Estudio Hidrologico [PDF]

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“INSTALACION DEL SISTEMA DE AGUA SALUDABLE EN LA LOCALIDAD DE RIOJA, DISTRITO DE RIOJA - PROVINCIA DE RIOJA - REGIÓN SAN MARTIN”

I.

ASPECTOS GENERALES

I.1.

INTRODUCCIÓN La ciudad de Rioja pertenece al distrito de Rioja, provincia de Rioja,

región San Martín, está ubicado en el valle del Alto Mayo, al noroeste de la región San Martín, en el flanco oriental del relieve andino. La zona es una superficie ondulada, donde el río tiene un cauce meándrico con bordes del cauce

muy

bajos, en épocas de avenida con frecuencia se incrementa el caudal, ocasionando daños, en el área agrícola, en la infraestructura vial y en las viviendas. Esta característica del cauce concentrada al gran caudal del río uquihua en épocas de máxima precipitación, provoca erosión en el cauce, amenazando la seguridad en las propiedades y las infraestructuras públicas. Para el presente documento técnico denominado “ESTUDIO HIDROLOGICO DEL RIO UQUIHUA PARA DETERMINACIÓN DE MÁXIMAS AVENIDAS CON SIMULACIÓN DE INUNDACIONES CON FINES DE DEFENSA RIBEREÑA DEL RIO componente

del

UQUIHUA,

Proyecto

DISTRITO RIOJA”, se

“INSTALACION

DEL

realiza como

SISTEMA

DE

AGUA

SALUDABLE EN LA LOCALIDAD DE RIOJA, DISTRITO DE RIOJA PROVINCIA DE RIOJA - REGIÓN SAN MARTIN”. La obra de la defensa ribereña a proyectarse en el área de estudio del rio Uquihua, son estructuras necesarias e indispensables para la conservación del recurso agua de la naciente el chorro a aprovecharse y para la seguridad permanente de los pobladores inmersos a la jurisdicción del proyecto. Para el desarrollo del proyecto defensa ribereña del río Uquihua y obras complementarias se realizaron los respectivos cálculos para determinar las dimensiones y características principales de los diques y ubicaciones, de acuerdo a lo establecido, principalmente en el estudio hidrológico e hidráulico, así como sus condiciones topográficas, geológicas y geotécnicas que se establezcan en los respectivos estudios.

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El objetivo es determinar el caudal máximo para periodos de retorno de 10, 25 y 50 años, de tal manera de contar con el caudal de diseño y realizar la simulación de inundaciones con el programa Hec Ras 4.1.0 y la determinación de las áreas de inundación con el programa Geo Ras y ArcGIS 10.3. I.2.

OBJETIVOS

 Determinar la delimitación de la microcuenca Uquihua para el cálculo de su área, perímetro, parámetros fisiográficos y drenaje.  Determinar el procesamiento, análisis de los parámetros hidrológicos, precipitación y escorrentía para el cálculo del caudal superficial.  Determinar y generarlas descargas máximas para diferentes períodos de retorno en la microcuenca Uquihua que componen el área en estudio. II.

ESTUDIO HIDROLÓGICO II.1.

GENERALIDADES El estudio hidrológico está orientado en cuantificar la magnitud del

caudal

de

avenidas

del

rio

Uquihua,

partiendo

de

la

información

hidrometeorológica correspondiente al área de su microcuenca. La zona en estudio se encuentra ubicada en el tramo final del cauce del rio Uquihua próxima a su desembocadura en el rio Tonchima, sobre un terreno ondulado con bordes de poca altura, presentando desbordes en ciertos sectores, por lo que el cauce de dicho rio es predominantemente meándrico. En épocas de avenidas (diciembre – abril), el rio se desborda peligrosamente, perjudicando viviendas, áreas de cultivos e infraestructura vial. El relieve y los suelos en el cual se desarrolla el proyecto, aunados a 2

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las condiciones ecológicas y meteorológicas que presentan, son aspectos de trascendental importancia que inciden en una adecuada evaluación de los recursos. En este sentido, la determinación probabilística de los eventos extraordinarios, como en el caso de las avenidas, requieren de una confiable y suficiente información para su respectivo análisis. La zona del proyecto ubicado en parte de la selva peruana, carece de información, se expresa solo en datos

escasos la información hidrológica

debido a la baja densidad de estaciones hidrometeorológicas en grandes superficies hidrográficas, lo que se traduce en limitaciones para el análisis estadísticos de los eventos históricos. En estos casos la metodológica adoptada en los estudios hidrológicos se sustenta principalmente en criterios de regionalización con transferencia de información de áreas aledañas y/o similares a la del estudio. II.2.

DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA EMPLEADA El estudio hidrológico comprenderá la evaluación de la información

meteorológica y su análisis estadístico, igualmente se hará una evaluación completa de la microcuenca respecto al estudio hidrológico. Por otro lado se hallará los caudales máximos de diseño para diferentes periodos de retorno, pero el que necesitamos para el presente estudio es un periodo de retorno de 25 años. Con el fin de concretar los criterios adecuados para conocer las características hidrológicas del sector, se realizó el estudio en las siguientes etapas: II.2.1. Actividades preliminares El equipo técnico realizo la delimitación del ámbito de trabajo, además se ubicaron los puntos de aforo. II.2.2. La Recopilación de información

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Comprende la recolección, evaluación, análisis de la documentación existente como cartografía y pluviométrica en el área de estudio. Las características principales de una microcuenca son: forma, área, perímetro, pendiente, relieve, altitud, red de drenaje. Cuando se trata de evaluar la cantidad de agua caída sobre una microcuenca se tiene que ver la influencia de la disposición de los pluviómetros. En nuestro caso no existe una estación pluviométrica en el área del estudio. Donde un pluviómetro da información precisa de un solo punto, que es aquel en donde está instalado y por consiguiente extender la información de un solo pluviómetro a toda una microcuenca que abarca aproximadamente 124.35 kilómetros cuadrados con terrenos de altitudes variables, como los tipos de vegetación de altura, temperaturas altas en ciertos meses del año, etc., sin embargo en nuestro país no se cuenta con una red de pluviómetros, y en los casos que existen estos ofrecen diversas forma de control y están muy dispersos, además debido a los problemas sociales acaecidos en años anteriores en algunos casos se han desactivado y en otros tienen información incompleta, con datos históricos de pocos años que no establece la consistencia adecuado de los datos, por tal motivo se han tomados estaciones cercanas con características geomorfológicos similares. II.2.3. Trabajos de campo Consiste en un recorrido del área de influencia para su evaluación y observación de las características, relieve y aspectos hidrológicos de los ríos así como la identificación de la microcuenca, como su comportamiento del volumen en las diferentes épocas del año. II.2.4. Fase de gabinete En la fase de gabinete se cumplieron los objetivos contemplados. II.3.

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INFORMACIÓN BÁSICA

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Las informaciones que se ha utilizado son:

II.3.1. Pluviometría La escorrentía producida en el área de estudio proviene en su mayoría, de las precipitaciones pluviales caídas en la zona, especialmente de las partes altas de la microcuenca que son tomadas en relación a su similitud de las características fisiográficas, datos climatológicos y otras variables influyentes dentro de la similitud de precipitación como son. Para la evaluación pluviométrica, se ha tomado los datos del SENAMHI con un periodo de 8 años (1996 hasta 2004) de registros en precipitación máxima en 24 horas, los cuales se ha usado para la generación de caudales máximos. II.3.2. Hidrometría Para las mediciones hidrométricas o de caudales fue necesaria la utilización de métodos matemáticos hidrológicos para la obtención de caudales máximos, que servirán para el diseño de las obras hidráulicas respectivas. Aunado a ello, se efectuó las mediciones de caudales por seccionamiento transversal del cauce del rio en estudio. II.3.3. Precipitación -

Estaciones

Existe una estación representativa que abarca la zona del proyecto perteneciente a la estación del SENAMHI en Moyobamba, la misma que cuenta con 8 años de registros de precipitaciones máximas en 24 horas. Desde (1996

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hasta 2004). -

Registros estadísticos

Para el estudio hidrológico de la microcuenca, la información con la que se cuenta es de 8 años de registros de precipitaciones máximas en 24 horas. Desde (1996 hasta 2004), la cual permitió identificar el comportamiento climático imperante en el área ocupada por la estructura, para lo cual se solicitó la información a SENAMHI (1980 - 2009). La ubicación de esta estación climatológica y el período de registro para poder tener una mayor consistencia en los datos tomados, es la siguiente: Cuadro Nº 01. Estaciones meteorológicas de la zona. Ubicación Latitud Longitud

Estación Pluviométrica

Sur 06º 00'

Moyobamba

Oeste 76º 58’

Provincia Moyobamba

Altitud m.s.n.m. 842

Fuente: SENAMHI – Oficina de Estadística.

