analisis hidrologico e hidraulico de

7/26/2019 Analisis hidrologico e hidraulico de

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EVALUACIN HIDROLGICA E HIDRULICA DE LA

CUENCA HIDROGRFICA DEL ARROYO POLICARPA PARA

EL CONTROL DE INUNDACIONES


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Evaluacin hidrolgica e hidrulica de la cuenca hidrogrfica del arroyo Policarpa para el control deinundaciones

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EVALUACIN HIDROLGICA E HIDRULICA DE LA CUENCAHIDROGRFICA DEL ARROYO POLICARPA PARA EL CONTROL DE

INUNDACIONES

Grupo de InvestigacinHIDRULICA Y MANEJO AMBIENTAL COSTERO (GIHMAC)

Lnea de InvestigacinMANEJO HIDRULICO Y AMBIENTAL DE LA ZONA COSTERA Y

FLUVIAL

InvestigadoresLUIS CARLOS DEL CASTILLO

MARA ALEJANDRA ORTIZ

Director

ING. DALIA MORENO EGEL

UNIVERSIDAD DE CARTAGENA

FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA DE INGENIERA CIVIL

X SEMESTRE

CARTAGENA-COLOMBIA

2013


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Tabla de contenido

RESUMEN ...................................................................................................................................................10

ABSTRACT ...................................................................................................................................................11

INTRODUCCIN ..........................................................................................................................................12

1. MARCO DE REFERENCIA .....................................................................................................................16

1.1 Antecedentes y Estado del arte ........................................................................................................16

1.2 Marco terico ...................................................................................................................................28

1.2.1 Cuenca hidrogrfica ...................................................................................................................28

1.2.2 Estudio hidrolgico ....................................................................................................................29

1.2.3 Hidrometeorologa ....................................................................................................................40

1.2.4 Estudio hidrulico ......................................................................................................................45

1.2.5 Fotointerpretacin ....................................................................................................................47

1.2.6 Embalses ....................................................................................................................................47

2. OBJETIVOS ..............................................................................................................................................53

2.1 Objetivo general ...............................................................................................................................53

2.2 Objetivos especficos ........................................................................................................................53

3. METODOLOGA .......................................................................................................................................54

3.1 Estudio hidrolgico e hidrometeorolgico .......................................................................................54

3.1.1 Recopilacin de la informacin. ................................................................................................54

3.1.2 Anlisis de la informacin ...................................................................................................55


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3.1.3 Anlisis Hidrometeorolgico .....................................................................................................59

3.2 Anlisis hidrulico .............................................................................................................................63

3.2.1 Recoleccin de la informacin. ..................................................................................................63

3.2.2 Anlisis de la informacin ..........................................................................................................63

3.3 Determinacin de puntos crticos.....................................................................................................65

3.4 Creacin de escenarios .....................................................................................................................65

3.5 Alternativa ms adecuada ................................................................................................................66

3.6 Diseo del embalse ..........................................................................................................................67

3.7 Esquema general ..............................................................................................................................68

4. RESULTADOS Y DISCUSIN .....................................................................................................................69

4.1 Delimitacin de la cuenca .................................................................................................................69

4.2 Fotointerpretacin ...........................................................................................................................69

4.3 Anlisis Hidrometeorolgico ............................................................................................................73

4.3.1 Creacin de curvas isoyetas .......................................................................................................73

4.3.2 Precipitacin mxima ................................................................................................................82

4.3.3 Ajuste de datos de precipitacin ...............................................................................................84

4.3.4 Ajuste de la ecuacin Intensidad-Duracin-Frecuencia .............................................................90

4.4 Anlisis Hidrolgico ..........................................................................................................................93

4.4.1 Delimitacin de subcuencas y drenajes. ....................................................................................93

4.4.2 Determinacin de parmetros morfomtricos. .........................................................................94


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4.4.3 Estimacin de los tiempos de concentracin. ...........................................................................96

4.4.4 Estimacin de la intensidad de lluvia. ........................................................................................96

4.4.5 Caudales mximos .....................................................................................................................97

4.4.6 Hidrogramas sintticos ..............................................................................................................98

4.5 Anlisis hidrulico .......................................................................................................................105

4.5.1 Geometra de las secciones transversal ...................................................................................105

4.5.2 Capacidad hidrulica ...............................................................................................................108

4.6 Determinacin de puntos crticos...................................................................................................109

4.7 Creacin de escenarios ...................................................................................................................111

4.7.1 Alternativa 1 ............................................................................................................................111

4.7.2 Alternativa 2 ............................................................................................................................112

4.8 Alternativa ms adecuada ..............................................................................................................120

5. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................121

6. RECOMENDACIONES ............................................................................................................................123

BIBLIOGRAFA ...........................................................................................................................................124

ANEXOS ....................................................................................................................................................127


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Lista de tablas

TABLA 1: VALORES INTERPRETATIVOS DE DENSIDAD DE DRENAJE .......................................................................... 32

TABLA 2. VALORES DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTA SEGN ZONIFICACIN. ................................ ...................... 57

TABLA 3. VALORES DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTA SEGN TIPO DE SUPERFICIE. .................................... .......... 57

TABLA 4: COEFICIENTES DE ESCORRENTA ............................................................................................................... 57

TABLA 5. VALORES RECOMENDADOS PARA DETERMINAR EL PERIODO DE RETORNO. ............................................ 59

TABLA 6: UBICACIN GEOGRFICA DE LAS ESTACIONES SELECCIONADAS ................................... ............................ 60

TABLA 7: PRECIPITACIONES MXIMAS SUBCUENCAS/ANUAL. ................................... .................................... .......... 83

TABLA 8: AJUSTE DE DATOS. GUMBEL Y LOGARTMICO........................................................................................... 85

TABLA 9: AJUSTE DE PRECIPITACIONES MXIMAS EN 24 HORAS POR EL MTODO DE GUMBEL Y LOGARTMICO. ... 87

TABLA 10: PRECIPITACIONES MAXIMAS PARA DURACIONES DE 5, 10 Y 15 MIN. ..................................................... 88

TABLA 11: PRECIPITACIONES MAXIMAS PARA DURACIONES DE 20, 25 Y 30 MIN. ................................................... 88

TABLA 12: INTENSIDADES DE LLUVIA PARA DURACIONES DE 5, 10 Y 15 MINUTOS. ................................. ................ 89

TABLA 13: INTENSIDADES DE LLUVIA PARA DURACIONES DE 20, 25 Y 30 MINUTOS. ................................ ............... 89

TABLA 14: AJUSTE DE PARMETROS A0, A1 Y A2 .................................................................................................... 90

TABLA 15: SISTEMA DE ECUACIONES A0, A1 Y A2 .................................................................................................... 91

TABLA 16: CONSTANTES AJUSTADAS ....................................................................................................................... 91

TABLA 17: VALORES DE INTENSIDAD PARA ECUACIN 33 ....................................................................................... 92

TABLA 18: PARMETROS MORFOMTRICOS DE LA CUENCA. .................................................................................. 94

TABLA 19: PARMETROS MORFOMTRICOS DE SUBCUENCAS. ............................................................................... 95

TABLA 20: TIEMPOS DE CONCENTRACIN. .............................................................................................................. 96

TABLA 21: INTENSIDAD DE LA LLUVIA. .................................................................................................................... 97

TABLA 22: CAUDALES MXIMOS DE ESCORRENTA PARA DIFERENTES PERIODOS DE RETORNO.................... .......... 98

TABLA 23: TIEMPO DE VIAJE Y TIEMPO PICO ........................................................................................................... 99

TABLA 24: VALORES DE CAUDAL NO MAXIMOS PARA HIDROGRAMA .................................... .................................100

TABLA 25: CAPACIDAD HIDRULICA DE LAS SECCIONES .........................................................................................109


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TABLA 26: SECCIONES CRTICAS DEL CANAL ...........................................................................................................110

TABLA 27: SECCIN HIDRULICA IDEAL PARA T=50 AOS ......................................................................................112

TABLA 28: SECCIN IDEAL PARA TRANSPORTAR CAUDAL DE 7M3/S .......................................................................113

TABLA 29: RESUMEN DE CAPACIDAD HIDRULICA DEL CANAL CON SECCIONES AMPLIADAS .................................113

TABLA 30: CARACTERSTICAS DEL EMBALSE ...........................................................................................................114

TABLA 31: CAUDALES DE ENTRADA Y SALIDA PARA EL EMBALSE ............................................................................115

TABLA 32: PORCENTAJE DE REGULACIN DEL EMBALSE ........................................................................................117

Lista de ilustraciones

ILUSTRACIN 1: A) HIDROGRAMA ADIMENSIONAL, B) HIDROGRAMA UNITARIO TRIANGULAR (VEN TE CHOW,

HIDROLOGIA APLICADA, 1994) ....................................................................................................................... 40

