este fenómeno en los limnigramas. Por otra parte, se observa que
para la cuenca de menor extensión la tendencia a planar los picos se reduce para todos los
casos a excepción de el evaluó de la humedad, donde la morfología del pico se conserva entre
los diferentes valores.
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6 CONCLUSIONES
En la implementación del método EPASWMM Runoff se establece que la impermeabilidad es el
parámetro más determinante en el aumento de la generación de escorrentía. También, es el
parámetro que restringe en mayor proporción la variación de los demás parámetros estudiados.
Las variaciones de pendiente de las cuencas no generan cambios significativos en la generación de
escorrentía, sin embargo, para terrenos muy planos causan un efecto de remanso donde la
amortiguación del pico se extiende durante toda la simulación.
La reducción del número de curva amortigua los picos casi hasta mantener un caudal pico
constante, esta reducción se da para una menor extensión temporal que la ocasionada por el
efecto de remanso de la pendiente.
El método del SCS tiene implícitamente una consideración de la impermeabilidad, usarlo en
conjunto con el método de escorrentía EPASWMM Runoff para zonas de impermeabilidad alta
tiende ocasionar un aumento en la escorrentía generada al compararlo con la implantación del
método Green and Ampt ante las mismas condiciones.
La variación de la humedad disponible en el suelo corta el hidrograma horizontalmente
conservando la morfología de picos y reduciendo el caudal a medida que disminuye.
Los estudios específicos del suelo para la implantación del método Green and Ampt son muy
costosos, mientras que la selección del número de curva puede hacerse con poca información de
partida. Sin embargo, existen estudios donde se simplifica la selección de los parámetros del
método Green and Ampt, pero todos ellos con desviaciones muestrales significativas.
Para un número de curva alto y un terreno totalmente permeable, se esperaban caudales más
altos de los obtenidos, considerando la impermeabilidad implícita del método. A partir de lo
anterior se puede concluir que no es una buena práctica considerar la impermeabilidad implícita
del método, al compararla con la impermeabilidad simulada sus valores alcanzan a llegar a un
orden de magnitud menor.
El sistema de drenaje no llega al rebosamiento de las cámaras incluso para casos de diseño mas
critico que el caso de diseño, sin embargo, la presurización de algunas tuberías se da en el sistema
para el caso de diseño y los casos más críticos planteados.
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7 REFERENCIAS
Constructura, J. M. (2020). JaramilloMora. Obtenido de https://www.jaramillomora.com/
Cronshey, R., McCuen, R. H., Miller, N., & Robbins, S. (1986). Urban Hydrology for Small
Watersheds TR55. Washinton DC.: Natural Resources Conservation Service.
Groenendyk, D. G., Ferré, T. P., Thorp, K. R., & Rice, A. K. (2015). Hydrologic-Process-Based Soil
Texture Classifications for Improved Visualization of Landscape Function. PLoS ONE, 1-17.
Gutiérrez, C. G., Pachepsky, Y., & Martín, M. Á. (2018). Technical note: Saturated hydraulic
conductivity and textural heterogeneity of soils. Hydrology and Earth System Sciences,
3923-3932.
Rawls, W. J., Brakensiek, D. L., & Miller, N. (1983). GREEN-AMPT INFILTRATION PARAMETERS
FROM SOILS DATA. Journal of Hydraulic Engineering, 62-70.
Rossman, L. A., & Huber, W. (2016, January). Storm Water Management Model Reference Manual
Volume I – Hydrology. Cincinnati, United States.
Figura 1. Diagrama de flujo general del modelo EPASWMM Runoff. Adaptado de “Storm Water
Management Model Reference Manual”, por L.A. Lewis & W. Huber, Volume I Hydrology. P. 20.
Figura 2. Diagrama de bloque de la transición de estados de SWMM. Tomado de “Storm Water
Management Model Reference Manual”, por L.A. Lewis & W. Huber, Volume I Hydrology. P. 22.
Figura 3. Diagrama de modelo de almacenamiento no lineal. Tomado de “Storm Water
Management Model Reference Manual”, por L.A. Lewis & W. Huber, Volume I Hydrology. P. 52.
Figura 4. Triangulo textural USDA. Tomado de “Hydrologic-Process-Based Soil Texture
Classifications for Improved Visualization of Landscape Function.”, por Groenendyk, D. G., Ferré, T.
P., Thorp, K. R., & Rice, A. K., PLos ONE 10(6). P. 3.
Figura 5. Descripción estadística de la conductividad hidráulica saturada. Tomado de “Saturated
hydraulic conductivity and textural heterogeneity of soils. Por Gutiérrez, C. G., Pachepsky, Y., &
Martín, M. Á. Hydrology and Earth System Sciences. P. 3925.
Figura 6.Imagen del urbanismo de la etapa Málaga. Tomado de “Constructora Jaramillo Mora “.
www.jaramillomora.com.
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8 ANEXOS
8.1 Anexo A. Diseño tubería de salida laguna de regulación.
Para concluir el modelo se requería realizar el dimensionamiento de la tubería de salida de la
laguna de regulación. El diseño se realiza sobre el modelo partiendo de una tubería de 900mm en
ese tramo y dependiendo del nivel observado en la laguna se opta por aumentar o disminuir ese
diámetro. A continuación, se presenta el perfil de la laguna para el momento mas critico de la
tormenta, dados los diámetros implementados en el diseño.
Perfil laguna de regulación tubería 900mm.
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Perfil laguna de regulación tubería 1000mm.
Perfil laguna de regulación tubería 1100mm.
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Perfil laguna de regulación tubería 1200mm.
Perfil laguna de regulación tubería 1300mm.
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Perfil laguna de regulación tubería 1400mm.
Finalmente, la tubería de 1400mm es aquella que no supera el nivel máximo para el caso de lluvia
dado. Adicionalmente, en la obra in situ se diseña una tubería de mayor diámetro para que opere
en paralelo evacuando toda el agua de la laguna dado el caso de rebosamiento.
8.2 Anexo B. Perfiles característicos del modelo.
En esta sección se presentan los perfiles de los puntos llevados al análisis en el documento y
adicionalmente otros perfiles del modelo donde los puntos de análisis entregan sus aguas.
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Perfil Red de drenaje Punto A y B.
Perfil Red de drenaje Punto C.
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Perfil Canal de drenaje principal.
Perfil Red entrada laguna sur.
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