Simulación del escurrimiento de la cuenca del rio Nautla México, usando el modelo HEC-HMS
Sofware Hec Hms
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SOFWARE HEC-HMS
E HIDROESTA
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HEC-HMS(“Hydrologic Engineering Center-
Hydrologic Modeling System”)Fue diseñado para simular procesos de lluvia-
escurrimiento en sistemas dendríticos decuencas
Se usa en estudios de disponi!ilidad de agua"drena#e ur!ano" pron$sticos de %u#o" &uturasur!ani'aciones" reducci$n del daño porinundaciones" etc
Se usa para simular la respuesta idrol$gica deuna cuenca ncluye los modelos de cuenca"modelos meteorol$gicos" especi*caciones decontrol y datos de entrada
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El modelocontiene+
Descripciónfísica de la
cuenca
Estimaciónde
parámetros
Conexión conSIG
Análisis desimulaciones
Simulaciónhidrológica
Descripciónmeteorológica
El lapso de tiempo deuna simulación es
controlada por lasespecificaciones decontrol que incluyen
!a fecha y hora de inicio" de terminación #n inter$alo de tiempo
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!as fases de tra%a&o del programa son
Separación de la llu$ianeta" es decir" se
calcula que parte de laprecipitación $a a
producir escurrimiento
directo'
cálculo deescurrimiento directo
producido por esa llu$ianeta
cálculo de la e$olucióndel hidrograma a
medida que discurre alo largo del cauce
suma del escurrimientodirecto y la %ase" siexistía pre$iamente'
Cálculo de la e$olucióndel escurrimiento %asea lo largo del tiempo
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COMPONENTES
MODELO DE CUENCA MODELO METEOROLÓGICO
ESPECIFICACIONES DE CONTROL DATOS DE ENTRADA
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Modelo de
cuenca
•Subcuencas.•
Tramos detransito.•Uniones.•Embalses.•Fuentes.
•Sumideros.•Derivaciones.
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Modelo
meteool!"#co
Dentro del modelometeorológicointroducimos los datosde los plu$iografos quese $an a utili(ar y losasignamos a cadasu%cuenca'
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E$%ec#&#cac#one$ de contol
Se esta%lece la fecha
y hora de inicio de lallu$ia y el t)rmino dela misma con uninter$alo de tiempoque puede $ariarseg*n nuestra
con$eniencia'
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Dato$ de entada
Para la calibraci$n, validaci$n yan,lisis de sensibilidad del
modelo, adem,s de la
informaci$n anterior se
necesitan:
•Registros concordantes de
precipitaci$n y caudales de
salida !ietogramas e
!idrogramas".
•Determinaci$n de lascondiciones iniciales de
!umedad en los suelos
dif í cil de lograr".
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E+E,-!. DE A-!ICACI/0
Se tiene una
cuenca de #
subcuencas:
platanares, el
prado y gila, la
misma $ue se
muestra en la
figura en el
cu,l se pide
calcular la
descarga pico:
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En la siguiente tabla se muestran los datos de precipitaci$n para esta
cuenca producto del !urac,n %itc! registrado el &'(#) octubre de *''+,
con un incremento de *) min.
Datos del -ET/R0%0 de la tormenta del !urac,n %itc! del &'(#)octubre de *''+:
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DATOS DE LA SUBCUENCA:
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PASOS PARA CREAR UN PRO'ECTO(Creando un nue$o proyecto" e&ecutar la orden
file1ne2'En la $entana proyecto escri%ir el nom%re del
proyecto'En descripción' Cuenca con tres su%cuencas'
En location u%icación donde se guarda el archi$o'En default unit system ,etrico'
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DEFINIR EL MODELO DE LA CUENCA(E&ecutar la orden Component13asin ,odel
,anager10e24-ara crear el modelo de la cuenca5 la $entana quese acti$a" en name aceptar 3asin 6 y hacer clic7 enel %otón cr)ate'
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#na $e( definido el modelo de cuenca senos presenta la siguiente plataforma
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INCLUIR MAPAS A LA CUENCA(
Seleccionamos $ie21dra2 gridlines para agregar lascuadriculas de tra%a&o'
8acemos anticlic7 en la cuadrícula y escogemos laopción 3ac7ground !ayers" clic en add y
seleccionamos el archi$o el cual muestra la cuenca'
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CREAR LOS ELEMENTOS HIDROLOGICOS(En el escritorio de tra%a&o se $a a representar
esquemáticamente la cuenca con tres su%cuencasuna unión para unir las salidas de las su%cuencasE! -rado y -latanares" un tramo de cauce A93'
-ara ello hacemos clic en los elementoshidrológicos que muestra el soft2are'
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Incluyendo paso a paso las su%cuencas y launión de las su%cuencas el gráfico quedaríade la siguiente manera
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CONE)IÓN DE LOS ELEMENTOS DE LACUENCA(
!os elementos se conectan desde aguas arri%a"hacia aguas a%a&o :connect Do2nstream;'yluego clic e la unión A y hacer clic en la #niónA" para así reali(ar la conexión'
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<eali(ar el mismo procedimiento con lasdemás su%cuencas en el cuál al final
o%tenemos la siguiente gráfica
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Intoduc# dato$ en cada elemento delmodelo de la cuenca(
In"e$o de dato$ de la $u*cuenca El Pado(
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In"e$o de dato$ de la $u*cuencaPlatanae$(
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In"e$o de dato$ de la cuenca G#la(
A+ t l T A ,
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A+u$te en el Tamo A-,(Se tiene que calcular el tránsito del hidrograma"
generado en las su%cuencas el prado y platanares" atra$)s del tramo A3" atra$esando la su%cuenca Gila'
-ara calcular el transito se utili(a el m)todo de,us7ingum con los siguientes parámetros
=> ?'@@ horas" >?'B? "clic en tramo A3" luego en,us7ingum ingresar en la pestaa routing dichos
parámetros
!