ILUSTRACIN 2: MTODO DE LAS ISOYETAS ............................................................................................................ 41

ILUSTRACIN 3: CURVAS CARACTERSTICAS DE LOS EMBALSES. FUENTE: DISEO DE PRESAS DE TIERRA PARA

PEQUEOS ALMACENAMIENTOS. AO 2005 ................................................................................................. 50

ILUSTRACIN 4: ESQUEMA GENERAL DE LA METODOLOGA APLICADA .................................................................. 68

ILUSTRACIN 5: DELIMITACIN DE LA CUENCA DEL ARROYO POLICARPA. FUENTE: GOOGLE EARTH, AO 2013 .... 69

ILUSTRACIN 6: FOTOGRAFA AREA DEL ARROYO POLICARPA, AO 2005. FUENTE: GOOGLE EARTH .................... 70



ILUSTRACIN 9: CURVAS ISOYETAS, AO 1974 ILUSTRACIN 10: CURVAS ISOYETAS, AO 1975 ... 74

ILUSTRACIN 11: CURVAS ISOYETAS, AO 1976 ILUSTRACIN 12: CURVAS ISOYETAS, AO 1977................. ... 75

ILUSTRACIN 13: CURVAS ISOYETAS, AO 1978 ILUSTRACIN 14: CURVAS ISOYETAS, AO 1979 ...... 75

ILUSTRACIN 15: CURVAS ISOYETAS, AO 1980 ILUSTRACIN 16: CURVAS ISOYETAS, AO 1981 .................... 76

ILUSTRACIN 17: CURVAS ISOYETAS, AO 1982 ILUSTRACIN 18: CURVAS ISOYETAS, AO 1983................. ... 76



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ILUSTRACIN 25: CURVAS ISOYETAS, AO 1990 ILUSTRACIN 26: CURVAS ISOYETAS, AO 1991 ...................... 78








ILUSTRACIN 41: PRECIPITACIONES MXIMAS ANUALES DEL ARROYO POLICARPA ................................................ 84

ILUSTRACIN 42: DIAGRAMA DE DISPERSIN DEL AJUSTE DE DATOS DEL ARROYO POLICARPA POR MTODO DE

GUMBEL. ....................................................................................................................................................... 86

ILUSTRACIN 43: DIAGRAMA DE DISPERSIN DE AJUSTE DE DATOS DEL ARROYO POLICARPA POR MTODO

LOGARTMICO ............................................................................................................................................... 86

ILUSTRACIN 44: CURVAS IDF PARA LA CUENCA DEL ARROYO POLICARPA POR AJUSTE GUMBEL PARA LAS

ESTACIONES DEL IDEAM CONSIDERADAS. ...................................................................................................... 89

ILUSTRACIN 45: CURVAS IDF PARA CUALQUIER LLUVIA EN LA ZONA DE LA CUENCA HIDROGRFICA DEL ARROYO

POLICARPA CALCULADAS CON LA ECUACIN 33. ........................................................................................... 92

ILUSTRACIN 46: DELIMITACIN DE SUBCUENCAS EN LA CUENCA DEL ARROYO POLICARPA.................................. 93

ILUSTRACIN 47: HIDROGRAMAS SINTTICOS SUBCUENCAS A1, A2 Y A3 ..............................................................101



ILUSTRACIN 50: HIDROGRAMA SINTTICO SUBCUENCA A10 ...............................................................................104

ILUSTRACIN 51: HIDROGRAMA SINTTICO TOTAL DE LA CUENCA DEL ARROYO POLICARPA ................................104


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ILUSTRACIN 52: LOCALIZACIN DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES EN EL CAUCE PRINCIPAL Y SUB-CAUCE DEL

ARROYO POLICARPA .....................................................................................................................................105

ILUSTRACIN 53: GEOMETRA DE LAS SECCIONES TRANSVERSALES. DIMENSIONES EN METROS. FUENTE:

HIDROCONSULTORES. ...................................................................................................................................108

ILUSTRACIN 54: COMPARACIN CAUDAL HIDROLGICO- HIDRULICO ...............................................................111

ILUSTRACIN 55: UBICACIN DEL EMBALSE ..........................................................................................................114

ILUSTRACIN 56: HIDROGRAMA DE CAUDAL DE ENTRADA Y SALIDA DEL EMBALSE ................................ ...............117

ILUSTRACIN 57: CURVA CARACTERSTICA REA-ELEVACIN PARA EL EMBALSE PROPUESTO ...............................118

ILUSTRACIN 58: CURVA CARACTERSTICA VOLUMEN-ELEVACIN PARA EL EMBALSE PROPUESTO .......................119

ILUSTRACIN 59: ESQUEMA DEL EMBALSE. VISTA EN PLANTA .................................. .................................... .........120

ILUSTRACIN 60: ARROYO POLICARPA, CARTAGENA DE INDIAS. FUENTE: LOS AUTORES. 2013. ............................127


ILUSTRACIN 62: ENTRADA AL BARRIO POLICARPA, CARTAGENA DE INDIAS. FUENTE: LOS AUTORES. 2013. .........128


ILUSTRACIN 64: ARROYO POLICARPA, CARTAGENA DE INDIAS. FUENTE: CARDIQUE. 2013. .................................129

ILUSTRACIN 65: ARROYO POLICARPA, CARTAGENA DE INDIAS. FUENTE: PLAN DE MANEJO MAMONAL. 2011. ...130




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RESUMEN

El Arroyo Policarpa se ubica en la Zona Industrial de Mamonal en la ciudad de Cartagena,

Colombia y adems, a lo largo de su cauce, baa el barrio que lleva su mismo nombre, por tanto,

cualquier desbordamiento y posterior inundacin trae consecuencias realmente graves.

Este estudio tuvo como objetivo analizar hidrolgica e hidrulicamente la cuenca del

Arroyo Policarpa, con el fin de establecer las causas de los desbordamientos e inundaciones en la

zona, y de acuerdo a estas, plantear alternativas de solucin que varan desde la ampliacin de las

secciones transversales del canal hasta la construccin de un embalse.

La investigacin se dividi en dos componentes, un anlisis hidrometeorolgico y uno

hidrulico, y por consiguiente, una comparacin final que conllev a la ubicacin de los puntos

crticos del canal. En la parte hidrometeorolgica, se encontr que el caudal mximo que recorre

el arroyo para un perodo de retorno de 50 aos (escogido en este proyecto), fue de 22.2 m 3/s. Por

otro lado, se calcul la capacidad hidrulica de 19 secciones del canal y se encontr que muchas

de estas secciones no tenan las dimensiones suficientes para transportar el caudal antes

mencionado, hecho que corrobor el riesgo constante de inundacin existente en la cuenca del

Arroyo Policarpa y zonas aledaas.

Por ltimo, luego de analizar las alternativas ya nombradas, en este proyecto se plante

como solucin ms adecuada, debido a factores de espacio y sumada a la imposibilidad de

ampliar secciones en algunos sectores, es la construccin de un embalse de 3,5 ha y un ancho de

vertedero de 2 m y altura de 2,5 m que amortiguar el caudal hasta 7,7 m3/s, lo que equivale al

34,6% del caudal inicial.


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ABSTRACT

Policarpascreek is located in Mamonal industrial zone in Cartagena (Colombia) and its

riverbed pass through Policarpas neighborhood, then, flooding has really bad consequences.

The main objective of this study was to analyze the hydrology and hydraulically behavior

of the Policarpas creek basin, in order to establish causes of overflow and floods in the area, and

according to that, it was proposed some solutions from enlarging cross-section of the channel to

build a reservoir.

This research was divided in two main parts, a hydrologic analysis and a hydraulic one,

and consequently in a final comparison which resulted in the critic points localization. In the

hydrologic part, it was found that the maximum discharge which is transported by the channel

with a payback of 50 years (this was chosen for this project), was 22 m 3/s. In the other hand,

hydraulic capacity of 19 cross-sections was calculated and it was figured out that they did not

have enough dimensions to transport the flow. This fact proved a constant flood risk existing in

the Policarpas creek basin and surroundings areas.

At last, it was proposed that the best solution, according to available space and the

impossibility of cross-sections enlarging in some sectors, was to build a reservoir of 3,5 ha, 2 m

weir width and 2,5 m height, which will muffle initial discharge to 7,7 m 3/s, reducing in a 34,6%

the input flow.


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INTRODUCCIN

La ciudad de Cartagena posee un alto potencial de recursos hdricos, que no incluye

solamente la zona costera, sino que adems est comprendido por cinagas, arroyos y humedales.

