1º Taller sobre "Estudios Hidrológicos en Áreas Serranas
de la Provincia de Córdoba”. Córdoba, 2011
DETERMINACIÓN DE TORMENTAS DE PROYECTO EN ZONA
MONTAÑOSA DE CENTROAMÉRICA CON ESCASA Y VARIADA
DISPONIBILIDAD DE DATOS DE LLUVIA EN CUENCAS DE GRAN
EXTENSIÓN
- EL SALVADOR -
Juan Pablo Brarda
Cátedra de Hidrología y Procesos Hidráulicos, FCEFyN - UNC
e-mail: [email protected]
PLAN DE PRESENTACIÓN
• Objetivos del Estudio
• Introducción del lugar de trabajo
• Metodología utilizada para el desarrollo de los Estudios
•Breve reseña acerca de la disponibilidad de datos
• Análisis de resultados obtenidos
• Conclusiones y Recomendaciones
OBJETIVOS DEL ESTUDIO
• Obtención de información de base para el desarrollo de los Estudios
Hidrológicos. Análisis y Evaluación.
•Caracterización In-Situ de la región desde el punto de vista hidrológico e
hidráulico.
• Elaboración de una metodología rápida y sencilla para la determinación de
las Lluvias de Proyecto.
• Obtención de los Caudales de Proyecto de cada cruce hidráulico para
diferentes Tiempos de Retorno.
• Dimensionado y Verificación de las Obras Hidráulicas (puentes,
alcantarillas, cunetas, saltos, etc.).
• Estimación de la Socavación en Pilas y Estribos de Puentes.
INTRODUCCIÓN
Limita al Norte con la República de Honduras, al Sur con el Océano Pacifico (307 KM. de costa),
al Este con la República de Honduras y la República de Nicaragua (Golfo de Fonseca de por medio),
y al Oeste con la República de Guatemala.
Aproximadamente 21,040.79 Km² (para efectos de cálculo se recomienda usar esta superficie, por
no estar totalmente definido el límite con la República de Honduras. La Población total es de aprox.
7.500.000 habitantes distribuidos en los catorce departamentos.
INTRODUCCIÓN
Uno de los rasgos importantes del clima de El Salvador es la existencia de una variación térmica
anual relativamente pequeña, con la ocurrencia de los mayores valores hacia el mes de abril y una
disminución hacia los meses de diciembre y enero, que aparecen como los más fríos del año, la
temperatura anual fluctúa entre 24.2ºC y 25.9ºC, con una media de 24.8ºC.
El clima es tropical lluvioso de mayo a octubre y seco entre noviembre y abril; la precipitación anual
varía entre 1,525 a 2,127 mm/año, con una media de 1,824 mm/año; aproximadamente el 86% del
territorio está clasificado como bosque húmedo subtropical, el 8% como bosque muy húmedo
subtropical y el 4% como bosque húmedo tropical.
INTRODUCCIÓN
CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO
•El proyecto está localizado a lo largo de toda la zona norte del país El Salvador, desde la Frontera
con Guatemala hasta la Frontera con Honduras, con una longitud aproximada de 605.896 kilómetros.
• El proyecto consiste en la apertura, rehabilitación y mejoramiento de 605.896 Kilómetros de vías
clasificadas como secundarias y terciarias modificadas, ubicadas en la zona norte de El Salvador, de
los cuales 289.145 km corresponden a la Vialidad Principal (Carretera Longitudinal del Norte (CLN).
• En
total se identificaron aproximadamente 50 puentes a proyectar y unas 3000 alcantarillas o
cruces de agua menores a lo largo de todo el tramo.
