Embed Size (px)
Citation preview
“Evaluación de Metodologías de Regionalización Hidrológica: Aplicación a
Caudales Máximos de Cuencas Representativas de la Región Sur-Oeste de la
Provincia de Córdoba”
TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
MENCIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS – U. N. C.
Primer Taller sobre Estudios Hidrológicos en Áreas Serranas de la Provincia de
Córdoba
Msc. Ing. Facundo Matías Ganancias Martínez (1y2)
Director: Dr. Ing. Juan Carlos Bertoni(1)
(1)Cátedra de Hidrología, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Universidad Nacional de Córdoba (UNC)
(2) Becario de CONICET y Ministerio de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Córdoba
I – INTRODUCCIÓN – OBJETIVOS
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
III - ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
VII - CONCLUSIONES
PLAN DE PRESENTACIÓN
I – INTRODUCCIÓN - OBJETIVOS
I – INTRODUCCIÓN
Sencillos Complejos
I – INTRODUCCIÓN
Caudal Caudal MáximoMáximoHidrograma Hidrograma
CompletoCompletoVolúmenes Volúmenes escurridosescurridosOtros: uso de Otros: uso de
suelo, topografía, suelo, topografía, etc.etc.
Datos hidráulicos de entrada
I – INTRODUCCIÓN
Para una cuenca dada, la Hidrología como Ciencia
Existen registros de Caudal
Estadística
No existen registros
de Caudal en el sitio
Estadística y Transformación P - Q
Si existen registros de lluvias en la
cuencaNo existen registros
de Caudal en el sitio
Datos de Cuencas Vecinas o Cuencas Hidrológicamente
Homogéneas: REGIONALIZACIÓN
No existen registros
de lluvias en la cuenca
I – INTRODUCCIÓN
La importancia y la necesidad de la Regionalización en Argentina
Estaciones Activas en Córdoba
Estaciones Inactivas en Córdoba
Estaciones Activas en Argentina
Estaciones Inactivas en Argentina
I – OBJETIVOS
Objetivo General: Evaluar diversas metodologías de regionalización hidrológica para
estimar caudales máximos en cuencas serranas representativas de la región Sur-Oeste de la Provincia de Córdoba
Actualizar el conocimiento sobre metodologías de regionalización hidrológica aplicada a la estimación de caudales máximos
Profundizar el manejo del análisis estadístico frecuencial aplicado a series hidrológicas
Realizar el tratamiento de datos hidrológicos con vistas a su tratamiento en un análisis regional
I – INTRODUCCIÓN – OBJETIVOS
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
III - ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
VII - CONCLUSIONES
PLAN DE PRESENTACIÓN
II – DATOS DISPONIBLES - ZONAS DE ESTUDIO
Estaciones hidrométricas seleccionadas
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
Cuenca alta del río
Chocancharagua
Alpa Corral – Barrancas (40)
Vado de Río Seco – Barrancas (24)
La Tapa – Las Cañitas (41)
Las Tapias – Las Tapias (36)
Piedra Blanca – Piedra Blanca (39)
Las Tapias – San Bartolomé (38)
Tincunaco – Chocancharagua (19)
Caudales máximos
medios diarios anuales
Alpa Corral
La Tapa
Las Tapias Vado de
Río Seco
Piedra Blanca
Tincunaco
Estaciones hidrométricas seleccionadas
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
Río Grande
Estación Ume Pay (43).Fuente: SSRHN
Estación La Suela (12)Fuente: CRSA
Río La Suela
Caudales máximos
medios diarios anuales
I – INTRODUCCIÓN – OBJETIVOS
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
III - ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
VII - CONCLUSIONES
PLAN DE PRESENTACIÓN
III – ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
III – ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
INDEPENDENCIA HOMOGENEIDAD
Previo al estudio de frecuencias de una serie de datos es necesario evaluar la calidad de los mismos y la validez de su empleo.