Estos recursos son de vital importancia para el desarrollo de las diferentes actividades de los

habitantes de las zonas aledaas y se convierten en gran medida, en el sustento econmico para

muchos hogares; adicionalmente, los cuerpos de agua son utilizados, en su mayora, como

medios de transporte, receptores de aguas servidas domesticas e industriales y ms importante

an, son utilizadas como fuentes de abastecimiento de agua para consumo humano. Por tal razn,

se hace necesario proporcionar un adecuado seguimiento a estos cuerpos hdricos, haciendo

nfasis en la descontaminacin de aguas, mantenimiento de estructuras hidrulicas y en el

cumplimiento de lo establecido por el Plan Maestro de Drenajes Pluviales de la ciudad de

Cartagena con el fin de prevenir desbordamientos.

Por estas razones, las condiciones hidrulicas e hidrolgicas de los canales en Cartagena,

han sido motivo de estudios por entidades pblicas y privadas, de hecho, segn el Plan Maestro

de Drenajes Pluviales de Cartagena de Indias, en su actualizacin de diciembre de 2007, ms del

85% de la longitud de los canales principales de la ciudad (con el 88% del rea de drenaje

urbano) no son capaces de transportar caudales correspondientes a periodos de retorno de 10 aos

(mnimo recomendado por el RAS 2000). El problema de mayor importancia se hace visible en el

83% de la longitud de los canales (con un rea del 87% del rea urbana de drenaje), donde estos,

funcionando totalmente llenos, no tienen capacidad para transportar caudales con periodos de

retorno de 2 aos. De este modo, se estiman en la ciudad por lo menos 49 puntos crticos (o

puntos de control hidrulico) en los cuales se presentarn inundaciones en periodos menores a

dos aos, como consecuencia de los desbordamientos en los canales directores del drenaje.


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Este documento estudia especficamente el Arroyo Policarpa, el cual nace en el municipio

de Turbaco y baa a lo largo de su cauce los barrios Policarpa, Arroz Barato y la refinera de

Ecopetrol en la ciudad de Cartagena, sector Mamonal

El sector de Mamonal, es una de las zonas industriales ms importantes de Colombia ya

que su cercana con el Mar Caribe la potencia econmicamente, como un sitio de desarrollo

industrial, generando el 4% de PIB industrial del pas y casi el 50% de empleos en Cartagena

(Meisel Roca & Aguilera Daz, 2004). Dentro de las zonas ms afectadas por las inundaciones en

el sector de Mamonal, se encuentra el barrio Policarpa, con una poblacin de 4.837 habitantes, de

los cuales el 46,8% son considerados de bajos ingresos y con bajos niveles de escolaridad, el cual

es atravesado longitudinalmente por el Arroyo Policarpa, causando inundaciones frecuentes y

dejando a su poblacin en alto grado de vulnerabilidad y con mayores dificultades econmicas.

(Banco de la Republica, Centro de Estudios Econmicos Regionales-Cartagena). Este arroyo, fue

estudiado en el ya mencionado Plan Maestro de Drenajes Pluviales, 2007, por tanto, teniendo en

cuenta la importancia social y econmica de la zona, se presenta una actualizacin de los datos

hidrolgicos e hidrulicos de su cuenca con el fin de conocer, a ciencia cierta, las condiciones del

arroyo. Dado esto, se han evaluado diferentes alternativas de solucin y se propone

detalladamente una de ellas, con el fin de controlar las inundaciones que tanto han perturbado a la

poblacin relevante.

En definitiva, esta investigacin sigue los parmetros cientficos adecuados para cumplir

los objetivos propuestos, procurando, a lo largo del estudio, responder los interrogantes: Qu

problemas hidrulicos o hidrolgicos se presentan en la cuenca del arroyo Policarpa? Cules son

las alternativas tcnica y econmicamente viables para controlar y mitigar las inundaciones en la


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zona? Para responder estas preguntas se propuso como objetivo del estudio la evaluacin de las

caractersticas hidrulicas e hidrolgicas de la cuenca, diagnosticar su situacin actual y plantear

posibles soluciones, si se presentan inundaciones. Dichas respuestas son el resultado de meses de

investigacin y se encuentran consignadas en forma clara a travs de datos concisos, los cuales

pueden ser revisados ms adelante en este documento.

Como un aspecto importante para iniciar el estudio se consultaron el RAS (2000) del

Ministerio del Medio Ambiente y la Gua Tcnico Cientfica para la elaboracin de Planes de

Ordenacin y Manejo de Cuencas Hidrogrficas de Colombia del IDEAM (2008) y el Plan

Maestro de Drenajes Pluviales del Distrito de Cartagena (2007) los que podran tomarse como un

marco legal y metodolgico del estudio. En el campo internacional se consultaron los estudios

realizados por Jian Chen, Arleen Hill y Lensyl Urbano (2009) quienes analizan un modelo para

inundaciones urbanas basado en sistemas de informacin geogrfica (GIS), de igual forma,

Jochen E. Schubert y Brett F. Sanders (2012), comparan cuatro mtodos para modelar flujo

inestable, multi-dimensional para predecir la extensin de la inundacin a travs de zonas

urbanas, Elisa Olivieri y Mario Santoro (2000), desarrollaron una metodologa para la estimacin

emprica de daos como un porcentaje del valor de la propiedad daada dependiendo de la

profundidad del agua en relacin con la frecuencia aplicada a la ciudad de Palermo. A nivel local,

se revis el estudio realizado por Hidroconsultores (2011), en el cual se emplea el HEC-RAS

para evaluar seis escenarios variando las secciones de las estructuras de control de flujo al Arroyo

en los predios de Reficar- Ecopetrol; tambin se consultaron los estudios realizados como trabajo

final de grado por Diana Garca y Ernesto Daz (1996) sobre las cuencas que cruzan la Va de

Mamonal, lvaro Beltrn y Mario Manchego (2012) sobre los usos del suelo en las cuencas de

algunos humedales del departamento del Magdalena, Uriel Arrieta y Jorge Morales (2012),


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plantean otra alternativa diferente a la contemplada en el estudio de Drenajes para el Municipio

de Turbaco, mediante el anlisis hidrulico de un pequeo embalse de retencin, Jaider Martnez

y Carlos Olivo (2012) realizaron el estudio hidrolgico e hidrulico de la cuenca del Arroyo

Casimiro buscando plantear alternativas de solucin para mitigar o prevenir los fenmenos de

inundacin que se presentan en la cuenca, estos hechos amplan y mejoran la literatura existente

relacionada con el Arroyo Policarpa.

La Universidad de Cartagena se ha caracterizado por tomar la iniciativa en proyectos que

promueven el desarrollo social de la ciudad y colaboren con la calidad de vida de las

comunidades como en el caso de esta investigacin que tiene una base social y adems

contribuye con otras entidades gubernamentales que solicitan apoyo o informacin como es el

caso de las CARs como CARDIQUE quien est interesada en el problema de desbordamiento

producido por el arroyo Policarpa. Para los futuros ingenieros es importante conocer los

problemas de drenaje de la ciudad y estudiar y aplicar los conocimientos adquiridos y las

metodologas que se utilizan para resolver y abordar diferentes tipos de posibles soluciones a las

inundaciones generadas por los cauces naturales de la ciudad.


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1. MARCO DE REFERENCIA

1.1 Antecedentes y Estado del arte

El Plan Maestro de Drenajes Pluviales 2007, que divide el arroyo Policarpa en los tramos

conocidos como Policarpa I y Policarpa II, establece que el primero de estos tiene una longitud en

tierra de 2700 metros y el segundo, de 1300 metros. Se tiene para ambos canales, una seccin

tpica trapezoidal sin recubrimiento a lo largo de sus trayectorias; se estableci en la fase de

diseo, que debido a las limitaciones presentadas por la ubicacin del canal en la zona industrial

y a las alteraciones del terreno e invasin del mismo en algunos sectores, estos dos canales no

tienen la capacidad necesaria para evacuar caudales en un periodo de retorno de dos aos

(Alcalda de Cartagena, Plan Maestro de Drenajes Pluviales, 2007), por tanto, se presentaron

diferentes alternativas para el diseo de los canales donde, se varan las secciones transversales y

los tipos de recubrimiento para un periodo de retorno de 25 aos.

Para mitigar o prevenir las inundaciones en la cuenca del arroyo de Policarpa, ha sido

necesario una recopilacin de estudios que se han hecho en la zona con el fin de conocer la

dinmica con la cual se realizan los procesos en los cuerpos de agua en el sector de Mamonal.

Estos estudios proporcionan una fuente de informacin que favoreci esta investigacin puesto

que indican una metodologa especfica a utilizar.


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Revisin tcnica de la h idrologa e hidrul ica del A rroyo Grande de la refi nera de

Cartagena. H IDROCONSULTORES LTDA.- documento sin publicar y sin presentar a

Cardique. 2011.

En este estudio se hace una revisin hidrolgica de la cuenca del Arroyo Grande, con el

fin de determinar las medidas de mitigacin, correccin y disminucin del riesgo de

inundacin en los predios de Reficar y Ecopetrol.

