UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS Evaluación de hidrogramas en la parte alta de la cuenca del río La Antigua, Ver., aplicando el modelo HEC-HMS TESINA Que para evaluar la experiencia educativa Experiencia Recepcional (MEIF) del Programa Educativo Licenciatura en Ciencias Atmosféricas Presenta VICTORIA DE LOS ÁNGELES ULLOA GUTIÉRREZ Dr. Juan Cervantes Pérez Director Xalapa-Enríquez, Veracruz M. en I. Domitilo Pereyra Díaz Director Septiembre 2013 1 Agradecimientos A Dios, por darme la sabiduría para poder concluir esta meta en mi vida, a pesar de los obstáculos y dificultades. A mis padres y hermano, por estar conmigo siempre apoyando cada uno de mis pasos, por su amor y comprensión ante cada uno de mis tropiezos. A ti Josué por ser parte de mi historia, por tu amor, tu paciencia, por motivarme siempre para seguir mis sueños. A mi princesa Alicea, por ser mi razón de ser, mi mayor inspiración de lucha. Al Dr. Juan Cervantes por creer y confiar en mí, Por el apoyo que siempre me brindo, por guiarme en este camino. 2 Dedicatoria A mi pequeña princesa Alicea te dedico este y todos los logros de mi vida, porque eres y serás siempre mi razón de existir, mi fuerza, mi inspiración, simplemente eres mi todo. 3 ÍNDICE Página 1. INTRODUCCIÓN 2 1.1 Hipótesis 3 1.2 Objetivo 3 2. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO 2.1 2.2 Climatología Tipos de climas 5 6 2.3 Hidrografía 8 2.4 8 2.5 Sistemas atmosféricos a escala regional que afectan a la región Uso de suelo 2.6 Escurrimiento 9 3. METODO 11 3.1 3.2 Descripción del modelo HEC-HMS Componentes dentro del software 11 12 3.2.1 3.2.2 3.3 3.4 3.5 Modelo de cuenca Modelo meteorológico Especificaciones de control Datos de entrada Calibración del modelo HEC-HMS 12 12 13 13 13 3.6 Método del Flujo Base (Baseflow Method) 17 3.7 Método de transformación (Method transform) 17 3.8 Datos de precipitación 18 19 4. RESULTADOS 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 35 6. REFERENCIAS 37 4 9 4 1. INTRODUCCIÓN En la hidrología es importante predecir algunas variables físicas y análisis de las cuencas hidrográficas, como son el escurrimiento, evapotranspiración, infiltración, entre otros dentro de un determinado tiempo y lugar en específico. Para la predicción de las variables se utilizan modelos numéricos de lluviaescurrimiento que se adapten a las características de una cuenca hidrográfica, entre estos modelos se encuentra el HEC-HMS (Hydrologic Engineering CenterHydrologic Modeling System), a lo largo de una cuenca y el escurrimiento generado por ésta (García, 2011). Una avenida es la elevación del nivel del agua significativamente mayor que el flujo medio de éste. Durante la crecida, el caudal de un curso de agua aumenta en tales proporciones que el lecho del río puede resultar insuficiente para contenerlo. Las afectaciones traen consigo cambios sensibles en la morfología de las márgenes y del lecho del río, ocasionando desbordes significativos. Para minimizar dichos desbordes, una adecuada defensa ribereña, un enrocado o la construcción de muros, pueden ser ciertamente efectivos para prevenir este tipo de daños. El gasto máximo, es utilizado principalmente para diseñar puentes y alcantarillas en ciertos tramos de un cauce, y la avenida máxima, es empleada para diseñar presas de almacenamiento, dado que el hidrograma de esta permite conocer el volumen de agua que llegara al vaso, en función del cual se diseña la cortina de la presa, así como su vertedor y su compuerta (Ferrer, 2000). El ciclo hidrológico se puede esquematizar como un estímulo constituido por la precipitación, al que la cuenca responde mediante el escurrimiento a su salida (Aparicio, 2008), por medio de modelos numéricos se puede simular su comportamiento y relacionarlo con la precipitación de la cual una parte es captada por la vegetación y otra parte se infiltra para satisfacer las carencias de humedad del suelo y alimentar a los mantos acuíferos, los cuales se les denomina pérdida al escurrimiento (Linsley et al.,1977; Chow et al.,1994). 5 Tomando en cuenta esta variable y las características físicas de la cuenca se puede utilizar el modelo HEC-HMS. El modelo numérico HEC-HMS se utilizó para simular el escurrimiento generado por tormentas severas, que se presentan en la parte alta de la cuenca del rio La Antigua, para el periodo de años 19942008, con excepción del año 1997 (este año se excluye debido a la carencia de datos los cuales no permiten analizar el periodo de lluvias ocurrido dentro del mismo año). Se tomó en cuenta la parte alta de la cuenca del río La Antigua debido a la importancia que esta tiene sobre la problemática del desabasto de agua de la ciudad de Xalapa y su zona conurbada, la cual abarca a los municipios que están dentro de la zona de estudio. La construcción de una presa en dicha zona favorecerá en gran medida la solución de esta problemática y traerá beneficios a la población tanto económicos, sociales, productivos y turísticos.1 1.1 Hipótesis Utilizar el modelo HEC-HMS para evaluar los hidrogramas de la estación hidrométrica Jalcomulco, perteneciente a la cuenca del río La Antigua. 1.2 Objetivo Comparar los hidrogramas de la estación hidrométrica Jalcomulco (datos observados) con los hidrogramas estimados por el modelo HEC-HMS para tormentas severas, del periodo 1994- 2008. 