Sobre un área de drenaje de
aproximadamente 18.176 km2
se procedió a la elaboración de
distintas Curvas IDF en
función
de
datos
pluviográficos, pluviométricos
e hidrométricos de distintas
estaciones de medición dentro
de la zona norte de El Salvador
(Centroamérica)
INTRODUCCIÓN
A lo largo de todo el desarrollo de la carretera y de sus vías transversales se presentan un sinnúmero
de situaciones particulares en relación al drenaje. Sin embargo, a los fines de la definición
metodológica, estas situaciones han sido tipificadas en tres casos básicos, indicados a continuación:
cruces sobre el río Lempa (o cruces de “Tipo I”)
cruces sobre otros ríos (menores) (o cruces de “Tipo II”)
cruces sobre cursos efímeros, o “quebradas de invierno” (o cruces de “Tipo III”)
METODOLOGÍA UTILIZADA
•ANÁLISIS DE PRECIPITACIONES MÁXIMAS E INTENSIDADES
Se ha realizado un extenso análisis basado en una metodología diseñada “ad-hoc”, que intentó
extraer el máximo de informaciones con base en los datos disponibles.
Dado que en El Salvador la gran mayoría de las estaciones pluviográficas no posee registros
actualizados que permitan incorporar en sus series a los años 1998 y 2005 (años con lluvias severas),
se procede inicialmente a la selección de aquellas estaciones pluviográficas que son adoptadas como
estaciones pluviográficas “patrones”.
La definición de estas estaciones patrones obedece al siguiente criterio:
confiabilidad de la información, según informaciones suministradas por el SNET;
extensión de sus registros, en particular hasta el año 2005 o 2006;
localización plani-altimétrica de la estación.
METODOLOGÍA UTILIZADA
Definición del Comportamiento de Estaciones Pluviográficas Patrones
Para cada una de las estaciones pluviográficas seleccionadas se procede a la estimación de las curvas
intensidad-duración-frecuencia (i-d-f) correspondientes a dos períodos típicos:
-serie larga (completa)
-serie corta (incompleta).
La serie completa incorpora a la totalidad de los registros disponibles (considerando
fundamentalmente la inclusión de los años 1998-Tormenta MITCH y 2005-Tormenta STAN).
La serie corta (o incompleta) trata de representar a las series disponibles en la mayoría de las series
pluviográficas de la región, que generalmente se han extendido entre 1960 y 1980 aproximadamente.
En la determinación de las curvas i-d-f son contemplados los siguientes aspectos:
•Análisis de duraciones de lluvia como mínimo entre 5 min. y 90 min.
•Transformación de los valores básicos de intensidad de lluvia a la correspondiente lámina
precipitada, de modo de verificar que dicha lámina sea no decreciente en función del tiempo.
•Análisis de datos dudosos según metodología propuesta por Chow (1998).
•Ajuste de frecuencia de las series correspondientes a las distintas duraciones según el paquete
estadístico HYFRAN©, seleccionando aquella distribución probabilística que se considere más
apropiada.
•Determinación de intensidad (o láminas) correspondientes a las siguientes recurrencias: 2, 5, 10, 25,
50, 100 y 200 años.
METODOLOGÍA UTILIZADA
Finalmente, se procede a la comparación (gráfica y tabular) de los valores correspondientes a las
series completa e incompleta, deduciéndose patrones de comportamiento (incrementos positivos o
negativos típicos) que permitan transformar las intensidades deducidas a partir de series cortas en
intensidades representativas de las series largas.
De esta forma, se definen coeficientes de mayoración (relación entre series largas y cortas), que
podrán variar (o no) en función de la recurrencia.
Complementariamente, se procede a determinar las relaciones entre duraciones correspondientes a
las láminas intensas deducidas para las series largas. Ello permitirá, luego de obtener las láminas
diarias para distintas recurrencias de las Estaciones Pluviométricas, efectuar la transformación de
láminas diarias a láminas máximas de 24 h.
METODOLOGÍA UTILIZADA
Selección de Estaciones Pluviográficas Representativas
Con base en el mapa de la red pluviográfica se procede a seleccionar aquellas estaciones más
representativas correspondientes a cada sector de la carretera.
Para ello son considerados los siguientes factores:
-localización planialtimétrica de la estación pluviográfica;
-longitud de la serie de registros;
-incorporación de los años 1998 y 2005;
-confiabilidad de los datos según el SNET.