La cuenca de Arroyo Grande limita con la zona industrial de Mamonal y por esto se haca

necesario un sistema de mitigacin sobre las reas inundables de la zona para disminuir las

prdidas econmicas en el sector. Para esto, en este estudio se determinaron los parmetros

morfomtricos de la cuenca del Arroyo Grande, obtenindose a la entrada del rea de la

Refinera un solo hidrograma de caudal para cada perodo de retorno y probabilidad de

excedencia. Se evaluaron mediante el modelo HEC-RAS seis (6) escenarios variando las

secciones de las estructuras de control situadas a lo largo del tramo del Arroyo en el sector de

Reficar y sin modificar las estructuras finales sobre la va Mamonal pero construyendo diques

de proteccin a lo largo de las mrgenes en la zona de la Refinera. Finalmente se propone

una seccin transversal trapezoidal de 17m de base con taludes 2:1 (H:V), remplazar el box

culvert existente sobre la va Mamonal por un puente de luz libre de 17m, y profundizar el

fondo del arroyo mejorando las pendientes, iniciando la ampliacin desde el punto donde

termina la rectificacin del arroyo Grande propuesta por CBI, hasta la baha de Cartagena. Si

esta solucin no es factible de construccin inmediata, se recomienda la construccin de una

serie de diques de proteccin sobre las mrgenes del Arroyo en la zona de la Refinera.


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Di agnostico socioeconmico del bar rio Poli carpa Salavarr ieta de la ciudad de Cartagena de

I ndias, D. T y C.- Fundacin M amonal. 2008.

El objetivo de este estudio es realizar una actualizacin y organizacin de la

informacin socioeconmica de la comunidad del Barrio Policarpa en la ciudad de Cartagena,

para tomar decisiones en materia de accin social. Para esto se realizaron trabajos en campo

junto a la comunidad, por medio de la aplicacin de encuestas, recoleccin de informacin

histrica y datos estadsticos. Este estudio presenta informacin secundaria de gran

importancia para esta investigacin puesto que, consigna datos acerca del uso de suelo en la

zona, mapas e informacin socioeconmica que dan indicios del cambio del uso de suelo en el

sector.

Bases para el ordenamiento y manejo de la cuenca hidrogrfica que atraviesa la va a

Mamonal . D iana Beln Gar ca NarvezErnesto Rafael Daz Herazo. 1996.

En este estudio, se analizan las cuencas de los arroyos Policarpa, Cospique y Arroz

Barato; dndole un enfoque hidrolgico y de saneamiento ambiental al modelo que evala el

trnsito de las corrientes a travs de las estructuras hidrulicas. Con base en este anlisis, se

plantean las bases para el diseo de un plan de ordenamiento y manejo de la cuenca de la

zona industrial de Mamonal. Las cuencas se encuentran ubicadas cerca del Arroyo Grande.

En el estudio se describen las distintas formas de utilizacin y disposicin de los suelos, la

presencia de asentamientos industriales y urbanos en la hoya, a diferencia de la cuenca del

Arroyo Grande que se encuentra libre de asentamientos urbanos y de intervencin humana.

Para la cuenca del Arroyo Policarpa, el estudio est dividido en la obtencin de bases para la


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creacin de un plan de ordenamiento y en una parte investigativa con el fin de mitigar y

prevenir las inundaciones que se presentan en la zona.

Modelo basado en sistemas de inf ormacin geogrfica (GI S) para inundaciones urbanas.

Jian Chen, Ar leen A . H il l, L ensyl D . Ur bano. 2009, Publicado por Elsevier B.V.

Este estudio muestra un anlisis desarrollado en la universidad de Memphis, Tennessee

que prueba un modelo urbano en GIS. Consta de dos componentes principales: un modelo de

inundacin y un modelo de escorrenta de tormenta. En el modelo de inundacin se reconoce

la importancia de la topografa detallada y la informacin asociada a la acumulacin del flujo.

Este modelo se caracteriza por ser adaptado a morfologas planas y resulta muy til para

planificaciones urbanas y la preparacin en casos de emergencia debido a su rendimiento en

la relacin tiempo-eficiencia y sus bajos requerimientos de equipos.

Evaluacin del uso del suelo contemplado en los planes de ordenamiento terr i torial y su

inci dencia en l os planes de manejo ambiental de humedales. Caso de estudio: Cinaga de

Buenavista, cinaga cer ro de San Antonio, Cao Schi l ler y cinaga de Zapayn en el

departamento de MagdalenaColombia. lvaro Enrique Beltrn M ielesMario Al fonso

Manchego Muoz. 2012

Este proyecto plante como la identificacin de los conflictos entre el uso actual, el uso

reglamentado por los POTs de cada zona, y la capacidad de uso del suelo de los Municipios

ubicados en los humedales Cinaga de Buenavista, Cinaga Cerro de San Antonio, Cao

Schiller y Cinaga Zapayn en el departamento del Magdalena, con el fin de plantear

soluciones para su ordenamiento y conservacin, usando como herramientas los Sistemas de


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Informacin Geogrfica GIS. El programa Arcgis es utilizado ampliamente durante esta

investigacin como medio de creacin de mapas de lluvia que se han dado histricamente en

la zona en estudio, que sirvieron para conocer con mayor precisin, las intensidades de lluvia

que pudieron presentarse en el rea de la cuenca del arroyo Policarpa.

Bui lding treatments for urban fl ood inundation models and implications for predictive

ski ll and modeli ng eff iciency. Jochen E. Schubert- B rett F . Sanders, 2012

En este estudio se comparan cuatro mtodos para modelar flujo inestable, multi-

dimensional a travs de las zonas urbanas: la resistencia a la construccin (BR), la

construccin de bloques (BB), la construccin de hoyos (BH) y la construccin de la

porosidad (BP). Cada mtodo se aplica a la Baldwin Hills, CA urbana para escenarios de

rotura de presas, que ofrece excelentes datos de parametrizacin del modelo, validacin y

evaluacin global de rendimiento que incluye observaciones de extensin de la inundacin, el

flujo de corriente, y buscar en camino. Los resultados muestran que los cuatro mtodos son

capaces de predecir con precisin la extensin de la inundacin y el flujo de la corriente

utilizando mallas no estructuradas nicas, adaptadas para aprovechar las fortalezas de cada

enfoque.


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Analytical deri vation of reservoir routi ng and hydrological ri sk evaluation of detention

basins. School of Environmental Systems Engineering, The University of Western

Australi a. 2008

Este artculo presenta dos temas relacionados a la hidrologa urbana, es decir, una nueva

forma de la ecuacin del caudal de reservorio de salida pico de un embalse y la evaluacin

del riesgo hidrolgico de una cuenca de detencin sin control, en el que el ltimo requiere el

acoplamiento de enrutamiento de depsito y un mtodo de evaluacin de riesgos. En este

caso, el riesgo hidrolgico se define como la probabilidad de que la salida de pico de la

cuenca de detencin excede el valor objetivo para la prevencin de inundaciones aguas

abajo. El modelo de enrutamiento desarrollado da una estimacin del pico de flujo de salida

muy cerca del valor obtenido de los mtodos iterativos y exhibe una gran mejora con

respecto a las ecuaciones propuestas en estudios anteriores. La metodologa desarrollada

ofrece una tcnica aplicable para la evaluacin cuantitativa del riesgo hidrolgico de las

instalaciones de almacenamiento de aguas pluviales urbanas, lo cual es perfectamente

aplicable al proyecto tratado en este documento.

Impact of El Nio/Southern Oscil lation on H ydrology and Rice Productivity in Cauvery

basin, India: Application of Soil and Water Assessment Tool. K. Bhuvaneswari,V.

Geethalakshmi,A. Lakshmanan, R. Srin ivasan, Nagothu Udaya Sekhar .2013

El objetivo de este estudio fue comprender las variaciones en la hidrologa y la

productividad de los cultivos de arroz durante diferentes eventos observados de El Nio,

en la cuenca del ro Cauvery de Tamil Nadu, India. La cuenca entera Cauvery se dividi en
http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S2212094713000236


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301 sub-cuencas y se subdividen en 3.601 Unidades de Respuesta Hidrolgica ( HRU ). Un

modelo llamado SWAT se desarrolla de forma continua desde 1970 hasta 2008 para la

comprensin de la influencia de El Nio y La Nia sobre la hidrologa y la

productividad de los cultivos de arroz en la zona de estudio. Este estudio podra ser utilizado

para la previsin de la influencia de estos fenmenos en otras partes del mundo.