1 http://www.lapolitica.com.mx/?p=139828,consultado mayo 2013 6 2. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA DE ESTUDIO La cuenca del río La Antigua pertenece a la región hidrológica número 28 del río Papaloapan, se localiza en la porción sudoccidental del Golfo de México. El río La Antigua tiene su origen en la Sierra Madre Oriental a 3750 msnm en el oriente de la población González Ortega del estado de Puebla, el cual se caracteriza por tener pendientes demasiado pronunciadas (CNA, 1998). La parte alta de la cuenca del río La Antigua hasta la estación hidrométrica de Jalcomulco (para fines prácticos se llamará subcuenca Jalcomulco) se encuentra ubicada geográficamente entre los 19°10'0" y 19°35'0" latitud norte, y los 96°45'0" y 97°20'0" longitud oeste (figura 1); tiene un área aproximada de 2827 km2 hasta la desembocadura, y 1389.934 km2 desde la parte más alta que se ubica en las faldas del Cofre de Perote (ligeramente arriba de la estación de Tembladeras) hasta la parte media donde se ubica la estación hidrométrica Jalcomulco, a la cual se consideró zona de estudio ( Pereyra et al., 2007a).La cuenca del río La Antigua es una de las más importantes del centro de Veracruz, aunque también comprende una pequeña porción del estado de Puebla. En Veracruz el área de interés abarca varios municipios importantes, entre ellos Xalapa y Coatepec. Figura 1. Ubicación geográfica de la zona de estudio en una imagen de satélite LandSat 7 y modificada con el software ArcGis V.10. 7 2.1 Climatología Tejeda et al., (1989) dicen que los factores determinantes del clima son: la altitud, la orografía, la distribución de tierras y aguas, las corrientes marinas y las tormentas junto con sus trayectorias. A los tres primeros factores se les considera “controles permanentes”, y a los dos últimos “controles variables”. Por lo que se refiere al primer control permanente, el estado de Veracruz queda comprendido entre latitudes tropicales, pero su parte norte no está lejos del Trópico de Cáncer, por lo que habrá de esperarse que también afecten los fenómenos extratropicales (Tejeda et al, 1989). La orografía en la zona de estudio es en parte escarpada por lo que inducirá embalses, encañonamientos, elevamientos forzados del aire, desviaciones, etc., que modifiquen sustancialmente los efectos de las tormentas y las masas de aire que afectan a la zona de estudio la cual se delimitada como la subcuenca de la estación hidrométrica de Jalcomulco, y a su vez impedirán que se contemplen condiciones climáticas homogéneas en todo ese territorio (Tejeda et al, 1989). Debido a la interacción de todos los factores antes mencionados el clima de la zona de estudio varía de cálido húmedo en la planicie costera a templado húmedo en Xalapa con lluvias todo el año, y más arriba en la parte montañosa el clima es semi-frío subhúmedo con lluvias en verano (Jáuregui, 2004). La temperatura media anual de la subcuenca de Jalcomulco es, aproximadamente, de 22.3 °C y oscila entre los 18.7 °C y 25.2 °C. En los meses de abril y mayo se presentan los valores más altos y en noviembre, diciembre, enero y febrero las temperaturas más frías, las temperaturas más bajas se registran en Ixhuacan y Tembladeras. La precipitación media anual es de 1393 mm, con valores altos en la zona alta de la subcuenca, mayores a 2000 mm, y valores bajos en la parte central, entre 900 8 y 1000 mm. La evaporación media anual es de 1340 mm, en los meses de marzo a mayo es más intensa, y en el mes de diciembre se presenta el valor mínimo2 2.2 Tipos de climas En la cuenca La Antigua los climas se distribuyen paralelos a la línea de costa, en dirección NE-SE (figura 2), de la siguiente manera: cálidos, semicálidos, templados, semifríos y semisecos, en los cuales predominan las lluvias en verano (Pereyra et al., 2007).A continuación en la tabla 1 se resumen las características de cada uno de éstos. Las zonas de la cuenca con climas semicálidos húmedos, suelen tener lluvias durante todo el año. Este clima constituye la transición de los cálidos a los templados. Tabla 1. Características de los tipos de climas de la zona de estudio. Tipo de clima Características C(f) Templado húmedo, temperatura media anual entre 12°C y 18°C, temperatura del mes más frio entre -3°C y 18°C y temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el mes más seco mayor de 40 mm; lluvias todo el año y porcentaje de lluvia invernal mayor al 18% del total anual. Cálido subhúmedo, temperatura media anual mayor de 22°C y temperatura del mes más frio mayor de 18°C. Precipitación del mes más seco menor de 60 mm; lluvias de verano con índice P/T entre 43.2 y 55.3 y porcentaje de lluvia invernal del 5% al 10.2% del total anual. Semicálido subhúmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura del mes más frio menor de18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C. Precipitación del mes más seco menor a 40 mm; lluvias de verano con índice P/T mayor de 55 y porcentaje de lluvia invernal del 5% al 10.2% del total anual. Semicálido subhúmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura del mes más frio menor de 18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C. Precipitación del mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano con índice P/T entre 43.2 y 55 y porcentaje de lluvia invernal del 5% al 10.2% anual. Semicálido húmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura del mes más frio menor de 18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C. Con precipitación anual mayor de 500 mm y precipitación del mes más seco mayor de 40 mm; lluvias de verano y porcentaje de lluvia invernal mayor al 10.2% del total anual. Semifrio húmedo con verano fresco largo, temperatura media anual entre 5°C y 12°C, temperatura del mes más frio entre -3°C y 18°C, temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano y porcentaje de lluvia invernal mayor al 10.2% del total anual. Semifrio subhúmedo con verano fresco largo, temperatura media anual entre 5°C y 12°C, Aw (A)C(w2) (A)C(w1) (A)C(m)(f) Cb'(m)(f) Cb'(w2) 2 http://smn.cna.gob.mx/productos/normales/cnormales.html,consultada agosto 2012 9 (A)C(fm) C(m)(f) C(w2) temperatura del mes más frio entre -3°C y 18°C, temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano y porcentaje de lluvia invernal del 5 al 10.2% del total anual. Semicálido húmedo del grupo C, temperatura media anual mayor de 18°C, temperatura del mes más frio menor de 18°C, temperatura del mes más caliente mayor de 22°C. Precipitación del mes más seco mayor a 40 mm; lluvias entre verano e invierno y porcentaje de lluvia invernal menor al 18% del total anual. Templado húmedo, temperatura media anual entre 12°C y 18°C, temperatura del mes más frio entre -3°C y 18°C y temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano y porcentaje de lluvia invernal mayor al 10.2% del total anual. Templado subhúmedo, temperatura media anual entre 12°C y 18°C, temperatura del mes más frio entre -3°C y 18°C y temperatura del mes más caliente bajo 22°C. Precipitación en el mes más seco menor de 40 mm; lluvias de verano con índice P/T mayor de 55 y porcentaje de lluvia invernal del 5 al 10.2% del total anual. Clasificación de climas Simbología Elaboro: Victoria de los Ángeles Ulloa Gutiérrez Figura 2.Clasificación de climas para la parte alta de la Cuenca de La Antigua. Carta de climas, INEGI 2007. 10 2.3 Hidrografía El río La Antigua nace en la Sierra Madre Oriental, con el nombre de río Sumidero, a una altitud de 3345 msnm, al oriente de la población González Ortega del estado de Puebla. Fluye hacia el sureste en terrenos montañosos y a la altura del rancho Calixitla, varía su rumbo hacia el este-noreste hasta la confluencia con el río Barranca Grande, a 3 km al norte del cerro con el mismo nombre; en este sitio el colector general cambia su nombre a río Los Pescados, sigue su curso sureste y en los límites de los estados de Puebla y Veracruz lo cambia al noreste; aguas abajo de este punto recibe por margen izquierdo al río Cozolapa. En esta confluencia el colector general cambia su nombre a río La Antigua; sigue su curso sureste, pasando por el poblado Jalcomulco, Veracruz, es en este punto donde se localiza la estación hidrométrica que delimita la subcuenca en estudio. (Pereyra y Pérez, 2006). 2.4 Sistemas atmosféricos a escala regional que afectan a la región son: Las masas de aire polar que descienden en altitud desde Norteamérica en la estación fresca (noviembre a abril) asociadas a un aumento de nubosidad y precipitación así como con vientos del Norte que pueden ser violentos en la costa. Con la llegada del viento Norte se abate la temperatura (ligeramente en la planicie costera y marcadamente a medida que se asciende en la montaña) aumentando la humedad ambiente (Jáuregui, 2004). Durante los meses del verano el clima está regido por la corriente húmeda y cálida de los vientos alisios, del Atlántico Tropical, que en ocasiones acarrean tormentas tropicales, aunque rara vez se ve afectada la región por un ciclón (Jáuregui, 2004). La presencia del aire polar sobre la vertiente veracruzana está asociada con la presencia de los frentes fríos (nortes) y consiste en un desprendimiento de la masa polar por el norte del Golfo de México cuyo efecto generalmente no es tan profundo. En el mes de Junio se establece el aire tropical, el cual se manifiesta 11 en los vientos alisios los cuales soplan del Golfo al continente. En ocasiones, en los vientos alisios viajan las “ondas del este”, cuyo eje cambia de dirección e intensidad ocasionando una inestabilidad atmosférica. Cuando las “ondas del este” alcanzan el nivel de depresión o tormenta tropical y llegan a chocar o a pasar cerca de la vertiente del Golfo de México, dejan considerable cantidad de lluvia sobre la zona de estudio. Como fue el caso del año 2005 con el Huracán Stan el cual impacto el estado de Veracruz y causó daños a la entidad. 2.5 Uso de suelo De acuerdo con la asociación de usuarios COANALAG (Concesionaria de Aguas Nacionales para la Agricultura y la Ganadería) con la ubicación geográfica de la cuenca del río La Antigua y las condiciones climatológicas de la región, su disposición agrícola se ha vinculado principalmente al cultivo de la caña de azúcar, que representa el 81.9% del total de la superficie cosechada. El resto del patrón de cultivos está conformado por forrajes (9.3%), toronja (4.0%), maíz (1.6%), mango (1.3%) y, en menor proporción, café, hortalizas, frijol, papaya, limón y naranja (1.9%) (CONALAG, 2007). 