Scs Numeros de Curva

CARACTERIZACIÓN PARAMÉTRICA DE LAS CUENCASD. Jesús López García

Dr. Ing.CCP. YACU, S.L.

D. Pedro Delgado MeliánJefe Sección Datos Hidrológicos del CIATF

Santa Cruz de Tenerife29‐30 septiembre 2009

JORNADAS SOBREHIDROLOGÍA DE SUPERFICIE

EN TENERIFE

5

Segunda Jornada:

GUÍA METODÓLOGICACALCULO CAUDALES AVENIDA

OBJETIVO Y METODOLOGÍA. Número de curva1

2

INDICE

INFORMACIÓN BÁSICA

3 PROCESO DE CÁLCULO

JORNADAS SOBRE HIDROLOGÍA DE SUPERFICIE EN TENERIFE

Segunda Jornada (30-sep-09) Autores: J. LOPEZ GARCIA P.DELGADO MELIAN

Ref.: JHSTF-II-05 (1 de 27)

OBJETIVO Y METODOLOGÍA1

La Guía necesita establecer

cómo se comporta hidrológicamente el terreno

de cualquier punto de la isla

cuando recibe la precipitación (pérdidas)

Factores que determinan el comportamientoVegetación

Características del suelo

Uso del suelo

Pendiente del terreno

Los parámetros permitirán caracterizar en pocas cifras el funcionamiento del suelo

1.‐ OBJETIVO




Pérdidas: Procesos que reducen la precipitación total que emite la atmósfera a una fracción denominada precipitación eficaz, responsable de la escorrentía

IntercepciónAlmacenamiento en depresionesEvaporaciónInfiltración

Métodos de cálculoConceptuales (Horton, Holtan, Philip, Green‐Ampt)Empíricos (SCS)

1.‐METODOLOGÍA

Estimación de pérdidas de precipitación

• Históricamente se han desarrollado numerosos métodos conceptuales para calcular la infiltración (Horton, Philips, Green‐Ampt) que describen matemáticamente las observaciones. Todos se pueden explicar con simplificaciones de la ecuación de Richards.

• Suponen que existe agua acumulada sobre el suelo y que la intensidad de lluvia es constante. Necesitan como mínimo 2‐3 parámetros para deducir la infiltración.

• Los parámetros son muy difíciles de obtener, no tanto por la dificultad de los experimentos que es necesario realizar, sino sobre todo por el amplio rango que pueden tomar dentro de una misma cuenca

Métodos conceptuales

1.‐METODOLOGÍA




• El Soil Conservation Service (SCS) del Departamento de Agricultura de EE.UU. (1960)

un procedimiento muy simple para calcular la infiltración, basado en consideraciones

teóricas simples y datos de más de 1000 cuencas experimentales tomados en la

década de los 50

• El método fue adoptado inmediatamente por la comunidad internacional y se ha convertido en el estandar de cálculo porque

Utiliza solo un parámetro ‐que se puede obtener de mapas temáticos generalmente disponibles‐

Es relativamente realista

No existe ninguna alternativa realista para la modelación matemática.

1.‐METODOLOGÍA

Método del número de curva del SCS

El método del número de curva del SCSFundamento teóricoCálculo de las pérdidas y de la escorrentíaDatos de partidaObtención del parámetro Modificaciones para diferentes condiciones de humedad antecedenteEjemplo de aplicaciónLimitaciones y problemas asociados al método

■ Variante española: El método de P0

1.‐METODOLOGÍA. Método del número de curva del SCS

Estimación de pérdidas de precipitación




Precipitación

Volumen de

escorrentía directa

• Grupos de suelos• Uso del suelo• AMC

Distribución temporalde la escorrentía(hietograma)

1.‐METODOLOGÍA

Método del número de curva del SCS

El método se basa en una relación de balancede la escorrentía producida por una tormenta

donde

• F Volumen de agua retenido en la cuenca (pérdidas)

• Q Escorrentía directa (exceso de lluvia)

• S’ Retención potencial máxima del suelo

• P Máxima escorrentía posible (precipitación de la tormenta)

1.‐METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS




Por definición, la abstracción inicial es una fracción de S. Por defecto, si no existe experiencia que lo modifique) se recomienda tomar

Ia = 0.2 S

Como la retención del suelo F es la diferencia entre la precipitación eficaz (P‐Ia) y la escorrentía

F = (P ‐ Ia) – Q

Al sustituir en la ecuación inicial, se obtiene la relación final del método


La mayor dificultad para aplicar el método es la estimación del máximo potencial de retención de la cuenca S

Para ayudar a estimarlo el SCS desarrolló el concepto de

número de curva NC (adimensional).