Estimating water volume vari ations in lakes and reservoirs fr om four operational satell ite

alt imetry databases and satell i te imagery data.Zheng Duan, W.G.M. Bastiaanssen.2013

Los niveles de agua en los lagos y embalses en la actualidad se pueden obtener a partir de

cuatro bases de datos de altimetra por satlite diferentes: ( i ) Global Reservoir y el Lago de

Monitoreo ( GRLM ) , ( ii ) Ros Hidrologa ( RLH ) , ( iii ) Hydroweb y (iv ) ICESat -

GLAS nivel 2 Global Land datos de altimetra de la superficie ( ICESat - GLAS ). En este

trabajo se propone un nuevo mtodo para estimar los cambios de volumen de agua en los

lagos y embalses de estas cuatro bases de datos en combinacin con los datos de imgenes de

satlite, sin ningn tipo de mediciones in situ y los mapas de batimetra. Se estudiaron tres

lagos y sus embalses con caractersticas diferentes, los cuales son, el Lago Mead ( EE.UU. )

, el lago Tana (Etiopa ) y el lago IJssel ( Pases Bajos). El resultado mostr que los

volmenes estimados de agua son concordantes con las mediciones in-situ y la raz del error

cuadrtico medio estaba dentro de 4,6 a 13,1 % de los volmenes medios de las mediciones

in situ. Este hecho demuestra a su vez, que los datos obtenidos por medio de fotografas

satelitales, como se utiliz en la investigacin referente a este documento son confiables y

precisos para realizar el estudio pertinente.
http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S0034425713000898http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S0034425713000898http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/article/pii/S0034425713000898


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Estimation of urban structur al f lood damages: the case study of Palermo. E li sa Olivieri -

Mari o Santoro. 2000

El objetivo de este trabajo ha sido los desarrollos de una relacin de frecuencia-daos

empricos, obtenidos por medio de estudios locales detallados, que podran ser una

herramienta de juicio para la mitigacin de las inundaciones en reas de drenaje fuertemente

urbanizadas. Monumentos y otros elementos que tienen un significado cultural o artstico se

han tenido especialmente en cuenta. El anlisis se ha llevado a cabo para el rea urbana de

Palermo (Italia). Los daos se han calculado como un porcentaje del valor de la propiedad

daada, dependiendo de la profundidad del agua. El costo de reemplazo estructural ha sido

utilizado para estimar el valor promedio de una propiedad. La eficiencia tcnica y econmica

de las diferentes medidas de mitigacin de inundaciones se puede evaluar comparando las

relaciones de frecuencia daos relacionados. Este estudio ofrece un panorama de

posibilidades o factores a contemplar en la evaluacin de alternativas de control de

inundaciones y sirve como base en esta investigacin, para tener un criterio ms asertivo al

momento de seleccionar la alternativa ms apropiada.

Plan de manejo por la exposicin a r iesgos naturales y tecnolgicos (Asentamientos de

Policarpa, Arroz barato y Puerta de hierro). Alcalda de Cartagena. 2009.

El objetivo principal de este estudio es realizar el diagnostico de las condiciones

ambientales, de vivienda y hbitat de las comunidades de Policarpa, Arroz Barato y Puerta

de Hierro, asentamientos ubicados en la Zona Industrial de Mamonal, que sirva de

fundamento para la formulacin del Plan de Manejo por la exposicin a procesos naturales y

tecnolgicos de las mismas, basado en la prevencin, el mejoramiento de las condiciones


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ambientales y acciones urbansticas dirigidas a mejorar sus condiciones de habitabilidad.

Este documento se presenta como antecedente a esta investigacin puesto que detalla las

condiciones tanto fsicas como sociales del entorno a la cuenca del arroyo Policarpa, y

provee una base para determinar las alternativas de solucin a la mitigacin de inundaciones

que se proponen en esta investigacin.

Gua Tcnico Cientfica para la elaboracin de Planes de Ordenacin y Manejo de

Cuencas H idrogrfi cas de Colombia. IDEAM . 2008

Su intencin es alentar la necesidad de analizar los problemas regionales o locales y la

forma de abordarlos, aportando conceptos y principios para ayudar en el proceso. El sexto

componente ensea un marco gerencial basado en la implementacin y el proceso de

seguimiento y evaluacin, cuyo propsito es allegar herramientas que permitan valorar el

avance de los Planes de Ordenacin y Manejo de Cuencas Hidrogrficas POMCH; incorporar

acciones correctivas con base en lecciones aprendidas, retroalimentar el proceso, y reconocer

los impactos que produce la implementacin de este instrumento en el restablecimiento

sostenible del equilibrio, entre el funcionamiento de los sistemas naturales y el sistema

socioeconmico y cultural.


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Seguimiento y anlisis de variables hidrolgicas para la mit igacin de las inundaciones.

IDEAM . 1998

El pas es bastante vulnerable al fenmeno de las inundaciones siendo las ms afectadas

las cuencas de los ros Magdalena, Cauca, Sin, San Jorge, Cesar, Meta, Arauca, Pata yotras

de menor importancia. Se destacan los desbordamientos en las cuencas de rgimen torrencial

que afecta las poblaciones asentadas a la orilla de los ros, la infraestructura de carreteras,

acueductos y zonas urbanas. El rea susceptible a inundaciones en el territorio colombiano

puede llegar en su mxima capacidad a unas 5 millones de hectreas. Las regiones en

Colombia que pueden verse afectadas por las inundaciones en cuanto a asentamientos

humanos y a nivel municipio son de muy alto riesgo cerca del 15%; con probabilidad alta el

16%; con probabilidad media el 4%; y con baja probabilidad el 22% de los municipios.

Plan Maestro de Drenajes Pluviales del Distr i to de Cartagena, Departamento de Bolvar.

Alcalda de Car tagena, 2007.

En este estudio, se realiz un diagnstico de la situacin a la fecha de los canales que

conforman la red de drenajes de la ciudad de Cartagena con el fin de diagnosticar la

problemtica presentada en dichos canales, para as, realizar una gestin urbana y ambiental

definiendo el tipo y la magnitud de las intervenciones que requieren los canales de la ciudad a

fin de hacerlos funcionar correctamente desde su nacimiento hasta la desembocadura.

En este documento se hace una presentacin de las condiciones del Canal Policarpa en

sus tramos I y II. Se determin en este estudio, que ambos canales con secciones tpicas


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trapezoidales y sin revestimiento, no tienen la capacidad para evacuar caudales de periodos de

retorno iguales a 2 aos. Con la fase de diagnstico terminada, en el Plan Maestro de

Drenajes Pluviales de Cartagena se estipulan una serie de soluciones para el

predimensionamiento de los canales que ayuden a controlar la situacin de inundaciones que

se presentan en el sector de Policarpa.

Di seo conceptual de un embalse de retencin (humedal arti f icial ) como al ternati va de

mitigacin a las inundaciones en el muni cipio de Turbaco. Ur iel Eduardo Arri eta Pea-

Jorge El iecer Morales Simanca. 2012.

El objetivo de este trabajo de grado, fue plantar otra alternativa diferente a la contemplada

en el estudio de Drenajes para el Municipio de Turbaco, para ello se realiz el anlisis

hidrulico de un pequeo embalse de retencin (humedal artificial), como alternativa de

solucin para el problema de las inundaciones frecuentes en el municipio de Turbaco. Se

realiz el anlisis hidrolgico a partir de la informacin de las estaciones pluviomtricas del

IDEAM, del Aeropuerto Rafael Nez, Escuela Naval Almirante Padilla, Bayunca, Santa

Ana, Arjona y Sincern, realizando la interpolacin y generando las curvas isoyetas a travs

del software de sistemas de informacin geogrfica ARCGIS. Se dise un embalse con una

altura total de 1.98m, una profundidad de agua de 1.93m y un talud de 1:2, para almacenar un

volumen total de 16464.48m3, con un rebosadero de seccin rectangular con una longitud de

cresta de 2m. El embalse de retencin diseado logra regular un caudal de 13.2m 3/s pasando

a 2.02 m3/s, logrando menores secciones de los canales aguas abajo, la disminucin de las

velocidades en el sistema de drenaje y la sostenibilidad de los canales existentes en el


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municipio de Turbaco; este documento estudia un tipo de alternativa referente al diseo de un

embalse para el control de inundaciones, la cual es considerada para el caso de Policarpa.

Anlisis hidrolgico e hidrulico de la cuenca hidrogrfica del arroyo Casimiro para

mitigar o preveni r las inundaciones que se presentan en su entorno. Jaider JosMartnez

Lavall e-Carlos David Oli vo Bustil lo. 2012

En este trabajo de grado, se realiz el estudio hidrolgico e hidrulico de la cuenca del

Arroyo Casimiro buscando plantear alternativas de solucin para mitigar o prevenir los

fenmenos de inundacin que se presentan en la cuenca. Para el anlisis hidrolgico de la

zona de estudio fue se utilizaron 7 estaciones cercanas a la cuenca hidrogrfica del arroyo

Casimiro, Estacin del aeropuerto Rafael Nez, Estacin de la Escuela Naval (CIOH),

Estacin de Bayunca, Estacin de Arjona, Estacin de Santa Ana, Estacin de Caaveral y

Estacin de Sincern. Se construyeron mapas de isoyetas para precipitaciones mximas

anuales y se ajustaron los datos a las funciones de probabilidad de Gumbel y logartmica y se

generaron las curvas IDF. Se determin a partir del anlisis de la hidrologa y la hidrulica de

la cuenca que es necesario realizar la ampliacin de las secciones de los cauces o utilizar

estructuras que permitan controlar los caudales aguas arriba debido a que la capacidad

hidrulica que tienen las secciones es insuficiente para transportar el caudal respectivo. Se

plantearon dos alternativas para prevenir las inundaciones consistentes en la ampliacin de

las secciones transversales en todo el recorrido final del arroyo y la segunda en la

construccin de 3 embalses. Tambin se analiz el deterioro de la cuenca, mediante el estudio


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de imgenes de Google en diferentes aos y se hicieron recomendaciones sobre el

ordenamiento y manejo ambiental de la cuenca.