Utilizadas para demostrar que los datos que conforman la serie
son aleatorios
Evalúan si todos los datos que conforman la
muestra, provienen estadísticamente de una
misma población
Anderson
Wald Wolfowi
tz
Cramer
t de Student
Helmert
III – ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
Resumen de resultados de pruebas de independencia y homogeneidad
Solamente la estación Alpa Corral del río Barrancas no supera las pruebas.
Los datos de la estación La Suela no son suficientes en cantidad para indicarse como representativos de los caudales del río La Suela
Alpa Corral
I – INTRODUCCIÓN – OBJETIVOS
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
III - ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
VII - CONCLUSIONES
PLAN DE PRESENTACIÓN
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
El análisis de frecuencia de los datos se efectuó con un El análisis de frecuencia de los datos se efectuó con un programa propio, desarrollado específicamente para la programa propio, desarrollado específicamente para la Tesis. Tesis.
Métodos de Ajuste
Distribución Momentos
Máxima Verosimilitud
Máxima Entropía
Momentos L
Momentos de
Probabilidad Pesada
Mínimos Cuadrados
Momentos (método
indirecto)
Uniforme Si Si
Exponencial Si
Exponencial x0 y Si Si
Generalizada Exponencial Si Si Si
Normal Si Si
Log Normal 2 Si
Log Normal 3 Si Si
Gamma 2 Si Si Si
Gamma 3 Si Si Si
Generalizada Pareto Si Si Si Si
Gumbel Si Si Si Si General de Valores
Extremos Si Si Si
Log Pearson III Si Si Si
Distribuciones
programadas
La bondad de los ajustes es probada por medio del Error Estándar de Ajuste.
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
1° - Ayudar a identificar el orden de las características fisiográficas para el método
de Andrews.Aplicaciones:
2° - Evaluar los caudales obtenidos con métodos de regionalización
Resumen de resultados de la aplicación de técnicas de análisis de frecuencia de eventos extremos
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
I – INTRODUCCIÓN – OBJETIVOS
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
III - ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
VII - CONCLUSIONES
PLAN DE PRESENTACIÓN
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
Área
Regionalización hidrológica: Conjunto de herramientas que aprovechan al máximo las informaciones existentes.
Características
Fisiográficas
PerímetroLongitud
caucePendientes,
etc.
Cartas topográficas IGM
MNT – Global Mapper 8 Curvas de Nivel – Auto
CAD
Topografía de detalle
Imágenes Radar: SRTM
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
Delimitación de regiones homogéneas: Método de los Trazos Multidimensionales Andrews (1972)
Ecuación: txtxtxtxx
tf 2cos2sincossin2
54321
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
Características
Fisiográficas
Área [km2]
Perímetro [km]Longitud Cauce
[km]Pendiente Cauce
[m/m]Pendiente Cuenca
[m/m]
Longitud de Cuenca [km]Ancho máximo cuenca [km]
Ancho medio cuenca [km]
Coef. desarrollo divisoria
Parámetro de forma
Sinuosidad cauce
Asimetría cuencaTiempo de
concentración
Ecuación:
Definición de características
fisiográficas (X1, X2,…y X5):
txtxtxtxx
tf 2cos2sincossin2
54321
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
Regresiones múltiples para diferentes TR (2, 5,
10, 20, 25, 50 y 100 años).