Para definir la región de influencia (o de aplicabilidad primaria) de una estación pluviográfica son
considerados los siguientes criterios (Pierrehumbert, 1977):
-diferencia de nivel topográfico menor a 200 m;
-topografía similar en un radio de 5 km alrededor de ambos lugares;
-diferencia menor de 100 mm. de lluvia mdia anual, si ésta no llega a 1000 mm.;
-diferencia menor de un 10 % en zonas más húmedas;
-ubicación en la misma vertiente hidrológica;
-separación no mayor de 150 km.
Estos criterios pueden ser eventualmente flexibilizados en función de otros elementos de análisis
(inexistencia de otras fuentes de datos, etc.).
METODOLOGÍA UTILIZADA
Determinación de Curvas I-D-F de Estaciones Pluviográficas Representativas
Siguiendo un procedimiento similar al indicado previamente, se determinan las curvas i-d-f a partir
de las series disponibles para cada una de las estaciones representativas.
Si las series disponibles no incorporaran a los años críticos (1998 y 2005) los valores finales de
intensidad asociados a cada recurrencia surgen de aplicar los coeficientes de mayoración definidos
previamente para las estaciones patrones.
Tratamiento Estadístico de las Informaciones
•Pruebas de Hipótesis adoptadas para las Series analizadas: Fueron realizados distintos tipos de
análisis estadísticos de tipo paramétrico y no paramétrico para estudiar las condiciones de
independencia, tendenciosidad y homogeneidad de las distintas series.
Las metodologías empleadas en estos análisis fueron:
•Análisis de Independencia de la Serie (prueba Wald-Wolfowitz)
•Análisis de Tendencia (prueba Kendall)
•Análisis de Homogeneidad (prueba Wilcoxon)
Para estos análisis fue empleado el paquete estadístico HYFRAN©, desarrollado por la Cátedra de
Hidrología Estadística CRNSG-INRS-Eau/Hydro-Quebéc (Département d’Hydrologie) /Alcan.
A los efectos del Análisis de Frecuencia fueron ajustadas distintas funciones de frecuencia (o
modelos probabilísticos). Los mismos incluyeron los modelos Log Pearson III, de Valores Extremos
Generalizados (GEV), Gumbel y Log Normal de 3 parámetros.
RESEÑA ACERCA DE LA DISPONIBILIDAD DE DATOS
DISPONIBILIDAD DE DATOS
Para la realización de los estudios hidrológicos se recabaron datos pluviográficos y pluviométricos de
distintas estaciones de Medición de Precipitación en la zona norte del País.
Del total de estaciones analizadas solo en un porcentaje medio a bajo (30 %) se contó con
información (registros de datos medidos) suficientes para realizar un análisis acabado de
precipitaciones máximas asociadas a tiempos de recurrencia altos.
Algunas Estaciones Pluviométricas se extienden hasta el presente pero no cuentan con cierta
continuidad en la medición a lo largo del tiempo. En general los registros comienzan a inicio de la
década del 60.
La única estación pluviográfica de todo el país que cuenta con datos de más de 45 años
ininterrumpidos es la Estación Aeropuerto Ilopango. Esta estación se encuentra en la región central
de El Salvador.
RESEÑA ACERCA DE LA DISPONIBILIDAD DE DATOS
Período de serie de datos registrados a lo largo del tiempo. De la observación se deduce que son muy
escasos los años con registros de lluvias.
Nº
ESTACIÓN
Departamento
LATITUD
LONG.