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Dato$ De Pec#%#tac#!n(Antes de crear el modelo ,eteorológico" se
de%e introducir los datos -lu$iom)tricos" en
este e&emplo" para las tres su%cuencas se tieneel mismo dato de un plu$iógrafo'Clic en componentes y al final clic en create
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INTRODUCIR DATOS DEL PLUIOGRAFO( E0 I,E I0D.S I0G<ESA<Clic en el plu$iógrafo e ingresar datos
Cam%iar el inter$alo a 6? min
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I0<.D#CI< DA.S Clic en la pestaa del plu$iógrafo desdo%lar el ár%ol yen time indo2s ingresar datos
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Ingresado los inter$alos de tiempo seprocede a ingresar los datos de
precipitación
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#$ual#.a el /#eto"ama #n"e$ado(
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MODELO METEOROLÓGICO(Sir$e para aplicar el registro del plu$iógrafo a
cada su%cuenca'E&ecutar la orden component1meteorologic ,odel
manager 1ne2'' para crear el modelo meteorológico"en la $entana que se acti$a" en name aceptamos el
nom%re met 6 y hacer clic7 en cr)ate'
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Asignar los elementos necesarios
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E$%ec#&#cac#one$ de Contol!as especificaciones de control sir$en para indicar
el periodo de tiempo :inicio y final;" en el que hec9hms tiene que reali(ar los cálculos y con queincremento de tiempo lo hace'
E&ecutar la orden components1 control
specifications manager1ne2" para crear lasespecificaciones de control
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<ellenar la pestaa de especificaciones decontrol
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CREAR SIMULACIÓN(
-ara crear el protocolo de simulación" se reali(a laorden compute1cr)ate simulation <unDarle clic en siguiente hasta finali(ar la
simulación'
cálculo de loshidrogramas
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HIDROGRAMA DE LA SU,CUENCA EL PRADO(
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HIDROGRAMA DE LA SU,CUENCA PLATANARES(
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HIDROGRAMA EN LA UNION-A(
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HIDROGRAMA DE LA UNION A DESPUES DE TRANSITAR(
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HIDROGRAMA DE LA SUBCUENCA GILA:
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HIDROGRAMA EN LA DESEM,OCADURA UNON-,(
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Donde el caudal %#co e$( 01234 m56$ 7 ocue a la$41(84 del 54 de octu*e de 9::;
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TA,LA SERIE DE TIEMPO DE CAUDALES EN UNION<,(
Donde el caudal %#co e$( 01234 m56$ 7 ocue a la$
41(84 del 54 de octu*e de 9::;
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40=3 E>EMPLO(En una cuenca cuya área es de 6F' =mH"
se desea reali(ar la cali%ración del modelo"con este fin" se reali(ó la medición de laprecipitación incremental y de los caudalesen la estación de aforo :a la salida de la
cuenca;" para los días H6 y HH de a%ril delH??F" los mismos que se muestran en lasiguiente ta%la
:Se desprecia el caudal %ase;'
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DA.S-)rdidas iniciales ? mmC0 promedio de esta cuenca de acuerdo a
los usos de la tierra :C#<E 0#,3E<;F?-orcenta&e de impermea%ili(ación ?J
-ara transformar la precipitación neta aescorrentía directa : ransform ,ethod;"usar el modelo del hidrograma unitariosint)tico del SCS: scs unit hydrograph;"
conociendoiempo de retardo 6H? min
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<egistro de -recipitación y caudales de lacuenca
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S.!#CI.0Ceando lo$ elemento$ /#dol!"#co$(
de la misma manera que el e&emplo anterior
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Crear el elemento del plu$iógrafo
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In"e$o de dato$ de la %ec#%#tac#!n(-ara reali(ar la simulación se necesitan datos
de precipitación y caudal
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I0G<ESA0D. DA.S DE CA#DA!ESAntes de crear el modelo de la cuenca" se
de%e introducir el registro de caudales' C<EA< E! E!E,E0. !I,0KG<AL.