Evaluación: Coeficientes de correlación
Características Fisiográficas Alpa Corral
Características Fisiográficas La Tapa
Ecuación: txtxtxtx
xtf 2cos2sincossin
25432
1
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
t [radianes]
f(t)
Barrancas (VRS) Cuarto (Tincunaco) Grande (Ume Pay)
Las Cañitas (La Tapa) Las Tapias (Las Tapias) Piedra Blanca (Piedra Blanca)
San Bartolomé (Las Tapias) Barrancas (AC) La Suela (La Suela)-350.000
-250.000
-150.000
-50.000
50.000
150.000
250.000
350.000
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
t [radianes]
f(t)
Barrancas (VRS) Cuarto (Tincunaco) Grande (Ume Pay)
Las Cañitas (La Tapa) Las Tapias (Las Tapias) Piedra Blanca (Piedra Blanca)
San Bartolomé (Las Tapias) Barrancas (AC) La Suela (La Suela)
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
t [radianes]
f(t)
Barrancas (VRS) Cuarto (Tincunaco) Grande (Ume Pay)
Las Cañitas (La Tapa) Las Tapias (Las Tapias) Piedra Blanca (Piedra Blanca)
San Bartolomé (Las Tapias) Barrancas (AC) La Suela (La Suela)
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
t [radianes]
f(t)
Barrancas (VRS) Cuarto (Tincunaco) Grande (Ume Pay)
Las Cañitas (La Tapa) Las Tapias (Las Tapias) Piedra Blanca (Piedra Blanca)
San Bartolomé (Las Tapias) Barrancas (AC) La Suela (La Suela)
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
2 Años10 Años25 Años100 Años
Tincunaco
A partir de los trazos multidimensionales se definieron como pertenecientes a una misma región homogénea a las estaciones:
Región Homogéne
a
Alpa Corral – Barrancas
Vado de Río Seco – Barrancas
La Tapa – Las Cañitas
Las Tapias – Las Tapias
Piedra Blanca – Piedra Blanca
Las Tapias – San Bartolomé
La Suela – La Suela
Estaciones excluidas
Tincunaco – Chocancharagua
Ume Pay – Grande
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
I – INTRODUCCIÓN – OBJETIVOS
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
III - ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
VII - CONCLUSIONES
PLAN DE PRESENTACIÓN
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Definidas las estaciones de la región hidrológica homogénea
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Vado de Río
Seco
Las Cañitas
San Bartolo
mé
Las Tapias
Piedra Blanca Alpa
Corral
La Suela
Calibración Verificación
El proceso de Calibración se repite cinco veces por cada método
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Vado de Río
Seco
Las Cañitas
San Bartolo
mé
Las Tapias
Piedra Blanca
Calibración
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
CalibraciónSan Bartolo
mé
Avenida Índice
Regresión y Correlación Lineal
Box - Cox
Estaciones Año
Mom. Estandarizados de P.P.
Las Tapias
Piedra Blanca
Vado de Río
Seco
Las Cañitas
Las Tapias
Las Tapias
Las Tapias
Piedra Blanca
Vado de Río
Seco
Vado de Río
Seco
Las Cañitas
Las Cañitas
Las Cañitas
San Bartolo
mé
San Bartolo
mé
San Bartolo
mé
Piedra Blanca
Vado de Río
Seco
Piedra Blanca
Las Cañitas
Vado de Río
Seco
Se normalizan las series dividiendo cada uno de los caudales que la
forman por el caudal medio de la serie
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Estaciones Año
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Se conforma un solo registro estandarizado de
valores. No se requiere que las series tengan una
longitud de registro comúnSe asigna una frecuencia empírica con la Ley de
Weibull. Se ajustan distribuciones de probabilidad
teóricas
Se emplean los datos de las estaciones
restantes
Ejemplo: Aplicación a la serie del río Barrancas -
Vado de Río Seco
1° Caudales estandarizados sin
datos del río Barrancas
VRS (n=154)
2° Ajuste de la distribución GVE
por Máxima Verosimilitud
3° Relación para caudal medio en Vado de Río Seco
4° Caudales del río Barrancas en Vado de Río Seco
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Estaciones Año
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Sin Piedra Blanca
Con Piedra Blanca
Se utilizan los datos de las estaciones restantes.
Requiere que las series tengan una longitud de
registro común
Al registro de cada estación, por separado, se le ajusta la
distribución Gumbel, y se obtiene el caudal asociado a
un TR = 2,33 años.
Con Q2,33 de cada estación se estandariza la serie
correspondiente.