La información proporcionada por el SENAMHI respecto a las precipitaciones máximas en 24 horas registradas en la Estación “Moyobamba”, se presenta en hoja adjunta. En el Cuadro Nº 02 se muestran las precipitaciones máximas en 24 horas registrada en los últimos ocho años. Cuadro Nº 02. Precipitaciones máximas en 24 horas (mm). Estación Moyobamba 1 2 3 4 5 6 6

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Parámetro Precipitación máx. en 24 horas 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Período 1996 - 2004 197.6 280.9 182.5 254.8 234.4 266.5

Mes Octubre Febrero Octubre Febrero Diciembre Marzo

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7 8 9

2002 2003 2004 Promedio Des. Estándar Coeficiente de variación (%)

181.4 227.9 209.84 226.20 36.24 16.02

Abril Diciembre Noviembre

Fuente: SENAMHI – Oficina de Estadística.

Respecto a los datos observados, estos presentan un coeficiente de variabilidad de un 16.02% lo que indica que las distancias al cuadrado de estos respecto a su media son poco distantes o muy homogéneos. II.3.4. Información cartográfica Esta información se obtuvo de las cartas nacionales, proporcionadas por el Instituto Geográfico Nacional – IGN. Para el presente estudio se requirió de una carta a la escala 1:100000, donde se ubicó el cauce del rio actual, indicando algunas características del estudio, delimitando también la microcuenca hidrográfica correspondiente a cada curso de agua, que determinarán los parámetros físicos propios del terreno, como área, longitud de curso, pendiente, cobertura vegetal, etc. Esta información cartográfica, más la obtenida de campo, permitió elaborar el plano de la microcuenca, con la adecuada identificación de los cursos de agua y la ruta existente. III.

MICROCUENCA UQUIHUA III.1.

UBICACIÓN III.1.1. Ubicación geográfica La microcuenca del rio Uquihua, está ubicado en el flanco oriental del

relieve andino, nace al sur del ACM “Cuchachi” a una distancia aproximada de 2 Km; sus principales afluentes son las quebradas: Las Velas, San Francisco, Cuchachi y Mishquipanga. Específicamente el proyecto se encuentra en las siguientes 7

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coordenadas UTM WGS 84: Este: 258367; Norte: 9329915; Altitud: 824 m.s.n.m., perteneciente al distrito de Rioja. III.1.2. Ubicación política La microcuenca Uquihua está ubicada en la jurisdicción del distrito de Rioja, provincia de Rioja, departamento de San Martin.

III.2.

DESCRIPCIÓN DE LA MICROCUENCA La microcuenca del rio Uquihua es la principal fuente abastecedora

de agua para consumo de los pobladores de la ciudad de Rioja y para el desarrollo de la actividad agrícola en los distritos de Rioja y Pósic; así mismo, facilita el desarrollo de la actividad pecuaria en la zona de Yorongos y Mashuyacu. III.2.1. Pendientes del río y Cobertura del área El curso principal del rio Uquihua nace al sur del ACM “Cuchachi” a una distancia aproximada de 2 Km; sus principales afluentes son las quebradas: Las Velas, San Francisco, Cuchachi y Mishquipanga. Asi mismo la zona de influencia del proyecto se encuentra ubicada en el tramo final del cauce del rio Uquihua próxima a su desembocadura en el rio Tonchima. Los ojos o nacientes de agua del río Uquihua, se encuentran con abundante agua en época de lluvias, llegando algunos a escasear y secarse en época de estiaje; esto es debido a que existe un pequeño remanente de bosque en las nacientes, el resto son en su mayoría pastizales, quienes no cumplen una buena función reguladora del recurso hídrico. El cauce principal desciende desde su cota más alta del, 1,100 m.s.n.m. hasta los 821 m.s.n.m. en un recorrido de 25.59 km., el cauce se desarrolla en una topografía de relieve mucho más suave con una pendiente promedio de 1.09%. III.2.2. Características del cauce - meandros 8