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I0<.D#CI< DA.S DE! !I,0IG<AL.
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DEFINIR EL MODELO DE LA CUENCA(
Se reali(a de la misma manera que ele&emplo anterior" así como tam%i)n lacreación de los elementos hidrológicos y ala $e( la conexión de los elementos de las
cuenca'#na $e( creada los elementos hidrológicosse introducen los datos de la su%cuencapara posteriormente crear el ,odelometeorológico'
Ó
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MODELO METEOROLÓGICO(El modelo meteorológico sir$e para asociar elregistro del plu$iógrafo a la cuenca'
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8acer clic7 so%re specified 8yetograph
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ESPECIFICACIONES DE CONTROL(Sir$en para indicar el período de tiempo
en el que hec9hms tiene que reali(ar loscálculos'
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8acemos clic7 en control y asignamosdatos
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CREAR SIMULACIÓN
Esto se crea con el nom%re de <un 6'!uego seleccionar la simulación creada"
e&ecutar la siguiente orden
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E>ECUTAR LA SIMULACIÓN(8acer clic en el siguiente %otón
Con lo cual se reali(an los cálculos de lasimulación'
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<esumen de resultados8acer clic el siguiente %otón
ó
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Creando la optimi(ación similar a lasimulación
Con esto se crea la optimi(ación trial 6
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DELI0I< !.S -A<M,E<.S A CA!I3<A<
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Seleccionar la .ptimi(ación creadaclic el e siguiente icono
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<ES#!AD.S DE !A L#0CI/0 .3+EI. DE !A-<#E3A <EA!INADA
Se o%ser$a que el caudal máx' ,edido es F6'BmO1s" mientras que el caudal máx' Simuladooptimi(ado es F'H mO1s
< lt d d l á t ti i d
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<esultados de los parámetros optimi(ados
Se o%ser$a que el C0 es F? y su $alor optimi(adoes H'F6" mientras que el lag inicial es 6H?P su $alor optimi(ado es 6HQ'F'
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Grafico hidrograma o%ser$ado y simulado
ó
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Grafico de dispersión del caudal o%ser$ado $s elcaudal simulado durante la optimi(ación
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Grafico de los caudales residuales
G fi d l l d l f ió %& i
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Grafico de los $alores de la función o%&eti$o paracada iteración
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I3- INTRODUCCION(
!os estudios hidrológicos requieren del análisis decuantiosa información hidrometeorológica5 estainformación puede consistir en datos de precipitación"caudales" temperatura" e$aporación" etc'!as ecuaciones por solucionar" en la mayoría
de los casos" son muy comple&as" y para susolución se requiere del uso de m)todos num)ricos'
II O,>ETIO
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II3- O,>ETIO(
Aprender a utili(ar el soft2are hidroesta yaque de esa manera simplifique los cálculosla%oriosos" y el proceso del análisis de la
a%undante información que se de%en
reali(ar en los estudios hidrológicos'
III FUNDAMENTOS TEORICOS
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III3- FUNDAMENTOS TEORICOS(ARIA,LE ALEATORIAS(#na $aria%le aleatoria es una función " definidaso%re un espacio muestral S" que asigna un $alor aesta $aria%le" correspondiente a cada punto :o cadaresultado; del espacio muestral de un experimento'sus $alores son numeros<eales que no pueden predecirse con certe(a antes
de ocurrir el fenómeno5 es decir" ocurren al a(ar'ARIA,LE ALEATORIA DISCRETA(Se dice que una $aria%le aleatoria es discreta
cuando sus $alores se restringen a un con&untoenumera%le finito o infinito'
E&emplo n*mero de días de llu$ias ocurridas en losmeses de un ao cualquiera'
ARIA,LE ALEATORIA CONTINUA(
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ARIA,LE ALEATORIA CONTINUA(Se dice que una $aria%le aleatoria es continua"
cuando sus $alores se encuentran en un rango
continuo y puede ser representado por cualquiern*mero entero o decimal'
E&emplo el caudal diario registrado en una estaciónde aforo'
I3-DISTRI,UCIONES(comportamiento de una $aria%le aleatoria se
descri%e mediante su ley de pro%a%ilidades" que" asu $e(" se puede caracteri(ar de $arias maneras' !a
más com*n es mediante la distri%ución depro%a%ilidades de la $aria%le aleatoria '
RESUMEN(
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3- RESUMEN(
El soft2are permite el cálculo de los parámetrosestadísticos" cálculos de regresión lineal" no lineal"simple y m*ltiple" así como regresión polinomial"e$aluar si una serie de datos se a&ustan a una seriede distri%uciones" calcular a partir de la cur$a de