ELEV
Grad
Min
Grad
Min
56
1
Guija
Santa Ana
14
14
89
28
485
2
Planes de
Montecristo
Santa Ana
14
24
89
22
1860
3
Nueva Concepción
Cahalatenango
14
7.5
89
17.4
320
4
Concepción
Quezaltepque
Cahalatenango
14
5.5
88
57.4
460
5
La Palma
Cahalatenango
14
17.5
89
9.7
1000
6
Las Pilas
Cahalatenango
14
21.9
89
5.4
1960
7
El Paraiso
Cahalatenango
14
6.5
89
4.3
270
8
Chorrera del
Guyabo
Cabañas
14
0.0
88
45
190
9
Sensuntepeque
Cabañas
13
52
88
39
650
10
San Gerardo
San Miguel
13
48.7
88
24.5
200
11
Ciudad Barrios
San Miguel
13
45.9
88
16.3
860
12
Sesori
San Miguel
13
42.8
88
21.8
195
13
San Francisco
Gotera
Morazan
13
41.8
88
6.4
250
14
Joateca
Morazan
13
53.6
88
2.6
820
15
El Tablon
Morazan
13
44.0
88
0.5
770
16
Meanguera
Morazan
13
51.0
88
9.2
360
17
Osicala
Morazan
13
48.4
88
9.2
560
18
La Galarera
Morazan
14
2.6
88
5.2
1900
19
Perquín
Morazan
13
57.5
88
9.7
1225
20
Corinto
Morazan
13
48
87
58
820
21
Pasaquina
La Unión
13
35
87
50
60
22
Poloros
La Unión
13
49
87
49
385
S/D
33
29
20
45
89
89
89
89
20
52
42
55
950
960
478
1780
S/D
S/D
S/D
S/D
23
24
25
26
Esquipulas
Ceibita
Asunción Mita
Potrero Carrillo
Guatemala
Chiquimula
14
Jalapa
14
Juliapa
14
Jalapa
14
DATOS DE PRECIPITACION MAXIMA ABSOLUTA ANUAL
Datos Pluviométricos
Datos Pluviográficos
Año
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 2001
Faltan Datos en el Año
COORDENADAS
Faltan Datos de Julio a Diciembre
DATOS PLUVIOGRÁFICOS
S/D
DATOS PLUVIOGRÁFICOS
S/D
DATOS PLUVIOGRÁFICOS
DATOS PLUVIOGRÁFICOS
DATOS PLUVIOGRÁFICOS
DATOS PLUVIOGRÁFICOS
DATOS PLUVIOGRÁFICOS
2002
2003
2004
2005
2006
RESEÑA ACERCA DE LA DISPONIBILIDAD DE DATOS
Pluviográfica
Tipo
Nombre
Período
Característica
ILOPANGO
1956-2006
PATRÓN
GUIJA
1961-1982
REPRESENTATIVA
NVA. CONCEPCIÓN
1967-1984
REPRESENTATIVA
CHORREA DEL
GUAYABO
1956-1984
REPRESENTATIVA
SESUNTEPQUE
1971-1984
REPRESENTATIVA
CORINTO
1968-1981
REPRESENTATIVA
EL PARAISO
1969-1983
REPRESENTATIVA
ESTACIÓN PATRÓN
ESTACIONES REPRESENTATIVAS
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Precipitación Promedio Anual. Estaciones Pluviográficas y Pluviométricas analizadas
ANÁLISIS DE RESULTADOS
23
Estaciones
- Confiabilidad de la información,
según informaciones suministradas por el SNET;
- Extensión de sus registros, en particular hasta
el año 2005 o 2006;
- localización plani-altimétrica de la estación.
Proceso
de
selección
7 Estaciones
Selecccionadas
Radio de cobertura de cada estación se estima cercano a 1200 km2
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Curvas IDF - ILOPANGO - S. Larga (1953-2005)
400
ESTACIÓN PATRÓN
“Ilopango”
375
350
325
300
Curvas IDF - ILOPANGO - S. Corta (1960-1985)
300
275
Intensidad [mm/hr]
275
250
225
200
175
Intensidad [mm/hr]
150
250
125
225
100
75
200
50
175
25
150
0
0
125
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
Duración [min]
TR 500
100
TR200
TR100
TR50
TR25
TR20
TR10
TR5
TR3
TR2
75
50
Curva IDF resultante
25
0
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180
200 220 240 260 280 300
320 340 360 380
Duración [min]
TR 500
TR200
TR100
TR50
TR25
TR20
TR10
TR5
TR3
TR2
Serie Larga vs. Serie Corta
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Comparación de Curvas IDF
ESTACIÓN PATRÓN
“Ilopango”
(Serie Larga vs. Serie Corta)
Com paración Curvas IDF - ILOPANGO - (S. Larga Vs. S. Corta)
400
375
Si se comparan ambas curvas se
nota un marcado incremento para
duraciones menores a 120 minutos
y tiempos de retorno mayores a 50
años.