2.6 Escurrimiento El escurrimiento es el agua proveniente de la precipitación, que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida, si se trata de una cuenca exorreica, y hacia su centro, si se trata de una cuenca endorreica (Aparicio, 2008). El agua proveniente de la precipitación que llega hasta la superficie terrestre, una vez que una parte ha sido interceptada y evaporada, sigue diversos caminos hasta llegar a la salida de la cuenca. Se pueden dividir estos caminos en tres clases: escurrimiento superficial, subsuperficial y escurrimiento subterráneo (Aparicio, 2008). Una vez que la precipitación alcanza la superficie del suelo, se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan. Posteriormente, se comienzan a 12 llenar las depresiones del terreno y, al mismo tiempo el agua comienza a escurrir sobre su superficie (Aparicio, 2008). Este escurrimiento se llama flujo en la superficie del terreno, se produce mientras el agua no llega a cauces bien definidos, es decir que no desaparecen entre dos tormentas sucesivas. En su trayectoria hacia la corriente más próxima, el agua que fluye sobre el terreno se sigue infiltrando e incluso se evapora en pequeñas cantidades. Una vez que llega a un cauce bien definido se convierte el escurrimiento en corrientes (Aparicio, 2008). El flujo sobre el terreno, junto con el escurrimiento en corrientes, forma el escurrimiento superficial. Una parte del agua de lluvia que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo más o menos paralelamente a él. A esta parte el escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial; la otra parte, que se infiltra hasta alcanzar el nivel freático, se denomina escurrimiento subterráneo (Domínguez, 1981). De los tres tipos de escurrimiento, el superficial es el que llega más rápido a la salida de la cuenca. Por esta razón está relacionado directamente con una tormenta en particular y se dice que proviene de la precipitación en exceso o efectiva, de la tormenta, a este escurrimiento se le llama escurrimiento directo (Domínguez, 1981). Lo realmente importante en el escurrimiento es la rapidez con que una cuenca responde a una tormenta, pues esto es lo que determina la magnitud de las correspondientes avenidas (Aparicio, 2008). En lo que se refiere a la subcuenca de Jalcomulco perteneciente a la cuenca del río La Antigua suele tener escurrimientos extraordinarios originados por la inexistencia de presas de almacenamiento ni de control de avenidas. Dichos escurrimientos provocan desbordamientos e inundaciones en la parte baja de la subcuenca, causando pérdidas materiales a la población de los municipios aledaños. 13 3. MÉTODO 3.1 Descripción del Modelo HEC-HMS El modelo HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System) fue diseñado para simular procesos de lluvia-escurrimiento en sistemas de cuencas dendríticas. Se usa en estudios de disponibilidad de agua, drenaje urbano, pronóstico de avenidas, futuras urbanizaciones, reducción del daño por inundaciones, etc. (Scharffenberg y Fleming, 2008). El modelo HMS se usa para simular la respuesta hidrológica de una cuenca. Incluye los componentes como son: modelos de cuenca, modelos meteorológicos, especificaciones de control y datos de entrada. El modelo HMS crea una corrida de simulación, combinando los componentes y las especificaciones. Puede hacer corridas de precipitación o de la proporción de flujo, tiene la capacidad de salvar toda la información del estado de la cuenca en un determinado tiempo, y la habilidad de comenzar una nueva corrida de simulación basada en la información de estado previamente guardada. El software HEC-HMS ofrece un ambiente de trabajo totalmente integrado, incluyendo una base de datos, utilerías de la entrada de datos, el procesador del equipo de cómputo, y una herramienta que muestra los resultados en forma numérica y gráfica. Un interfaz de uso gráfico permite el movimiento entre las diversas partes del programa. La funcionalidad y el aspecto del programa son igual a través del entorno Microsoft Windows o Linux. Es un programa de simulación hidrológica, lineal y semidistribuido, desarrollado para estimar hidrogramas de salida de una cuenca o varias subcuencas (escurrimiento máximos y tiempo pico) a partir de condiciones extremas de lluvias, aplicando para ello algunos de los métodos de cálculo de hietogramas (precipitación total y de exceso), pérdidas por infiltración, escurrimiento base, etc. El hidrograma generado por el programa es usado directamente o conjuntamente con otro software para estudios de disponibilidad de agua, drenaje urbano, pronóstico de avenidas, impacto de la urbanización futura, diseño de vertedores 14 de presas, reducción del daño por inundación, regulación de la planicie de inundación, y de la operación de sistemas (Scharffenberg y Fleming, 2008). 