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El último tramo es de geometría meándrica, por la inspección efectuada en el lugar se ha podido observar cauces antiguos que ha dejado el río por su recorrido sinuoso y su ribera de material aluvial, la sedimentación se ha acumulado en unos puntos y erosionado en otros, formando los meandros actuales. Un meandro es una curva descrita por el curso de un río cuya sinuosidad es pronunciada. Se forman con mayor facilidad en los ríos de las llanuras aluviales con pendiente muy escasa, dado que los sedimentos suelen depositarse en la parte convexa del meandro, mientras que en la cóncava, debido a la fuerza centrífuga, predomina la erosión y el retroceso de la orilla. Cuando debido a la erosión, dos cauces curvos se encuentran, el río corta camino a través de la zona donde se oponen las corrientes y se forma un lago de herradura o de collera de buey (en inglés oxbowlake), ya que los sedimentos cierran la entrada y salida del antiguo meandro, quedando fuera del cauce del río. III.2.3. Evidencia de avenidas y asentamientos humanos Existen evidencias determinadas por la inspección y diagnóstico de las condiciones locales, verificada con la información proporcionada por habitantes del lugar, que las máximas avenidas del rio Uquihua a su paso por el sector de emplazamiento de las obras proyectadas, después de colmar el actual cauce de circulación permanente del agua, desborda sus excedentes por el margen izquierdo, que funciona como un eventual aliviadero por las mayores descargas del rio. En estas condiciones, el rio inunda, rebasando eventualmente su margen izquierdo de manera de llegar a cubrir una extensa llanura de la parte baja y cercana al río Tonchima, pero sin afectar la zona urbana de la localidad. Mientras existen los meandros en el área aledaña a los poblados, el río adopta una sección de mayor dimensión que rebasa el cauce existente. III.2.4. Parámetros fisiográficos Las características físicas y climáticas de una microcuenca, ejercen 9

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efectos determinantes en su comportamiento e influyen en la distribución de la escorrentía superficial a lo largo de los cursos de agua, siendo responsables del comportamiento y magnitud de las avenidas que se presentan en la microcuenca. Los principales parámetros hidrofisiograficos de la cuenca del rio Uquihua son: 

Área de la cuenca (A)

: 124.35 Km2



Perímetro de la cuenca (P)

: 56.07

Km.



Longitud del curso más largo (L)

: 25.59

Km.



Longitud total de los cursos de agua (I Li)

: 42.08

Km.



Ancho medio de la cuenca (W=A/L)

: 7.44

Km.



Cota más alta del rio (m)

:1100

m.s.n.m.



Cota del rio en las defensas ( H p )

: 821

m.s.n.m.



Desnivel mayor del rio ( Ht = Ha - Hp )

: 279



Pendiente del curso principal ( S = (Ht / L)*100 )

: 1 .09



Altitud media de la cuenca ( Zc )

: 890



Coeficiente de compacidad ( Kc =0.28(P/√A))

: 1.41

m.

m.s.n.m.

El coeficiente de compacidad se refiere a la relación que existe entre el perímetro de la cuenca y el de un círculo de área similar al de la cuenca del estudio. Este resultado nos indica que la cuenca presenta una forma alargada, por lo tanto será gradual su respuesta hidrológica a las fuertes precipitaciones. 

Factor de forma (Ff=A / L2)

: 0.19

Define la tendencia mayor o menor de avenidas extraordinarias en la cuenca, y es representado por la relación entre el área de la cuenca y la longitud al cuadrado del curso de agua más largo. Los valores que se aproximen a la unidad reflejan una mayor tendencia de la cuenca a la presencia de avenidas 10

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extraordinarias de gran magnitud. El valor obtenido nos indica que el rio Uquihua tendrá un incremento gradual de las aguas al producirse fuertes precipitaciones. 

Densidad de drenaje ( Dd = ∑ Li / A )

: 0.34

Es la relación entre la longitud total de los cursos de agua perennes e intermitentes de una cuenca (cursos principales y tributarios) y el área de la misma. Este parámetro nos indica la capacidad que tiene la cuenca para drenar las aguas de escorrentía. III.2.5. Climatología El ámbito de influencia del estudio hidrológico de la microcuenca Uquihua se encuentra en la región denominada Omagua o Selva baja, de acuerdo a la clasificación del Dr. Javier Pulgar Vidal, caracterizado por presentar un relieve plano. Según el Diagrama de Holdridge, las formaciones transicionales se ha estimado que tienen las características bioclimáticas de Bosque Húmedo Premontano Tropical, de las formaciones bosque húmedo Premontano Tropical (bh - PT). Representa a un ecosistema con precipitaciones moderadas y temperaturas bajas. Se encuentra entre los 850 y 1200 msnm., ocupando las colinas bajas y lomas, así como el plano central aluvión al del río Mayo. Le corresponde un clima ligero a moderadamente húmedo y semi - cálido; el promedio anual de precipitación se encuentra alrededor 2600 mm; la temperatura promedio es de 22.5 °C, registrando variantes que fluctúa entre 16.5°C y 28.4°C. Las asociaciones o ecosistemas de mayor importancia están representadas por planicies depresionadas, laderas de montañas y montañas. III.3.