La relación entre el NC y S es (en mm)

Donde NC puede –teóricamente- tomar valores entre 0 y 100





Los suelos se clasifican por sus características de infiltraciónen 4 grupos hidrológicos (A, B, C, y D)

■ A Bajo potencial de escorrentía, gran infiltración aunque estén saturados. Suelos profundos bien drenados o gravas. Texturas arenosas o areno‐limosas.

■ B Tasas de infiltración moderadas cuando están saturados. Suelos moderadamente profundos o profundos de moderadamente a bien drenados con texturas finas a medianas. Limos.

■ C Tasa de infiltración bajas. Suelos con capas que impiden movimiento vertical.Texturas medio finas a finas. Arcillas limosas.

■ D Alto potencial de escorrentía. Capacidad baja de infiltración. Suelos arcillosos expansivos con nivel freático alto o poco espesor o con materiales casi impermeables.

Una vez determinado el grupo de suelo, el número de curva para condiciones medias antecedentes de humedad se obtiene con el tipo de vegetación, el uso del suelo y la condición hidrológica entrando en las con las tablas del SCS


Clasificación de suelos

Tabla ORIGINAL del SCS






Nomograma del SCS

AMC‐I Suelo seco sin llegar al punto de marchitez. Se utiliza cuando apenas se ha producido lluvia cuando cae la tormenta de proyecto

AMC‐II Caso medio de avenidas anuales (promedio de las condiciones de humedad que se dan cuando se produce la avenida máxima anual)

AMC‐III Cuando se produjeron lluvias intensas o lluvias ligeras y temperaturas bajas en los 5 días previos a la tormenta y el suelo está prácticamente saturado.

1.‐METODOLOGÍA. Condiciones de humedad antecedente (AMC)

El número de curva que se obtiene de las

tablas es AMC‐II. Si la humedad del suelo en el

estado inicial difiere de AMC‐II, hay que

modificar el número de curva

Condición Descanso Actividad vegetativa

I < 10 mm < 35 mm

II 10 – 30 mm 35 ‐ 55

III > 30 mm > 55 mm

AMC II

AMC I

AMC III

100

100

100 95

87

98

90

78

96 85

70

94

80

63

91 75

57

88

70

51

85 65

45

82

60

40

78

Precip. acumulada en los 5 días previos a la

tormenta




S= (25400/70)-254=108.86 Ia=0.2S=21.77 Q = (P-02.S)2/(P-0.8S)

Cálculos de infiltración y escorrentía

0

5

10

15

20

25

30

35

1 2 3 4

Tiempo (h)

mm

Precipitación Infiltración Escorrentía

1.‐METODOLOGÍA. Ejemplo de cálculo (NC=70)

• La Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento ha estandarizado un método de cálculo de pérdidas similar al del SCS para la aplicación normada del método racional (5.2‐IC)

• El parámetro Po (umbral de escorrentía) tiene significado físico, y es equivalente a la abstracción inicial Ia del método del número de curva del SCS

• Para pasar de condición de humedad se introdujo un coeficiente corrector de Po que depende de la localización geográfica (no contrastado en Canarias)

• Las tablas de cálculo de Po son muy similares a las del SCS, pero ‐ al contrario que en el método del SCS‐ los valores de Po son tanto menores cuanto más impermeable es el suelo. La pendiente se utiliza como condición hidrológica.