A partir de la informacin recopilada y los antecedentes que ha presentado la zona, es

posible determinar e implementar una metodologa que conlleve a alcanzar los objetivos

planteados en esta investigacin.

1.2 Marco terico

A continuacin, se muestran las teoras y trminos referentes a la aplicacin de anlisis

hidrolgico e hidrulico que fueron necesarios para la elaboracin de esta investigacin.

1.2.1 Cuenca hidrogrfica

Una cuenca hidrogrfica es la delimitacin, por medio de lneas imaginarias

(divisoria de aguas), de un rea topogrfica de un rio o arroyo que drena sus aguas a

travs de un cauce principal hacia otro cuerpo de agua que puede ser el mar, o algn lago

o laguna. Existen diferentes tipos de delimitaciones con las que puede ser dividida una

cuenca, como los son la divisoria topogrfica que est dada por la delimitacin del relieve

y consiste en la secuencia de los puntos ms altos de la cuenca (generalmente se utiliza

para definir el rea de drenaje) y la divisoria fretica que es la lnea de energa compuesta

por los puntos de mayor energa del nivel fretico, por lo tanto, su posicin est sujeta a

variaciones puesto que se pueden dar cambios en las condiciones hidrulicas de la cuenca

(Visin Mundial Canad, 2004).


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1.2.2 Estudio hidrolgico

Un estudio hidrolgico sobre una cuenca hidrogrfica est comprendido por varias

etapas. La primera etapa corresponde a la definicin especfica del rea de estudio y a la

recoleccin de la informacin necesaria sobre la misma; se recopilan datos

meteorolgicos e hidromtricos, as como mapas topogrficos, de uso de suelo y

fotografas areas que comprendan el rea de inters.

La segunda etapa del estudio, se enfoca al anlisis de la informacin

meteorolgica con el fin de determinar las caractersticas climticas de la zona,

principalmente la pluviomtrica, que es el factor ms importante; as mismo, es analizada

la informacin hidromtrica para poder obtener los caudales mximos que se pueden

presentar en los diferentes periodos de retorno en la cuenca.

Por ltimo, en la tercera etapa se plantea la calibracin de un modelo para las

cuencas en estudio y la simulacin de los hidrogramas de crecida. En esta fase la

calibracin se realiza para eventos en los que las inundaciones y desbordamientos puedan

producirse, para luego proceder a la simulacin del caudal mximo asociado a una

tormenta hipottica para diferentes periodos de retorno con el fin de utilizarlos

posteriormente, en la simulacin hidrulica para obtener reas inundadas y los niveles de

amenaza (Aparicio, 1992).

Para realizar el anlisis hidrolgico de una cuenca, es necesario conocer las

caractersticas morfomtricas de la misma que estn relacionadas principalmente con la

forma, el tamao, la topografa del terreno y la caracterizacin del suelo.


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1.2.2.1 Parmetros mor fomtr icos.

La forma de una cuenca determina el comportamiento de la misma frente a las

precipitaciones y posteriores cambios en el caudal transportado.

Ancho Medio.

Una vez conocida la divisoria topogrfica, el rea de Drenaje (A) de una cuenca

est dada por la geometra en planta de la misma, la Longitud (L) del cauce principal est

dada generalmente en kilmetros y con estos dos parmetros, es posible determinar el

Ancho Medio (B) de la cuenca, haciendo una relacin entre el rea de drenaje y la longitud

del cauce.

Ecuacin 1

Coeficiente de Compacidad

Para tener un indicativo de la presencia de crecientes mayores en una cuenca, se

define el Coeficiente de Compacidad o ndice de Gravelius (Kc), que est definido por la

relacin matemtica entre la longitud de contorno del rea de la cuenca (P) y el rea de una

circunferencia equivalente al de la cuenca.

Ecuacin 2Dnde:

P: Permetro de la cuenca (km).

A: rea de drenaje de la cuenca (km2).

A medida que este valor se acerque a 1, esta hoya ser ms propensa a

inundaciones u otras problemticas. Un anlisis sencillo de la ecuacin anterior bastar


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para darse cuenta que en la medida en que la forma de una cuenca tienda a ser circular, el

ndice de Gravelius rondar la unidad, lo que representa una situacin crtica puesto que el

tiempo de recorrido del agua es ms corto que el de una cuenca alargada, en otras

palabras, estas cuencas circulares o ensanchadas tienen tiempos de concentracin menores

y por ende mayor rapidez para la concentracin de flujos de aguas superficiales.

Factor de Forma

En una cuenca, es posible determinar un Factor de Forma (Kf) que se define como

la relacin matemtica entre el ancho medio (B) y la longitud axial de la cuenca (L). Se

deduce entonces la siguiente ecuacin:

Ecuacin 3

Dnde:

A: rea de drenaje de la cuenca.

L: Longitud axial de la cuenca.

Un factor de forma bajo, es decir, una cuenca alargada, indica la tendencia a

presentar menos problemas de crecientes importantes.

Sinuosidad de la Corriente

En el trazado de una cuenca hidrogrfica se puede encontrar que tan apartado se

encuentra dicho trazado de una lnea recta. Este parmetro es llamado Sinuosidad de la


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Corriente de Agua (S) y se define como la relacin entre la longitud del cauce de una

corriente y la longitud del valle que lo contiene.

Ecuacin 4Se aceptan valores hasta 1.25 en el clculo de la sinuosidad, para considerar una

corriente con alineamiento recto.

Densidad de Drenaje

Una de las caractersticas morfomtricas ms importantes en un estudio hidrolgico

es la densidad de drenaje. A travs sta es posible verificar el curso de sus aguas en cuanto

a la capacidad de drenaje de la cuenca. As, se tiene que la densidad de drenaje es la

relacin entre la longitud total de las corrientes de agua (L) y el rea total de la cuenca (A)

en Km y Km2respectivamente.

Ecuacin 5Los valores que permiten interpretar la densidad de drenaje cuando se trabaja con

mapas en escalas de 1:25.000 se muestran en la tabla 1.

Tabla 1: Valores interpretativos de densidad de drenaje

Dd (km/km ) Categora

3 Muy alta

Fuente: Delgadillo & Paez ( 2008)

La densidad de drenaje puede influir el comportamiento de una cuenca debido a

que, si se tiene una cuenca bien drenada de categora alta o muy alta, esta genera poca

oportunidad a la escorrenta superficial de infiltrarse y llegar al nivel subterrneo; por el


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contrario, una densidad de drenaje muy baja representa a una cuenca pobremente drenada

y de respuesta hidrolgica muy lenta (Ruiz, 2001).

Pendiente media

La pendiente que lleva la corriente principal de la cuenca y se define como la

relacin entre la altura total del cauce principal (diferencia entre cota mxima y mnima) y

la longitud del mismo.

Ecuacin 6

Longitud media de la escorrenta superficial.

La escorrenta superficial es el agua procedente de las lluvias que circula por la

superficie y se concentra en los cauces. La extensin media de la escorrenta superficial, es

la distancia hipottica que tendra que recorrer el agua en la cuenca. Adems, se idealiza la

forma de la cuenca como rectangular. Se calcula de la siguiente manera.

Ecuacin 7

Dnde:

l: es la longitud media.

A: rea de drenaje de la cuenca en km2.

L: Longitud total de los cursos de agua de cuenca hidrogrfica, en km.


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La pendiente de la cuenca determinar en gran medida la velocidad de recorrido de

la escorrenta superficial y el tiempo de concentracin. Para calcular otros parmetros

importantes en cuencas, se encontrar la pendiente media a travs del mtodo de las

curvas de nivel.

Mtodo de las curvas de nivel

La pendiente media segn este mtodo se calcula as:

Ecuacin 8

Dnde:

li: Longitud de la curva de nivel i

di: Ancho promedio de la banda entre dos curvas de nivel.

Si: Pendiente media de la banda di.

ai:rea de drenaje correspondiente a la banda di.

D: Diferencia de cotas entre curvas de nivel i

S: Pendiente promedio de toda la cuenca.