EVALUACIÓN DE LA MICROCUENCA III.3.1. Cálculo del caudal de diseño En el cuadro Nº 03 se muestras las precipitaciones máximas

acontecidas durante el periodo 1999 al 2004. 11

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Cuadro Nº 03. Precipitaciones máximas en 24 horas (mm). Periodo de evaluación en años (1996 – 2004) 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

AÑO PREC. MAX. EN

197,

280,

24h

6

9

182,5

254,

234,

266,

181,

8

4

5

4

2004

227,9 209,84

Fuente: SENAMHI – Oficina de Estadística.

Cuadro Nº 04. Orden decreciente de las precipitaciones. N° De orden

Precip. Max Yi en

Periodo de

(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

24 horas 280,9 266,5 254,8 234,4 227,9 209,84 197,6 182,5 181,4 2035,84

retorno(n+1)/m 11,00 5,50 3,67 2,75 2,20 1,83 1,57 1,38 1,22

-

( Yi - Y )2 2991,60 1623,73 817,71 67,17 2,87 267,80 818,21 1910,08 2007,44 10506,61

Calculo de valores extremos para máximas anuales

Dónde: y

= Precipitación máxima anual en 24 horas.

Sy

= Desviación Estándar de los valores de precipitación máxima en 24

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horas (Registrados por año) Yn

= Media (GumbelI ), en función del N° de años de registro (dato de tabla)

Gn

= Desviación Estándar (GumbelI ), en función del N° de años de registro (dato de tabla)

Tm = Tiempo de retorno de un máximo anual esperado Como N° de años de registro es igual a 10 entonces: Yn

=0.4952

Gn

= 0.9496

Para un tiempo de retorno de 25 años y

= 309.72mm. -

Calculo de la intensidad

Cuadro Nº 05. Distribución normal de la precipitación en porcentajes para 6, 12 y 23 horas. Duración en horas

% Precipitación

Precipitación (mm)

6 12 24

75 85 100

232,29 263,26 309,72

Cuadro Nº 06: Precipitación en porcentajes para 1, 2, 3, 4, 5, Y 6 horas. Duración en horas

% Precipitación

Precipitación (mm)

6 5 4 3 2

100 92 84 75 64

232,29 213,70 195,12 174,22 148,66

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1

49

113,34

Intensidad máxima de diseño para 10 años: 106.34 mm. Cuadro Nº 07. Precipitaciones para diferentes tiempos de retorno. Estación Moyobamba

Distribución

Tiempo de retorno

teórica

100

50

25

10

125.18

119.41

113.34

105.52

Gumbell

El Dmáx de la distribución Gumbell es la más baja y que está por debajo del valor D crítico. Por lo tanto se toma esta distribución para los cálculos posteriores. III.3.2. Precipitaciones máximas en 24 horas La Hidrología es la ciencia que se apoya fundamentalmente en la estadística y las probabilidades, entendiendo de ese modo que los valores calculados pueden mostrar una posible ocurrencia, por ello es importante la evaluación y análisis de la información proporcionada por las entidades oficiales, que a veces no cuentan con los registros históricos suficientes o en algunas ocasiones son inconsistentes. El tipo de precipitación a usar para los cálculos definitivos, es la máxima en 24 horas de la estación elegida, la consistencia de la información de este parámetro es comprobada por el SENAMHI que es donde proviene; sin embargo, se confirmará la consistencia de esos datos mediante un software, que indicará además, a que distribución teórica se ajusta mejor y con ella proyectar la precipitación de diseño a determinados períodos de retorno. Tal como se muestra en el Cuadro Nº 02, la estación pluviométrica “Moyobamba” tiene suficiente registro de lluvias para realizar los cálculos necesarios que nos permitirán la obtención de los caudales de diseño. Evaluando la información de esta estación, se observa que recibe la 14

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influencia de la cuenca hidrográfica del Océano Pacifico en las precipitaciones registradas en Rioja. Los valores de lluvias registradas que ocurren durante el año, como se aprecia en los datos mostrados, se diferencian gradualmente entre sí, es decir que no hay diferencias extremas, resaltando más de los años 1996, 1997 y 2004. III.3.3. Precipitaciones generadas en puntos determinados No ha sido necesaria la generación de precipitación para determinados puntos de los registros proporcionados por SENAMHI de la zona en estudio. III.3.4. Intensidad de lluvias Las intensidades de las lluvias han sido calculadas dentro del hidrograma unitario. III.3.5. Coeficiente de escorrentía El coeficiente de escorrentía se encuentra en 45%. Ya que la cobertura vegetal en la zona del proyecto es bastante espesa con características de selva alta y lluviosa. III.3.6. Estimación de la descarga media Para la estimación de la descarga media mensual es necesario contar con datos de precipitación de estaciones meteorológicas confiables como el SENAMHI. III.3.7. Generación de caudales -