3.2 Componentes dentro del software 3.2.1 Modelo de cuenca El modelo de cuenca representa la cuenca física, el usuario lo desarrolla agregando y conectando elementos hidrológicos. Para definir la estructura de la zona de estudio, dado que se pueden agregar varios elementos hidrológicos, el software considera los siguientes elementos: a) Subcuencas (subbasins) b) Tramos de tránsito (routing reach) c) Uniones (junctions) d) Embalses (reservoirs) e) Fuentes (Sources) f) Sumideros (sinks) g) Derivaciones (diversions) En los modelos de cuenca, se proporciona al programa de las distintas subcuencas y sus características, como el área, el método que se usará para la obtención del hidrograma, número de curva y el tiempo de retraso, entre otros. 3.2.2 Modelo meteorológico El modelo meteorológico calcula la entrada de precipitación requerida por un elemento (subcuenca). El programa usa datos de lluvia y puede modelar lluvia congelada o líquida junto con evapotranspiración. Incluye varios métodos de precipitación (tormenta frecuente, medidores de lluvia). Dentro del modelo meteorológico introducimos los datos del pluviómetro que se utilizó y lo asignamos a la subcuenca. 15 3.3 Especificaciones de control En las especificaciones de control se fija el lapso de tiempo de una corrida de simulación. Se establece la fecha y hora de inicio de la lluvia y el término de la misma con un intervalo de tiempo que puede variar según nuestra conveniencia. 3.4 Datos de entrada La información que necesita el programa está relacionada directamente con los métodos de cálculo que maneja. Existen cinco grupos básicos de información que deben suministrarse al HEC-HMS para efectuar las simulaciones: 1. Precipitación histórica o de diseño. 2. Características del suelo. 3. Información morfométrica de las subcuencas. 4. Datos hidrológicos del proceso de transformación de lluvia en escorrentía. 5. Características hidráulicas de los tramos de canal y de la capacidad de los embalses (métodos de tránsito).Para la calibración, validación y análisis de sensibilidad del modelo, además de la información anterior se necesitan: Registros concordantes de precipitación y caudales de salida (hietogramas e hidrogramas). Determinación de las condiciones iniciales de humedad en los suelos. Para alimentar los datos de precipitación, se introduce el tiempo y la lluvia registrada por cada pluviómetro localizado en las estaciones climatológicas. 3.5 Calibración del modelo HEC-HMS Se eligió el método de número de curva del United States Soil Conservation Service (USSCS, 1957) cuyos parámetros se obtienen de la siguiente manera. 16 Primero se clasifica el tipo de suelo de la zona de estudio, con ayuda de mapas de edafología, así como, con las claves de la clasificación de la FAO/UNESCO, 1974 delimitando la zona de estudio en el mapa de edafología (figura 3), en la tabla 2 se indican las características de los tipos de suelos. Clasificación edafológica Elaboro: Victoria de los Ángeles Ulloa Gutiérrez Figura 3. Clasificación edafológica de la zona de estudio. Realizada con la carta de Edafología serie III escala 1:250,000 INEGI 2007. Y modificada con el software ArcGis V.10. 17 Tabla 2. Características de los distintos tipos de suelo de la zona de estudio. I Clave Clasificación Litosol Th Andosol húmico To Andosol Ócrico Vp Vertisol Pélico Hh Feozem Háplico Lo Luvisol Órtico E Rendzina Ao Acrisol Ortico Características Arenas con poco limo y arcilla; suelos muy permeables. Muy ligeros, con gran capacidad de retención de agua y nutrientes. Andosol muy limoso o arcilloso a menos de 50 cm de profundidad; tiene una capa superficial clara y pobre en materia orgánica y nutrientes. Textura fina de color negro con abundante arcilla. Se hinchan con la humedad y se agrietan cuando están secos. Estos suelos suelen emplearse en cultivos de arroz, caña de azúcar y pastos. Arenas muy finas. Pueden presentar casi cualquier tipo de vegetación en condiciones naturales. Suelo con alto contenido de arcilla. Suelos con mucha arcilla acumulada en el subsuelo. Se diferencian de los Acrisoles en que son más fértiles en general. Suelos con menos de 50 cm de espesor que están encima de rocas duras ricas en cal. La capa superficial es algo gruesa, oscura y rica en materias orgánicas y nutrientes. Arcilla en grandes cantidades; suelos pocos profundos muy impermeables con alto contenido de materia orgánica. Para la ejecución del modelo HMS, es importante conocer el tipo de suelo para la región de estudio ya que este influye de manera directa en el número de curva (NC) del método del United States Soil Conservation Service (USSCS, 1957), esto se ilustra en la figura 4. Las tablas de uso de la tierra y cobertura vegetal para determinar Número de Curva y la clasificación de suelos han sido usadas en análisis pasados por García (2011), Arano (2013) y Ramírez (2013). 18 Uso de suelo Elaboro: Victoria de los Ángeles Ulloa Gutiérrez Figura 4. Distribución de uso de suelo para la zona de estudio. Realizada con el Conjunto de datos vectoriales de la carta de uso de suelo y vegetación de serie IV escala 1:250,000 INEGI 2007 e imágenes LandSat 7. Una de las variables de entrada es la abstracción inicial, para estimarla se utiliza la Ec. 1 (Arlen, 2000). ( ) (Ec. 1) Otro dato que utiliza el modelo HMS es el tiempo de retardo (Tr) estimado por tiempo de concentración Tc y este se estima con la fórmula de Kirpich Ec. 2, la cual se expresa de la siguiente forma (Aparicio, 2008): (Ec. 2) Donde L es la longitud del cauce principal en metros y S es la pendiente promedio del cauce; el tiempo de retardo es el 60% del tiempo de concentración. 