350
325
300
Intensidad [mm/hr]
275
250
225
200
175
Con estos factores incrementales
se procedió a transformar las
series cortas del resto de las
estaciones pluviográficas en series
largas.
150
125
100
75
50
25
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Duración [m in]
TR 500-SC
TR 100-SC
TR 50-SC
TR 500-SL
TR 100-SL
TR 50-SL
200
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Curvas IDF Sesuntepeque - Serie Transformada Larga
Curvas IDF Corinto - Serie Transformada Larga
375
400
350
375
325
350
300
325
275
300
250
Intensidad [mm/hr]
250
225
200
175
225
200
175
150
150
125
125
100
100
75
75
50
50
25
25
0
0
0
0
20
40
Tr 500
60
80
Tr 200
100
120
Tr 100
140
Tr 50
160
180
200
220
240
Duración [m in]
Tr 25
Tr 20
260
280
300
320
340
360
20
40
Tr 5
Tr 3
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
Duración [m in]
Serie1
Tr 10
60
380
Serie2
Serie3
Serie4
Serie5
Serie6
Serie7
Serie8
Serie9
Serie10
TR 2
Curvas IDF Guija - Serie Transformada Larga
275
Curvas IDF Chorrea Guayabo - Serie Transformada Larga
350.00
250
325.00
225
300.00
275.00
200
250.00
175
Intensidad [mm/hr]
Intensidad [mm/hr]
Intensidad [mm/hr]
275
150
125
100
225.00
200.00
175.00
150.00
125.00
75
100.00
75.00
50
50.00
25
25.00
0
0.00
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
0
380
20
40
60
80
100
120
140
160
TR500
TR100
TR25
TR5
TR200
TR50
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
Duración [m in]
Duración [m in]
TR20
TR10
TR3
TR2
Serie1
Serie2
Serie3
Serie4
Serie5
Serie6
Serie7
Serie8
Serie9
Serie10
380
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El estudio hidrológico contempló la caracterización de cuencas, obtención de Tormentas de
Proyecto, cálculo de Caudales de Escurrimiento para todos los Cruces Tipo II y Tipo III y
definición de caudales sobre los Puentes en el Río Lempa teniendo en cuenta todos los aspectos
hidrológicos hidráulicos que presenta esta cuenca (Presas, ,etc.).
Sobre un área de drenaje de aproximadamente 18.176 km2 se procedió a la elaboración de distintas
Curvas IDF en función de datos pluviográficos, pluviométricos e hidrométricos de distintas
estaciones de medición dentro de la zona norte de El Salvador (Centroamérica). Tiene un desarrollo
de más de 600 km de extensión entre vías principales y secundarias.
La información con la que se contó fue escasa y muy variada, no solo en ubicación territorial dentro
de la cuenca, sino también en cuanto a la longitud de años registrados. Por ello se procedió a
identificar estaciones de medición de precipitación patrones y representativas
Se procedió al tratamiento básico de la información pluviográfica y pluviométrica, a través de un
análisis estadístico. Luego con toda la información ya procesada se procedió a la estimación básica de
las Curvas Intensidad-Duración Frecuencia
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Como algunas estaciones de medición poseían datos de series más largas (mayor cantidad de años
registrados), se procedió a realizar una transformación de series cortas a largas a través de un factor
multiplicador
De esta forma se logró prolongar las series cortas y transformarlas a series largas contemplando los
fenómenos meteorológicos registrados en las últimas décadas. Así, se definirán coeficientes de
mayoración (relación entre series largas y cortas), que podrán variar (o no) en función de la
recurrencia. De esta forma se estimaron curvas I-D-F en toda la zona bajo estudio en la cuales se
contempló los eventos meteorológicos severos producidos en el País (Tormenta Stan y Mitch).
Se recomienda iniciar políticas de gestión para incrementar los puntos de medición pliviográficos e
hidrométricos en dstintas zonas del País, principalmente la región bajo estudio, a fin de poder
caracterizar mejor aún el comportamiento hidrológico de las cuencas del noerte del pais.
Para ello se recomienda trabajar mancomunadamente con organismos nacionales como SNET con
amplia trayectoria y experiencia en Sistemas de medición en El Salvador.
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