Caudales máximos

Los cálculos para obtener los caudales máximos necesarios de la microcuenca en estudio se desarrolló utilizando el método del Hidrograma Triangular, este método tiene como base fundamental los niveles de precipitación efectiva, previamente estimados mediante análisis estadísticos. 15

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Cabe señalar que existen otros métodos para el cálculo de caudales, como el de Mack Matt, HecHms, Mike She, Wms, Fuller, Racional, etc, sin embargo por el tipo de información pluviométrica que se tiene en el Perú, se adapta mejor al Hidrograma Triangular que al HecHms, método también aceptable pero que requiere para sus cálculos de información de lluvias provenientes de un pluviógrafo, que ninguna de nuestras estaciones meteorológicas tiene. La precipitación efectiva, que determina el Hidrograma Triangular, es la lluvia que escurre libre de procesos de infiltración, porque previamente el suelo ha sido saturado con las primeras lluvias que han creado la escorrentía en la base subterránea, por lo tanto esa precipitación efectiva es el escurrimiento superficial neto que forma el verdadero caudal máximo. Los otros parámetros comprendidos en el método son: área de la microcuenca, número de escurrimiento, pendiente media del cauce principal, tiempo de concentración. El número de escurrimiento, se obtiene

de acuerdo a la

configuración topográfica, tipos de suelos, tipo de cobertura vegetal y el uso que se le da al suelo en la sub cuenca correspondiente. Otro de los parámetros necesario en el método del Hidrograma, es el tiempo de concentración (Tc), el cual será calculado por el método del SCS (Soil Conservation Service) y cuyo modelo matemático es el siguiente:

Tc  0.3

L0.76 S 0.19

Dónde: Tc = Tiempo de concentración en horas L = Longitud del cauce mayor en kilómetros S = Pendiente media del cauce mayor

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El parámetro principal para el Hidrograma, son las precipitaciones máximas calculadas y mostradas en el Cuadro Nº 07, que intervienen en el proceso Precipitación – Escorrentía de la microcuenca. Por lo que en el cuadro antes mencionado se muestran las precipitaciones máximas calculadas, apreciándose

que la precipitación se incrementa ligeramente en un periodo

máximo de 100 años de período de retorno, por lo que se usara esta predicción para los cálculos de defensa ribereña y niveles máximas de agua. Esto significa que los caudales a calcularse para 100 años de tiempo de retorno, proporcionan suficiente holgura y margen de seguridad a las dimensiones que se le otorgarán a la estructura correspondiente, así mismo 40 años de período de retorno es el recomendado para defensas ribereñas. -

Cálculo del tiempo de concentración

El método para calcular el tiempo de concentración es el del SCS, para lo cual se procederá a ejecutar para la microcuenca: Datos: S = 0.01 m/m L = 25.59 km

Luego:

25.59 0.76 Tc  0.3  8.47horas 0.010.19

Cuadro Nº 08. Parámetros morfológicos de la microcuenca Uquihua. N° 1

Microcuenca Uquihua

Área(KM2) 124.35

Pendiente 0.01

Longitud (Km) 25.59

TC (Horas) 8.47

 Cálculo de caudales máximos Como se indicó, el método a emplear para calcular los caudales máximos, es el Hidrograma Triangular, se basa su proceso en determinar la precipitación efectiva luego que el suelo ha sido saturado completamente, hecho

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que proporciona descargas más aproximadas a la realidad, pero lo más conveniente de este método es que no tiene limitaciones con la magnitud de las áreas de las sub cuencas, que si lo tienen otros métodos como el Método Racional por ejemplo. El modelo matemático del Hidrograma Triangular es el siguiente:



qp 

0.555 xA tb

2

5080   50.80   P N  Pe   20320 P  230.20 N

y Q max  Pe  q p

Dónde: A

= área de la sub cuenca en Km2

tb

= tiempo base

qp

= caudal unitario

Pe

= precipitación efectiva

P

= altura de lluvia

N

= número de escurrimiento

Q max =caudal de diseño Uno de los parámetros necesarios para el Hidrograma, es el número de escurrimiento, factor importante para hallar la precipitación efectiva, este número indica la calidad del terreno sobre la cual escurre el flujo de agua, considerando la cobertura vegetal, tipo de suelo, pendiente y grado de infiltración, elementos que están debidamente clasificados y tabulados. Los que se requieren para este estudio son: C – 70 para la microcuenca en estudio