19 3.6 Método del Flujo Base (Baseflow Method) Este método requiere los siguientes datos de entrada del flujo base de cada tormenta: Initial discharge (m3/s) 3.7 Método de transformación (Method transform) En este apartado solo se requiere el tiempo de retraso, y algunas características de la subcuenca las cuales se encuentran en la tabla 3. Tabla 3. Características principales que se utilizaron para alimentar al modelo HMS. Longitud del río Antigua Cauce principal En línea recta (Cofre de Perote a la estación hidrométrica Jalcomulco) Altitud Altura mínima (Estación hidrométrica Jalcomulco) Altura máxima (Cofre de perote) Pendiente Número de curva Tiempo de retraso 3.7 horas Tr =132 minutos Abstracción inicial del suelo ( ) Área de la cuenca 20 3.8 Datos de precipitación Los datos de precipitación que alimentan al modelo se muestran en el apartado de resultados los cuales se obtuvieron de la base de datos CLICOM. Para calcular la precipitación promedio de la zona de estudio, de cada tormenta, se utilizó la técnica de los polígonos de Thiessen Ec.3 (Aparicio, 2008). ∑ (Ec. 3) Donde: = Área de influencia de la estación = Área total de la cuenca = Precipitación de la estación El método de Thiessen toma en cuenta la no uniformidad de la distribución espacial de la lluvia mediante un factor de ponderación. Dicho método se ve ilustrado de manera general en la figura 6. Figura 6.Esquema general del trazo de polígonos de Thiessen en una cuenca. 4. RESULTADOS 21 Los datos de precipitación, que alimentaron al modelo, se tomaron de cinco estaciones climatológicas e hidrométrica, las cuales se muestran en la tabla 5 y se ubican geográficamente en la figura 6. Estas estaciones cuentan con registros climatológicos del periodo 1994-2008, para el análisis de los datos se omitió el año 1997 debido que no todas las estaciones cuentan con registros. Tabla 5. Estaciones climatológicas consideradas para hacer el análisis de las tormentas. NÙMERO DE LA ESTACION 30076 NOMBRE DE LA ESTACIÒN Jalcomulco (CFE) 30175 Tembladeras Xico -97.11 19.51 3102 30209 Ixhuacan de los Reyes (CFE) Ixhuacan de los Reyes -97.11 19.35 1802 30311 Cosautlan Cosautlan de Carvajal -96.99 19.33 1274 30228 Las Animas Xalapa -96.88 19.5 1281 MUNICIPIO LONG LAT ALTITUD(msnm) Jalcomulco -96.76 19.33 335 22 Figura 6.Localizacion de las estaciones climatológicas e hidrométrica dentro de la zona de estudio; en una imagen satelital LandSant 7 y modificadas con el software ArcGis V.10. La metodología ya descrita se aplicó para el periodo de 1994 al 2008, de los cuales se seleccionaron seis tormentas, ocurridas dentro de la subcuenca. De este periodo las tormentas simuladas de los años 1994, 1996,1998, 2004, 2005 y 2008 fueron satisfactorias esto fundamentado en el análisis estadístico realizado con los datos observados y simulados por el modelo HMS. Los mapas de isoyetas para las tormentas seleccionadas se ilustran en las figuras 7a a 12a. Los cuales nos dicen que el comportamiento de la precipitación es relativamente homogéneo para todas las tormentas seleccionadas teniendo el centro máximo de precipitación en la estación de Cosautlan y dispersándose hacia la parte alta de la subcuenca de manera uniforme. 23 precipitación (mm) (a) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 (b) Figura 7. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 1994 dentro del periodo de días del 14 al 20 de Septiembre (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta. 24 (a) precipitación (mm) 25 (b) 20 15 10 5 0 Figura 8. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 1996 dentro del periodo de días del 01 al 08 de Octubre (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta. 25 (a) precipitación (mm) 80 70 (b) 60 50 40 30 20 10 0 Figura 9. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 1998 dentro del periodo de días del 14 al 20 de Julio, (b) Hietograma representativo de la tormenta. 26 (a) Precipitación (mm) precipitación(mm) 25 20 15 (b) (b) 10 5 0 Figura 10. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 2004 dentro del periodo de días del 04 al 14 de Junio (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta. 27 (a) 90 precipitación (mm) 80 (b) 70 60 50 40 30 20 10 0 Figura 11. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 2005 dentro del periodo de días del 14 al 28 de Agosto (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta. 28 (a) Tormenta de 2008 precipitación (mm) 70 60 (b) 50 40 30 20 10 0 Figura 12. (a) Isoyetas de la tormenta ocurrida en el año 2008 dentro del periodo de días del 04 al 14 de Junio (mm/día), (b) Hietograma representativo de la tormenta. 29 Al ejecutar el modelo HMS con los datos, características y métodos establecidos, generó las figuras 13 a 18 en dichas figuras se observa similitud entre los hidrogramas estimados y observados, principalmente en su gasto máximo, con un desfase en el tiempo de pico. Gasto (m3/s) (a) 3 287 m /s (b) 3 Gasto (m3/s) 294.5 m /s Figura 13. Escurrimiento observado(a) y (b) estimado por el modelo HEC-HMS de la tormenta registrada durante los días15 al 22 de julio de 1998, en la parte alta de la cuenca. 30 (a) 3 Gasto 3 (m /s) 313.2 m /s 3 338.1 m /s (b) Gasto 3 (m /s) Figura 14. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta registrada durante los días 19 de agosto al 02 de septiembre de 2005, en la parte alta de la cuenca. 31 3 241.1 m /s 3 Gasto (m /s) (a) (b) 3 Gasto 3 (m /s) 231.9 m /s Figura 15. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta registrada durante los días 05 de junio al 14 de junio de 2008, en la parte alta de la cuenca. 32 (a) 3 235 m /s (b) 3 3 Gasto (m /s) 229.5 m /s Figura 16. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta registrada durante los días 14 de septiembre al 21 de septiembre de 1994, en la parte alta de la cuenca. 33 (a) 3 3 Gasto (m /s) 183 m /s (b) 3 3 Gasto (m /s) 124.1 m /s Figura 17. Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta registrada durante los días 01 de octubre al 14 de octubre de 1996, en la parte alta de la cuenca. 34 250 (a) 3 199 m /s(a) Gasto (m3/s) 200 150 100 50 18/06/2004 16/06/2004 14/06/2004 12/06/2004 10/06/2004 08/06/2004 06/06/2004 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 (b) 3 18/06/2004 16/06/2004 14/06/2004 12/06/2004 10/06/2004 08/06/2004 06/06/2004 04/06/2004 188.5 m /s 02/06/2004 3 Gasto (m /s) 04/06/2004 0 Figura 18.Escurrimiento observado (a) y estimado por el modelo HEC-HMS (b) de la tormenta registrada durante los días 06 de junio al 17 de junio de 2004, en la parte alta de la cuenca. Al comparar los hidrogramas observados y estimados por el modelo para los años analizados, se observa que el gasto máximo observado es ligeramente variante al gasto máximo estimado el cual se ilustra en la tabla 6. 35 Este análisis estadístico se puede ver en la figura 20; lo cual sustenta la simulación satisfactoria del modelo HMS, este análisis se realizó para cada una de las tormentas y el resultado no muestra gran variación. Se realizó con el software Office Excel (2007). La correlación ilustrada en la figura 19 muestra una alta confiabilidad entre los datos simulados por el modelo HMS y observados, esto de acuerdo al factor de correlación r que arroja un resultado mayor a 96 % de correlación entre los datos. Figura 19. Correlación entre el gasto máximo observado y el gasto máximo estimado por el modelo HEC-HMS. La correlación o coeficiente de correlación R2 mide la proporción de variación en la variable dependiente explicada por la variación en la o las variables independientes, es decir mide el grado de intensidad lineal de vinculación de las 36 variables, a partir de las variaciones observadas de los valores proyectados y de los valores reales.3 El comportamiento del tiempo de pico para las tormentas de los años 1994, 1996 y 2004 presenta un desfase de un día comparado con los hidrogramas observados registrado en la tabla 6, esto es debido a que el tiempo de retraso que transcurrió del centro de la masa de la precipitación al pico del hidrograma fue sobreestimado por el modelo HEC-HMS. Tabla 6. Comparación entre gastos máximos observados y estimados de cada una de las tormentas analizadas. Año Gasto máximo 3 observado (m /s) Gasto máximo 3 estimado (m /s) Día en el cual se presentó Qmáx 1994 235 229.5 16-sep-94 y 17-sep-94 1996 185 124.1 05-oct-96 y 03-oct-96 1998 287 294.5 17-jul-98 2004 198.96 188.5 13-jun-04 2005 313.2 338.1 23-ago-2005 y 24-ago-2005 2008 241.1 231.9 08-jun-2008 y 09-jun-2008 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 3 http://e-stadistica.bio.ucm.es/glosario/coef_corre.html, consultada Agosto 2013. 37 Al obtener los resultados de las simulaciones realizadas con el modelo HECHMS, se observó que para las tormentas analizadas dentro del periodo de años estudiados los resultados fueron satisfactorios debido a que los hidrogramas observados son similares en el gasto de pico a los simulados. Con los hidrogramas obtenidos por el modelo HEC-HMS, se concluye que: Los hidrogramas generados con el modelo HEC-HMS se ajustan a los datos reales, con una correlación de r2=0.96, con esto se puede decir que la simulación del gasto de pico es semejante al observado. El tiempo de pico tiene una variación de un día para algunos eventos, debido a que posiblemente los datos de escurrimiento y precipitación, dado que son promedios diarios ó porque las cartas que maneja Ia INEGI. El modelo HEC-HMS para las simulación realizadas dentro del periodo estudiado, sobreestima de manera ligera el escurrimiento de algunos casos analizados, esto posiblemente se deba a los datos utilizados o a las características de la cuenca que posiblemente no sean aplicables para todos los eventos; esto pudiera no ser suficiente para que el modelo simule de mejor manera el hidrograma de las avenidas. Por los resultados obtenidos en los hidrogramas se considera que la zona de estudio es una cuenca de respuesta rápida. Es de suma importancia considerar que el modelo HMS aún se puede mejorar, tanto como considerar hacer el análisis para cada año tomando en cuenta las condiciones que pudieran ocasionar un cambio en la zona de estudio. Después de haber alcanzado los resultados de este análisis es pertinente retomar algunos elementos que arrojó este proceso para prevenir desastres ocasionados por inundaciones, generadas por tormentas severas, que afectan en gran manera a las poblaciones ubicadas dentro de la parte alta de la cuenca del río La Antigua, las cuales tienen gran impacto para la población en la dimensión económica de la región por las afectaciones a los campos agrícolas y ganaderos. 