$ariación" e$entos de diseo con determinadapro%a%ilidad de ocurrencia" reali(ar el análisis deuna tormenta y calcular intensidades máximas apartir de datos de plu$iogramas" los cálculos de
aforo reali(ados con correntómetros'
3- E>EMPLOS(
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3 E>EMPLOS(9=3- PARAMETROS ESTADISTICOS
DATOS NO AGRUPADOS(
Dada la serie histórica de caudales mediosanuales" en mO1s" que corresponde a un
registro de @? aos para el río santa :-er*;Calcular sus parámetros estadísticosmuestrales y po%lacionales" con losmomentos ordinarios" encontrar tam%i)n
sus B momentos lineales y los parámetrosestadísticos utili(ando los momentoslineales'
S.!#CI.0
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S.!#CI.0#so de 8idroesta
-ara los datos indicados" utili(ando la opciónparámetros estadísticos1datos no agrupadosde hidroesta" se o%tienen los resultados quese muestran en la figura
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0= PARAMETROS ESTADISTICOS
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0=3- PARAMETROS ESTADISTICOSDATOS AGRUPADOS(
Dada la serie de datos de caudales mediosanuales del río chicama" estación Salinar:-er*;" en mO1s
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Calcular sus parametros estadisticos" conlos momentos ordinarios" utili(ando datos
agrupados en inter$alos de clase S.!#CI.0-ara los datos indicados" utili(ando la opción -arametrosEstadisticos1Datos agrupados de 8idroesta se o%tiene losresultados que se muestran en la siguiente figura
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53- DISTRI,UCION DE FRECUENCIA(
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Dada la serie de datos de caudales medios
anuales" en mO1s del río chicama" estaciónSalinar :per*;
l l l f % l l
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Calcular las frecuencias a%solutas" relati$a"acumulada" función densidad y función
acumulada' S.!#CI.0
-ara los datos indicados" utili(ando laopción parámetros estadísticos1distri%ución
de frecuencia de 8idroesta" se o%tienen losresultados que se muestran en la siguientefigura
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83- REGRESION LINEAL(
Esta opción es recomenda%le utili(arlacuando los pares "P contienen $aloresceros y1o negati$os
E+E,-!.De un experimento se han o%tenido para
los pares "P los $alores que se entran enla siguiente ta%la' 8allar la ecuación de
correlación lineal que relaciona estospares de datos' Indicar cual sería el $alorde P para >R6'
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-ara los datos indicados" utili(ando
la opción <egresión1<egresión linealde 8idroEsta" se o%tienen losresultados que se muestran en la
siguiente figura' Como se o%ser$a enla figura" la ecuación que relacionaestos pares de datos es
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P> 96O'?ORQQO'OQ?Bx
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Con un coeficiente <>?'RF6Con esta ecuación" el $alor para x>R6" es
y>HRB'@FF@
1=3- REGRESION SIMPLE(
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1=3 REGRESION SIMPLE(E+em%lo(En una cuenca" como se muestra en la figura setienen dos estaciones de aforo A P 3" en las que semidieron los caudales medios mensuales" en mO1spara el ao H??O" los que se muestran en lasiguiente ta%la' Considerando que los caudales de
la estación A" son las $aria%les independientes :;y que los caudales de la estación 3" son las$aria%les dependientes :P;6'9 Indicar entre la ecuación lineal" exponencial y
potencial" cuál es la ecuación que relaciona me&orestos pares de datos'
H Calcular el caudal en la estación 3 para
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H'9Calcular el caudal en la estación 3" paraun caudal de Q?? mO1s en la estación A'
a%la Caudales promedios mensuales delas estaciones A y 3
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Estaciones de Aforo A y 3 de una cuenca
S.!#CI.0
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S.!#CI.0#so de 8idroEsta
-ara los datos indicados" utili(ando laopción <egresión1<egresión simple de8idroEsta" se o%tienen los resultados quese muestran en la siguiente figura
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Ligura <egresión entre los caudales de las
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Ligura <egresión entre los caudales de lasestaciones de aforo A y 3 de una cuenca'.%ser$ar que la ecuación lineal" es la que tiene uncoeficiente de correlación <> ?'RQF?R más alto quelas otras ecuaciones" esto se puede o%ser$artam%i)n en la siguiente figura donde se tienenploteados los puntos correspondientes
Grafico correspondiente a los registros de
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Grafico correspondiente a los registros delos caudales de las estaciones de aforo A y
3'Con la ecuación lineal" para un caudal deQ?? mO1s en la estación A" se o%tiene uncaudal OO6'@H mO1s en la estación 3" este
resultado se muestra en la siguiente figura