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Dónde: C, corresponde a bosques permanentes y suelos arcillo-arenosos. Este valor es asignado a la microcuenca, de acuerdo a la fisiografía y demás características de relieves indicados. Considerando los elementos necesarios que intervienen en el cálculo de caudales con el método del Hidrograma Triangular, se procede a ejecutar dicho cálculo para la microcuenca en estudio, de la siguiente manera: Microcuenca “Uquihua” Datos: 

Área de la microcuenca

:



Pendiente

:

0.01m/m



Longitud de cauce

:

25.59 km



Tc en horas

:

8.47 hs



Tc en minutos

:

508.2 min



Precipitación de diseño

:

113.34 (25 años de Tr )

124.35 km2

Calculando:  25590  tr  0.005   8.47 

0.64

 3.32 Tiempo de retrasó

tp  8.47  3.32  6.23 Tiempo pico:

19

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qp 

0.555  124.35  4.14 tb  2.67  6.23  16.64 16.64

 508.2  P  113.34   1440 

Tiempo base

0.25

 87.37 Caudal unitario

Altura de lluvia

2



5080   50.8   87.37  70   29.18 Pe   20320 87.37   203.20 70

Precipitación efectiva

Luego: Q max = 29.18 x 4.14= 120.97 m3/seg Igualmente se procede con los demás periodos de retornos, las cuales se detallan a continuación: Cuadro Nº 09. Caudales máximos para diferentes tiempos de retorno. Microcuenca Uquihua

Q100

Q50

Q25

Q10

Precipitación Caudal Máx.

125.18 147.83

119.41 134.57

113.34 120.97

105.76 104.52

III.3.8. Características Hidráulicas del rio

20

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 Coeficiente de Rugosidad El coeficiente de rugosidad es importante para el cálculo de los tirantes y velocidades máximas de aproximación. Para lo cual utilizaremos dos métodos para hallar este coeficiente. Método utilizado por U.S. Soil Conservación Service (SCS). Que para la determinación del coeficiente de rugosidad

media

de

Manning

considera

los

siguientes

parámetros

fisiográficos: CUADRO N° 10 Coeficiente de rugosidad media – Manning Descripción Material del cauce Grado de irregularidad Cambio de dirección y forma de la

Elección Grava gruesa Mínima Ocasionales

sección transversal Obstrucciones por arrastres, raíces, Inapreciables etc. Vegetación

De poco efecto Valor de ns

“n” asignado 0.020 0.005 0.005 0.000

Long. Tramo recto (Ls) / Long.

0.05 0.030 1xns

Tramo con meandros (Lm) Valor medio de la rugosidad (n)

0.030

A. Método de Engeiund y Hansen De acuerdo a las características del terreno en cursos naturales más o menos uniforme, en planicie, sin piedras y en condiciones normales, según los estudios de Engeiund y Hansen se considera que el coeficiente de rugosidad de Manning resulta: n = 0.030

Lecho de la quebrada

n = 0.025Riberas 21

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En conclusión se utilizara un n = 0.030 en el lecho de la quebrada y en las riberas con presencia de vegetación un n = 0.025.

 Caudal de Diseño De acuerdo al análisis hidrológico efectuado y en consideración a que la vida útil de la defensa ribereña proyectado está en el orden de 25 años, se establece una descarga especifica de diseño de 120.97 m3/seq., con un periodo de recurrencia de compatible con la vida útil estimada de 25 años.  Tirante máximo de avenida Para el cálculo del tirante máximo de avenida se aplica la fórmula de Manning Strickler, siguiente: tM= [ Q / ( Ks X bO x S '2)]

3/5

Donde: Q

=

Caudal de máxima avenida para un Tr = 25 años (120.97 m3/s)

Ks

=

Coeficiente de rugosidad (0.030)

b0

=

Ancho del cauce del rio (54 m.)

S

=

Pendiente del cauce del rio (0.009)

Reemplazando valores: tM= 4.21 m. III.3.9. Socavación general del cauce 22

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(Tirante máximo del rio)

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Es aquella que se produce a todo lo ancho del cauce cuando ocurre una crecida debido al efecto hidráulico de un estrechamiento de la sección; la degradación del fondo de cauce se detiene cuando se alcanzan nuevas condiciones de equilibrio por disminución de la velocidad, a causa del aumento de la sección transversal debido al proceso de erosión. Según Blench B = B

Q

1.81((QFb)/Fs)1/2 48.76 mts.