A: rea total de la cuenca.

Lr: Longitud total de todas las curvas de nivel en la cuenca.


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1.2.2.2 Coeficiente de escorrenta

Representa la porcin de la precipitacin que se convierte en caudal, es decir, la

relacin entre elvolumen de Escorrenta superficialy el deprecipitacin totalsobre un

rea determinada. El Coeficiente de Escorrenta no es un factor constante, pues vara de

acuerdo a la magnitud de la lluvia y particularmente con las condiciones fisiogrficas de

la Cuenca Hidrogrfica (Cobertura vegetal, pendientes, tipo de suelo),por lo que su

determinacin es aproximada (Visin Mundial Canad, 2004).

1.2.2.3 Ti empo de retorno

El tiempo de retorno o periodo de retorno, es el periodo promedio en que el valor

del caudal pico de una creciente es igualado o superado una vez cada Tiempo (T). Este

periodo es encontrado a partir de la informacin relacionada con el uso del suelo y la

importancia de la zona en la que se encuentre la cuenca hidrogrfica (Aparicio, 1992) .

1.2.2.4 Estimacin de la in tensidad de ll uvia

El valor de la intensidad de lluvia se obtiene a partir de las curvas de Intensidad

DuracinFrecuencia (IDF), las cuales se construyen por medio de puntos representativos

de la intensidad media de precipitacin para diferentes duraciones, correspondientes todos

ellos a una misma frecuencia o perodo de retorno.

Mediante las curvas IDF es posible estimar la intensidad de tormentas intensas de

distintas duraciones y para diferentes periodos de retorno. La metodologa tradicional


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usada para el clculo de las curvas IDF consiste bsicamente en realizar un anlisis de

frecuencia a cada una de las series de valores mximos de precipitacin obtenidas para

cada duracin (Ruiz, 2001).

1.2.2.5 Estimacin de los tiempos de concentr acin

Se define como el tiempo mnimo necesario para que todos los puntos de una

cuenca estn aportando agua de escorrenta de forma simultnea al punto de salida, punto

de desage o punto de cierre. Est determinado por el tiempo que tarda en llegar a la

salida de la cuenca el agua que procede del punto hidrolgicamente ms alejado, y

representa el momento a partir del cual el caudal de escorrenta es constante, al tiempo

que mximo; el punto hidrolgicamente ms alejado es aqul desde el que el agua de

escorrenta emplea ms tiempo en llegar a la salida. La ecuacin para calcular el tiempo

de concentracin sigue los parmetros del mtodo de la velocidad. (Ibaez, Moreno, &

Gisbert, 2005).

1.2.2.6 Mtodo de l a velocidad

El mtodo de la velocidad propuesto en el Plan Maestro de Drenajes Pluviales de

Cartagena, establece que la velocidad de concentracin es proporcional a la raz cuadrada

de la pendiente media de la cuenca o subcuenca.

Ecuacin 9Donde, S es la pendiente de la cuenca y K es la constante regional.


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Luego, el tiempo de concentracin (Tc) se calcula como:

Ecuacin 10

Dnde:

Tc: tiempo de concentracin

Lc: longitud del cauce principal de la cuenca en metros

Vc: velocidad de concentracin

1.2.2.7 Mtodo racional

El mtodo racional expresa que la descarga es igual a un porcentaje de la

precipitacin multiplicado por el rea de la cuenca. La duracin mnima de las lluvias

seleccionadas deber ser el tiempo de concentracin en minuto, por tanto, puede escribirse

como (HIDROCONSULTORES LTDA, 2011):

Ecuacin 11

Dnde:

Q= caudal en litros por segundo

C= coeficiente de escorrenta

I= intensidad de la precipitacin en litros por segundos por hectreas

A= rea de la cuenca en hectreas

R= coeficiente de reduccin por el tamao del rea.


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Donde R se calcula a partir de la ecuacin

Ecuacin 12

Segn Carciente, (Carciente, 1980) la frmula racional est basada en ciertas

hiptesis:

El escurrimiento resultante de cualquier intensidad de lluvia es un mximo cuando

esa intensidad de lluvia dura, al menos, tanto como el tiempo de concentracin.

El escurrimiento resultante de una intensidad de lluvia, con duracin igual o mayor

que el tiempo de concentracin, es una fraccin de la precipitacin.

La frecuencia de la mxima descarga es la misma que la de la intensidad de lluvia

para el tiempo de concentracin dado.

La relacin entre mxima descarga y tamao del rea de drenaje es la misma que

la relacin entre duracin e intensidad de precipitacin.

El coeficiente de escorrenta es el mismo para lluvias de diversas frecuencias.

El coeficiente de escorrenta es el mismo para todas las lluvias en una cuenca

dada.

Con valores correctos de precipitacin pluvial y para un coeficiente de

escurrimiento dado, la formula racional siempre sobrestima el escurrimiento, con errores

apreciables al aumentar el tamao de la cuenca. Por consiguiente, esta frmula solo es

confiable en cuencas pequeas, generalmente de menos de 500 hectreas. (Carciente,

1980).


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1.2.2.8 H idrograma

Un hidrograma es una grfica utilizada para realizar un anlisis de la variacin de

caudales en un determinado tiempo. Se tienen dos tipos principales de hidrogramas. Los

hidrogramas anuales, son aquellos que registran las variaciones de caudal para una fuente

para un periodo de tiempo de un ao; el segundo tipo de hidrograma, se llama hidrograma

para un evento, el cual muestra el comportamiento del caudal para una precipitacin o

tormenta en particular (Aparicio, 1992).

1.2.2.9 H idrograma sinttico del SCS

El hidrograma adimensional SCS es un hidrograma sinttico en el cual el caudal se

expresa por la relacin del caudal q con respecto del caudal pico qpy el tiempo por la

relacin del tiempo t con respecto al tiempo de ocurrencia del pico en el hidrograma

unitario, Tp. Dados el caudal pico y el tiempo de recargo para la duracin de exceso de

precipitacin, el hidrograma unitario puede estimarse a partir del diagrama sinttico

adimensional para la cuenca dada. Para la ilustracin 1a, muestra uno de estos

hidrogramas adimensionales, preparado utilizando los hidrogramas unitarios para una

variedad de cuencas. Los valores de qp y Tp pueden estimarse utilizando un modelo

simplificado de un hidrograma unitario triangular tal como se muestra en la ilustracin 1b,

en donde el tiempo est dado en horas y el caudal en

(Soil Conservation Service,

1972).

Con base en la revisin de un gran nmero de hidrogramas unitarios, el Soil

Conservation Service sugiere que el tiempo de recesin puede aproximarse como 1.67 Tp.


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Como el rea bajo el hidrograma unitario debera ser igual a una escorrenta directa de

1cm, puede demostrarse que:

Ecuacin 13

Donde C = 2.08yAes el rea de drenaje en kilmetros cuadrados.

Adicionalmente, un estudio de los hidrogramas unitarios de muchas cuencas

rurales grandes y pequeas indica que el tiempo de retardo Tp=0.6Tc, donde Tc es el

tiempo de concentracin de la cuenca.

Ilustracin 1: a) hidrograma adimensional, b) hidrograma unitario triangular (Ven Te Chow, Hidrologia aplicada, 1994)

1.2.3 Hidrometeorologa1.2.3.1 Clculo de precipi taci ones mximas: Mtodo de las isoyetas.

Se puede definir una isoyeta como una curva que une los puntos dentro de un

plano cartogrfico, que presentan la misma precipitacin dentro un determinado perodo


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de tiempo. El mtodo de las isoyetas, fundamentalmente radica en calcular el rea (Si)

comprendida entre dos curvas isoyetas cuyas precipitaciones son P 1 y Pi+1, asignndole un

valor de precipitacin promedio correspondiente a la media aritmtica de las

precipitaciones (P1 y Pi+1) de las isoyetas entre las cuales se encuentra contenida. La

precipitacin promedio para toda el rea en estudio est dado por (SAGARPA, 2006):

Ecuacin 14

Dnde:

P1, P2Pn: precipitaciones correspondientes a cada curva isoyeta

S1, S2 Sn: reas comprendidas por las isoyetas.

Ilustracin 2: Mtodo de las Isoyetas

1.2.3.2 Estimaci n de precipitaciones mximas: Ajuste de datos

Este proceso consiste en realizar un anlisis de los datos hidrolgicos con el fin de

estimar la precipitacin mxima en 24 horas. Para ello, son utilizados el mtodo de

Gumbel y el ajuste logartmico:

P1

P2

Sn S2S1

Pn


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Ajuste por funcin de probabilidad de Gumbel.