• Debido a su origen común, existe una correspondencia entre ambos parámetros que permite pasar de uno a otro con facilidad siempre y cuando no se haya efectuado corrección por humedad antecedente

Po= (5000/NC) –50NC= 5000 / (Po + 50)

1.‐METODOLOGÍA. Variante española .Método del umbral de escorrentía




INFORMACIÓN BÁSICA 2

Para facilitar los cálculos en la Guía, se necesita generar una cobertura de números de curva a partir de las siguientes:

2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA

Coberturas disponibles

MDT de GRAFCANRasterPendientes del terrenoPendientesULL. Dpto de Edafología y Geología

VectorialGrupos hidrológicos del SCSSuelos

ULL. Dpto de BotánicaVectorialEspecies forestales y de vegetación natural

Vegetación

Gobierno de Canarias. Consejería de Agricultura

VectorialCultivos agrícolasCultivos

PIOTVectorialEspacios abiertos en zona urbana

Espacios abiertos

GRAFCANVectorialUsos del sueloOcupación del suelo

Cabildo de TenerifeVectorialRed viaria insularCarreteras

PGOUVectorialZonas urbanas y urbanizables

Urbanismo

ORIGENTIPOCONTENIDOCOBERTURA





Urbanismo e infraestructuras:Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo







Urbanismo e infraestructuras:Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo: Detalle

Agrupación de cultivos agrícolas:

Cobertura de cultivos





Agrupación de cultivos agrícolas: Detalle del Mapa de Cultivos 1:5000

Cobertura de cultivos


Cobertura de vegetación dominanteAgrupación de especies de vegetación potencial:





Cobertura de vegetación dominanteAgrupación de especies de vegetación potencial: Detalle Mapa de vegetación (1:25.000)


Cobertura de vegetación secundariaAgrupación de especies de vegetación potencial





Cobertura de vegetación secundariaAgrupación de especies de vegetación potencial


(detalle Mapa de vegetación 1:25.000)

BAJA (<50%)

MEDIA (entre el 50 y el 75%)

ALTA (>75%)


Densidades de vegetación:




Cobertura de pendientes


Cobertura de pendientes


Detalle




Cobertura edafológicaTaxonomía de suelos:


Cobertura edafológicaTaxonomía de suelos: (detalle)





Caracterización de suelosConvenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICO

Velocidad de infiltración

• Selección de zonas representativas de los suelos de la isla: 182

• Medidas de infiltración (método del doble anillo): mínimo 3 por zona

• Pruebas de simulación de lluvia (15): en 11 zonas


La caracterización de suelos es base necesaria para la elaboración de la cartografía edáfica, definición de las unidades taxonómicas y unidades cartográficas.

Estudios realizados

Caracterización de suelosConvenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICOLa caracterización de suelos es base necesaria para la elaboración de la cartografía edáfica, definición de las unidades taxonómicas y unidades cartográficas.


Estudios realizados



Propiedades físicas, regímenes térmicos y de humedad de los suelos Estudios realizados



Resultados de las pruebas de campo


Curvas de infiltración




Agrupación de unidades taxonómicas: criterios

Clases de infiltración de Landon (1991)


Agrupación de unidades taxonómicas: criterios

Clases de infiltración de Landon (1991)





Clasificación del mapa de suelos: Grupos hidrológicos del SCS


A Bajo potencial de escorrentA Bajo potencial de escorrentííaa

B Tasas de infiltraciB Tasas de infiltracióón moderadasn moderadas

C Tasa de infiltraciC Tasa de infiltracióón bajasn bajas

D Alto potencial de escorrentD Alto potencial de escorrentííaa

PROCESO DE CÁLCULO3




Preparación de la malla de número de curva:

3.‐ PROCESO DE CÁLCULO

• Interpretación de coberturas temáticas de la Isla:

- Agrupación y codificación de elementos específicos de cada cobertura

- Equivalencias entre agrupaciones y las categorías del método original del SCS

• Generación de capas raster para cada mapa temático:

- Mismo formato y coordenadas que MDT

- Basadas en códigos numéricos

• Relleno de capa de número de curva mediante consulta (software) a los valores de la tabla oficial del SCS, en función de las asignaciones realizadas a los elementos de cada capa.

El objetivo es calcular el número de curva del SCS, en condiciones AMC‐II, a partir de la información disponible sobre vegetación, cultivos, pendientes suelos (edafología) y planificación urbanística, generando una malla perfectamente superponible con el MDT

Coberturas de partida y agrupaciones

3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Interpretación de coberturas