Fb

120.97 1.2

Fs

Cte

0.2

1.81

Donde: Fb y Fs son factores de fondo y de orilla de río SEGÚN PETIT

B =

2.45*Q0.5

B =

2.45Q0.5

B =

26.94

SEGÚN SIMONS Y ALBERTSON

B =

Para K1=4(Fondo de arena y orillas de K1*(Q) material cohesivo) K1 = 4 0.5

B = 43.99

Donde el valor de la socavación para estos diferentes anchos obtenidos quedaría de la siguiente manera según fórmula de List Van Levediev. Nota: se está considerando un Diámetro medio de 10.75 mm. ts=(at5/3/0.68Dm0.28B)1/(x+1) t=((Q/Ks*b0*S1/2))3/5 23

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Donde: Hs = Profundidad de socavación Hs = ts – t Q

Tr (años)

Fb

Fs

Ks

bo (m)

S

s1/2

Dm

Dm 0.28

1/(x+1)

H (m)

120.97

25

1.2

0.2

4.5

48.76

0.009

10.75

1.94443921

0.74

3.79

120.97

25

1.2

0.2

4.5

0.09486 0.09486

10.75

1.94443921

0.74

2.14

120.97

25

1.2

0.2

0.09486

10.75

1.94443921

0.74

3.54

26.95 0.009 4.5 43.99 0.003

Se puede apreciar que para un caudal de 120.97 m 3/seg, un periodo de retorno de 25 años y teniendo los anchos de 48.76 m, 26.95 m y 43.99 m., se obtienen una profundidad de socavación de 3.79 m, 2.14 mts y 3.54 m, respectivamente. Dándoles un factor de seguridad del 20%, en cada uno de los casos hallados entonces tendríamos las siguientes profundidades de socavación: Para ancho de 48.76 m, sería 4.54 mt. Para ancho de 26.95 m, sería 2.56 mt. Para ancho de 43.99m, sería 4.24 mt. III.4.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

III.4.1. Conclusiones

La casi inexistente información hidrológica en la microcuenca del proyecto, determina la utilización de métodos indirectos para la generación de información pluviométrica en base a los registros existentes de las estaciones cercanas de Moyobamba, con los cuales fue posible estimar los caudales del curso principal del río Uquihua. 24

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Las características morfológicas de la cuenca en estudio determinan un incremento gradual del caudal del río ante las máximas precipitaciones que se produzcan. La temperatura promedia anual en el área de la cuenca es de 22.5°C, la precipitación promedia anual es del orden de 1,700 mm. y su altitud media de 1,025 m.s.n.nr El caudal máximo instantáneo estimado para la ubicación y características de la defensa ribereña lo establecemos de acuerdo al método SCS, que determine el valor más conservador y segura como caudal de diseño de las estructuras para un periodo de retorno de 25 años de: Q diseño = 120.97 m 3/seg. La socavación estimada para un ancho estable de 42.13mts, es de 3.79 mts para un periodo de retorno de 25 años. Durante la ocurrencia de la avenida de diseño se espera que el flujo tenga las siguientes características: Tirante máximo inmediatamente 

Aguas arriba de las estructuras

d



Velocidad de aproximación

V = 1.76 m/seg

= 4.21 m

III.4.2. Recomendaciones

Por las condiciones topográficas e hidráulica del cauce del río en la zona alta es conveniente se corrija las características irregulares de la ribera del tramo y en segundo lugar levantar la ribera con protección para evitar los desbordes, disminuir los costos de las obras de mantenimiento y rehabilitación. Se

debe

proponer

la

instalación

de

múltiples

estaciones

meteorológicas dentro de la cuenca, que registren los parámetros principales como: Precipitación, temperatura, humedad relativa, evaporación, horas de sol y 25

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control de las aguas mediante mayor número de estaciones hidrométricas.

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IV.

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ANEXOS

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IV.1.

Anexo 01 IV.1.1. Panel fotográfico

Imagen 01. Rio Uquihua en su máxima avenida.

Imagen 02. Medición de la profundidad del rio Uquihua. 28

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Imagen 03. Área donde se realizara el proyecto de defensa ribereña.

Imagen 04. Huella hídrica del rio Uquihua en su máxima avenida.

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IV.2.

Anexo 02 IV.2.1. Simulación del rio Uquihua

Imagen 05. Simulación de la sección aguas arriba.

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Imagen 06. Simulación de la sección aguas arriba.

Imagen 07. Simulación de la sección aguas abajo.

Imagen 08. Simulación de la sección aguas abajo. 31

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Imagen 09. Tabla de perfil de salida. IV.3.

Anexo 03

I

Imagen 10. Registro de datos hidrológicos de la estación meteorológica de Moyobamba del año 1996 - 2004. 32

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Imagen 11. Microcuenca Rio Uquihua, Rioja – San Martín.

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