Para el anlisis de valores de datos hidrolgicos aleatorios, un tipo de funcin de

probabilidad para el ajuste de los mismos es la funcin de probabilidad de Gumbel. El

ajuste por el mtodo de Gumbel se realiza en forma analtica y grfica partiendo de la

expresin doble exponencial con la cual el mtodo define la probabilidad de ocurrencia de

un valor mayor o igual al analizado Xi (Martinez & Olivo, 2012):

Ecuacin 15Dnde:

e : es la base de los logaritmos neperianos

yi: es la variable reducida, tal que

Ecuacin 16

Ecuacin 17

Ecuacin 18

Dnde:

: Promedio de los datos de la muestra

S: Desviacin estndar de los datos de la muestra

Xi:Datos de la muestra

Yn y Sn: Media y desviacin estndar de la variable reducida (respectivamente) que

dependen del nmero de aos de registros de la muestra.


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Ajuste Logartmico.

El ajuste logartmico consiste en representar grficamente el periodo de retorno

contra la precipitacin mxima presentada en 24 horas, para lo cual, primeramente es

necesario calcular los periodos de retorno en aos para cada una de las precipitaciones

mximas en 24 horas, para luego poder ajustar la grfica a la distribucin de probabilidad

logartmica (Ven Te Chow, Hidrologia aplicada, 1994).

Ecuacin 19

Ecuacin 20Dnde:

y: es la precipitacin en mm

x: es el periodo de retorno en aos.

Sin embargo, se hace necesario estimar la intensidad de lluvia para duraciones

distintas a 24 horas aplicando la ecuacin de porcentaje de precipitacin definida para las

precipitaciones de la Estacin Aeropuerto Rafael Nez (Bolivar & Ghang, 1997):

Ecuacin 21

Dnde:

%P: representa el porcentaje de la precipitacin mxima que caer en lluvias de

menor duracin.

t: expresa la duracin de la lluvia en horas.


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1.2.3.3 Curvas IDF mediante anlisis de frecuencia.

Utilizando una funcin de probabilidad de valor extremo semejante a la de

Gumbel y contando con informacin suficiente, es posible realizar de manera eficaz, un

anlisis de frecuencia para determinadas duraciones. As, de los registros histricos

pluviomtricos, son extradas las lluvias mximas anuales para cada una de las duraciones

seleccionadas y se les aplica un anlisis de frecuencia a los datos anuales. Seguidamente

se determina la intensidad de la precipitacin para el periodo de retorno requerido con las

funciones encontradas anteriormente, para posteriormente, construir las grficas IDF con

esta informacin (SAGARPA, 2006).

En 1982 Wenzel dedujo la relacin de la intensidad para algunas ciudades de los

Estados Unidos en la siguiente ecuacin:

Ecuacin 22

Dnde:

i: intensidad de la lluvia

Td: duracin

d, c, f: coeficientes dependientes del lugar y periodo de retorno.

Una forma ampliada de la ecuacin anterior para incluir el periodo de retorno es:

Ecuacin 23

La anterior ecuacin ser utilizada para relacionar las curvas IDF.


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1.2.4 Estudio hidrulico

Un estudio hidrulico aplicado sobre una cuenca hidrogrfica pretende

especficamente conocer las caractersticas relacionadas a la geometra del canal, de esta

manera se relacionan los comportamientos que el canal pueda presentar a sus propias

condiciones fsicas.

1.2.4.1 Propi edades geomtr icas

Segn lo descrito en el libro de hidrulica de canales abiertos Ven Te Chow del

ao 1994, dentro del estudio hidrulico, se determina primeramente los elementos

geomtricos de una seccin del canal. Estas propiedades son determinadas a travs de la

geometra y la profundidad de flujo que se presenta en dicho canal.

La profundidad de flujo, y, es la distancia vertical del punto ms bajo del canal

hasta la superficie libre y a menudo se intercambia con el termino profundidad de flujo de

la seccin, d.

El ancho superficial, T,es el ancho de la seccin del canal en la superficie libre.

Se calcula por medio de la formula (Ecuacin 24).

El rea mojada Aes el rea de la seccin transversal del flujo perpendicular a la

direccin del flujo. (Ecuacin 25).

El permetro mojado Pes la longitud de la lnea de interseccin de superficie de

canal mojada y de un plano transversal perpendicular a la direccin de flujo.

(Ecuacin 26).


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El radio hidrulico Res la relacin entre el rea mojada y el permetro mojado de

la seccin del canal. (Ecuacin 27).

1.2.4.2. Determinacin de caudal: Ecuacin de Manni ng

La ecuacin de Manning fue desarrollada en 1889 por el ingeniero irlands Robert

Manning quien encontr la relacin de la velocidad con los parmetros geomtricos

pendiente longitudinal y radio hidrulico, adems del coeficiente de rugosidad de

Manning.

Ecuacin 28Esta ecuacin est basada en condiciones de flujo uniforme permanente en donde,

se considera que la profundidad, rea mojada, velocidad y caudal de la seccin se

mantienen constantes. En corrientes naturales, es muy poco probable encontrar el

desarrollo de un flujo uniforme permanente, debido a que en ros y corrientes en estado

natural casi nunca se experimenta una condicin estricta de flujo uniforme. Sin embargo,

a pesar de estas desviaciones a la realidad, se tiene que los resultados obtenidos a partir de

estas suposiciones de flujo uniforme son aproximados y generales y, constituyen en s,

una forma simple y satisfactoria para muchos problemas prcticos.

A partir de la ecuacin 29 se puede referir el caudal que corre por el canal al rea

mojada, radio hidrulico y pendiente, reemplazando la velocidad por la relacin del

caudal y el rea. La ecuacin 30 ser utilizada para determinar el caudal que puede

contener una seccin transversal, asumiendo un borde libre de 5 centmetros.


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Ecuacin 29

1.2.5 Fotointerpretacin

La Fotointerpretacin es una ciencia o tcnica que tiene como objetivo estudiar y

analizar la informacin extrada mediante la descripcin de un diseo con aplicaciones

visuales y digitales de percepcin remota. Es el proceso por el que se extrae la

informacin contenida en cualquier fotografa area.

1.2.6 Embalses

Son volmenes de agua retenidos en un vaso topogrfico natural o artificial gracias

a la construccin de estructuras hidrulicas. Entre las ventajas ms notables de la

construccin de embalses se encuentran el mejoramiento del suministro de agua en

centros urbanos en pocas de sequa, desarrollo de industria pesquera y recreacional,

mantenimiento de reservas de agua y control de crecientes de ros y daos causados por

inundaciones; sin embargo, la construccin de un embalse tambin implica un cambio en

la ecologa de la zona, traslado de asentamientos urbanos y un posible incremento de

actividad ssmica durante el llenado de embalses grandes (Villamizar, 1989).

1.2.6.1 Cl asif icacin

Segn Villamizar, la clasificacin de los embalses puede hacerse segn su funcin

y su tamao, de la siguiente manera:


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Segn su funcin

Embalses de acumulacin: retienen excesos de agua en periodos de alto

escurrimiento para ser utilizados en pocas de sequa.Embalses de distribucin: no producen grandes almacenamientos pero facilitan

regularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua, plantas de tratamiento y

estaciones de bombeo.

Pondajes: pequeos almacenamientos locales para suplir consumos locales o

demandas pico.

Segn su tamao

La clasificacin de los embalses de acuerdo a su tamao se realiza ms por razones

de tipo estadsticas que por inters desde el punto de vista tcnico.

Embalses gigantes,Volumen almacenado > 100.000 Mm3.

Embalses muy grandes, 100.000 Mm3> Volumen almacenado Volumen almacenado Volumen almacenado


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1.2.6.2 Consideraciones para la seleccin del sitio del embalse

El vaso natural debe tener una adecuada capacidad, la cual es definida por la

topografa del terreno. Se debe buscar obtener la mayor relacin entre agua almacenada yel volumen de la presa.

La geologa del lugar se debe analizar desde el punto de la filtracin del lecho del

embalse estudiando las fallas, contactos y fisuras. Las mejores condiciones para un

embalse las proporcionan los suelos arcillosos o los conformados por rocas sanas,

mientras que, los peores son los lechos constituidos por suelos limo-arenosos. Si las

filtraciones son muy grandes, muy probablemente el lugar no ser apto para la

construccin de embalses debido a la perdida de aguas y el incremento del nivel fretico

de la zona.

La estabilidad de los taludes, debido a que a causa de los decrementos de los

niveles de las aguas, se pueden producir deslizamientos de terreno.

Avalo de los terrenos a inundar. Se debe cumplir que los costos de compra de losterrenos a inundar no sean excesivos, adems que en lo posible, las zonas aledaas al

embalse no tengan vas importantes o edificaciones de relocalizacin costosa.

El impacto ambiental y social tanto aguas arriba como aguas abajo debe

considerarse y evaluarse (Villamizar, 1989).

1.2.6.3 Caractersticas

Lo ms importante de un embalse es su capacidad de almacenamiento, que se

representa por medio de dos curvas caractersticas:


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Evaluacin hidrolgica e

analisis hidrologico e hidraulico de

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