Ejemplo: Capa de cultivos: 37 elementos y 8 categorías homogéneas

Montes18 Montes

Urbano o Viales17 Urbano o Viales

Erial

Cultivo no presente

Abandono Reciente

Abandono Prolongado16 Erial Pastos

Millo

Leguminosas

Cereal varios15 Cereales, Leguminosas o Pastizales

A. Viña‐Papa

A. Viña‐Hortalizas

A. Templados‐Papa

A. Citricos‐Papa

A. Citricos‐Ornamental

A. Citricos‐Hortalizas14 Asociación de

cultivos: leñosos y hortalizas u ornamentales

Montes18 Montes

Urbano o Viales17 Urbano o Viales

Erial

Cultivo no presente

Abandono Reciente

Abandono Prolongado16 Erial Pastos

Millo

Leguminosas

Cereal varios15 Cereales, Leguminosas o Pastizales

A. Viña‐Papa

A. Viña‐Hortalizas

A. Templados‐Papa

A. Citricos‐Papa

A. Citricos‐Ornamental

A. Citricos‐Hortalizas14 Asociación de

cultivos: leñosos y hortalizas u ornamentales

Cód. y Agrupación Cultivo


Equivalencias a tabla del SCS




3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Generación de capas raster

Tratamiento de la capa de urbanismo:ºLa información urbanística se refunde en una sola cobertura raster• Las células territoriales hacen de tapiz de fondo

3. URBANISMO

• Donde no hay usos urbanísticos, la cobertura queda en blanco

• El refundido (GIS) da como resultado una cobertura raster con códigos


Tratamiento de la capa de urbanismo:ºLa información urbanística se refunde en una sola cobertura raster• Las células territoriales hacen de tapiz de fondo

3. URBANISMO

• Donde no hay usos urbanísticos, la cobertura queda en blanco

• El refundido (GIS) da como resultado una cobertura raster con códigos





Tratamiento general de las coberturas:

COBERTURA TERRITORIAL

Esquema básico :

• La cobertura de vegetación (tapiz de fondo) da el valor por defecto

• En caso de superposición de contenidos prevalece el valor de la capa superior.

PENDIENTE

SUELOSUELO

PENDIENTE

SUELO

COBERTURA TERRITORIAL

NÚMERO DE CURVA

Determinación de la condición hidrológica a partir de 2 variables:

• Pendiente:‐ Fuerte (>= 3%) ‐ Suave: (<3%)

• Densidad de vegetación:‐ Alta (>=75%)‐ Media (50‐75%)‐ Baja (<=50%)

Desdoblamiento de la cobertura de vegetación en 5 matrices individuales‐ Código de vegetación dominante : CVD‐ Código de vegetación secundaria: CVS‐ Densidad de vegetación dominante (%): DVD

‐ Densidad de vegetación secundaria (%): DVS‐ Ocupación de la vegetación (%): OCU

3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Relleno de la capa del número de curva

Condicionantes del cálculo del numero de curva:





Proceso de consulta a la tabla oficial (SCS)• Caso general:

• Caso particular: cobertura de vegetación

1. Se lee el código de la celda2. Con el código se deduce la clase asignada del SCS (nº fila)3. Se lee el NC de la fila: inicial de la clase o incrementada, según los casos:

a) El NC no está ligado a la pendienteSe aplica la categoría base correspondiente

en la tabla del SCS con incremento 0

b) El NC depende de la pendiente

Se asigna código a la pendiente y un incremento de fila sobre la base:

c) El NC depende de pendiente y densidad de vegetación

Se asigna código a la pendiente y a la densidad de vegetación

y un Incremento de fila sobre la base:

El NC final se obtiene ponderando NCD y NCS con las densidades de vegetación

Si NCS = 0 NC = NCDSi NCS > 0 y NCD>0 NC = (NCD*DVD) + (NCS*DVS) / ((DVD+DVS)


Lee capa de suelos

¿Celda activa?

Calcula NC con pendiente y tipo de

suelo

Lee capa de urbanismo y pendiente

¿Valor capa urbanismo nulo?

Esquema lógico: cálculo del número de curva en una celda genérica

Lee capa de cultivos

¿Código 9 ó 12 a 16

Lee capas de vegetación

¿Código 1 ó 3 a 8

Calcula NC con pendiente, densidades dominante/ secundaria y tipo de suelo

Calcula NC con tipo de

suelo

Asigna valor nulo

Escribe NC en cobertura

Sí

Sí

Sí

Sí

No

No

No

No




Malla de números de curva para cálculo

Matriz de datos que utilizan los modelos matemáticos

3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Resultado final

3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Resultado final

Número de curva del SCS (AMC‐II)




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