38 Comparando los resultados obtenidos en este trabajo con los obtenidos en el capítulo “Escurrimiento generado por el Huracán Karl: una primera estimación” (Pereyra et al. Inundaciones 2010 en Veracruz),concluyo que las estimaciones que hace el modelo HEC-HMS son favorables ya que coinciden los días en los cuales se obtuvo el gasto máximo tanto estimado como registrado por la estación hidrométrica, de igual manera el comportamiento de los gráficos generados por los datos obtenidos se observa que la cuenca es de respuesta rápida, lo cual ya se había concluido en este trabajo, en ocasiones las simulaciones que hace el modelo HEC-HMS se ven afectadas por la falta de registros, lo cual ocurrió en el análisis realizado en el libro antes mencionado. 39 6. REFERENCIAS Aparicio, F. J., 2008. Fundamentos de Hidrología de Superficie. Limusa México, 303 pp. Arano-Rivera, D.J., 2013. Evaluación del escurrimiento en la cuenca del río Ídolos, Veracruz, variando el uso de suelo de manera extrema ante escenarios de cambio climático. Tesis para evaluar la Experiencia Educativa Experiencia Recepcional (MEIF) del programa educativo Licenciatura en Ciencias Atmosféricas. Facultad de Instrumentación Electrónica y Ciencias Atmosféricas. Universidad Veracruzana. 52 p. Arlen, D. F, 2000. Hydrologic Modeling System HEC-HMS.Technical Reference Manual CPD-74B. 441 G St., NW, Washington, DC, HQ U.S. Army Corps of Engineers, Washington, DC, USA. CFE, 1994-2008. “Boletín Hidrométrico Histórico”. Comisión Federal de Electricidad [CD-ROOM]. Chow V. T., D. R. Maiddment y L. W. Mays, 1994. Hidrología Aplicada. MacGraw-Hill, Colombia, 584pp. CLICOM, (2011). Sistema para el manejo automático de bases de datos climatológicos en computadoras personales. Comisión Nacional del Agua. CNA. (1998). Cartas de cuencas hidrológicas. Comisión Nacional del Agua. COANALAG.2007. Asociación de usuarios COANALAG módulo de riego La Antigua, Veracruz. Dominguez, R. (1981). Escurrimiento, Sección Hidrotecnia (A. 1 .3) del Manual de Diseño de Obras Civiles, C.F.E., México, 46pp. Ferrer, F. J. (2000). Recomendaciones para el cálculo hidrometeorológico de avenidas. CEDEX Madrid, 75pp. 40 Golden Software, 1999, Surfer (R). Surface Mapping System. Version 8. Golden Software, INC., 809 14 Th Street, Golden Software, Colorado 80401, USA. Gaitán R., J. De Anda and J. Nelson, 2008. Computation of changes in the runoff régimen of the Lake Santa Ana Watershed (Zacatecas, Mexico). Lakes &Reservorios: Research and Managament, 13:155-167. García L. Úrsula P, 2011. Simulación del escurrimiento de la cuenca del río Tecolutla generado por tormentas severas bajo escenarios de cambio climático. Universidad Veracruzana, 30 pp. INEGI, 2007a. Conjunto de Datos Vectorial Edafológico, Serie II, escala 1:250000 (Continuo Nacional). México. INEGI, 2007b. Conjunto de Datos Vectorial Uso de Suelo y Vegetación, Serie IV, escala 1:250000 (Continuo Nacional). México. Jáuregui, E.2004. Contrastes Bioclimáticos entre el mar y la montaña en la zona central del estado de Veracruz (México). Centro de Ciencias de la Atmosfera, Universidad Nacional Autónoma de México. UNAM. Págs. 41-56. Linsley R. K., M. A. Kohler y J. L. H. Paulhus, 1977. Hidrología para Ingenieros.Mc Graw, Hill. 386 pp. Pereyra D.D., J. A. Pérez y C. Hoyos, 2007. Instalación de red hidropluviométrica en la cuenca del río La Antigua y transmisión de datos en tiempo real con fines de alerta temprana, clave: 037529. Primer informe. Fondo Mixto CONACyT – Gobierno del Estado de Veracruz, 13pp. Pereyra D.D., J. A. Pérez, y C. Hoyos, 2007. Instalación de red hidropluviométrica en la cuenca del río La Antigua y transmisión de datos en tiempo real con fines de alerta temprana, clave: 037529. Informe Final. Fondo Mixto CONACyT – Gobierno del Estado de Veracruz, 64pp. Pereyra et al.2012. Las inundaciones de 2010 en Veracruz: Memoria social y medio físico/ Escurrimiento generado por el Huracán Karl. 41 Ponce V.M. 1989. Engineering Hydrology, Principles and Practices. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 640pp. Ramírez-González V. E., 2013. Estimación del escurrimiento de la cuenca del río Ídolos, Ver., aplicando el modelo HEC-HMS: estado actual y ante escenarios de cambio climático. Tesis para evaluar la Experiencia Educativa Experiencia Recepcional (MEIF) del programa educativo Licenciatura en Ciencias Atmosféricas. Facultad de Instrumentación Electrónica y Ciencias Atmosféricas. Universidad Veracruzana. 40 p. Scharffenberg W. A. y F. Matthew J., 2008. Hydrologic Modeling System HECHMS, User’s Manual (Version 3.2). CPD-74A. 441 G St., NW, Washington, DC, HQ U.S. Army Corps of Engineers, Washington, DC, USA. 228pp. Páginas Web http://smn.cna.gob.mx/productos/normales/cnormales.html, (consultada agosto 2012). http://www.aeclim.org/4congr/jaureguiE04.pdf, (consultada agosto 2012). http://www.lapolitica.com.mx/?p=139828, (consultada mayo, 2013). http://www.aeclim.org/4congr/jaureguiE04.pdf, (consultado agosto 2012). http://e-stadistica.bio.ucm.es/glosario/coef_corre.html, (consultada agosto 2013). 42