La serie estandarizada es ordenada de mayor a menor y se le asigna un
período de retorno siguiendo la ley de
Weibull y una probabilidad de no
excedencia
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Avenida Índice
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Ejemplo: Aplicación a la serie del río Barrancas -
Vado de Río Seco
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Avenida Índice
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Sin Piedra Blanca
Con Piedra Blanca
1° Caudales estandarizados sin datos
del río BarrancasVRS (n=20). Asignación
de recurrencias por medio de la Ley de
Weibull2° Cálculo de la mediana
para cada Tiempo de Retorno
3° Se grafica en papel Gumbel: Medianas -
RecurrenciasSe obtiene la ecuación
regional
4° Se obtienen relaciones entre los Q2,33 y el área
de las cuencas
5° Caudales para la estación Vado de Río Seco del Río
Barrancas
Relaciones: Características fisiográficas y/o climatológicas de las cuencas de aporte;grado de
correlación con los caudales para cada TR.
Es necesario asignar, para cada período de retorno analizado, un nivel de importancia a cada característica fisiográfica
considerada. Andrews
Resultado: Sistemas de ecuaciones lineales simples: Constantes que afectaran a cada una de las características en
las relaciones deseadas
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Regresión y
Correlación Lineal
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
12345
Característica Orden
Ancho medio de Cuenca [km]Pendiente Media Cuenca (Alvord) [m/m]
Parámetro de forma: Pf [1/km]Ancho máximo de Cuenca [km]
Perímetro de Cuenca [km]
123
45
Ancho medio de Cuenca [km]
Característica Orden
Parámetro de forma: Pf [1/km]
Pendiente Media Cuenca (Alvord) [m/m]Perímetro de Cuenca [km]
Ancho máximo de Cuenca [km]
2 Años
5 Años
10 Años
Ejemplo: Aplicación a la serie del río Barrancas -
Vado de Río Seco
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Regresión y
Correlación Lineal
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
3ln2ln1lnln CaractdCaractcCaractbaQEstaciónTR
20 Años
1
234
5
Parámetro de forma: Pf [1/km]
Característica Orden
Coeficiente de Sinuosidad KsAncho medio de Cuenca [km]
Coeficiente de Asimetría de la cuenca Cac
Perímetro de Cuenca [km]
PMCdAMedCcParForbaQEstaciónAñosTR lnlnlnln 10
AMaxCdPMCcAmedCbaQEstaciónAñosTR lnlnlnln 2
Ejemplo: Aplicación a la serie del río Barrancas -
Vado de Río Seco
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Regresión y
Correlación Lineal
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Sin Piedra Blanca
Con Piedra Blanca
Ejemplo: Aplicación a la serie del río Barrancas -
Vado de Río Seco
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Resumen de
Resultados
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Con Piedra Blanca
14 35 2
Ejemplo: Aplicación a la serie del río Barrancas -
Vado de Río Seco
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Resumen de
Resultados
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
1 43 52Sin Piedra Blanca
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Resumen de
Resultados
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
Piedra Blanca
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Estaciones Año
Momentos Estandarizados de Probabilidad Pesada
Avenida Índice
Regresión y Correlación Lineal
Box - Cox
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
Aplicación a sitios no calibrados
Alpa Corral La SuelaVerificación
..ln..ln...lnln CPdFPcCMAbaQEstaciónTR
EstaciónTRQEstación
TR eQ ln
Las Cañita
s
Vado de Río Seco
San Bartolomé
Las Tapias
Calibración
Alpa Corral
La Suela
I – INTRODUCCIÓN – OBJETIVOS
II – DATOS DISPONIBLES – ZONAS DE ESTUDIO
III - ANÁLISIS DE INDEPENDENCIA Y HOMOGENEIDAD
IV – ANÁLISIS DE FRECUENCIA DE VALORES EXTREMOS
V – DELIMITACIÓN DE REGIONES HOMOGÉNEAS
VI – ANÁLISIS REGIONAL HIDROLÓGICO
VII - CONCLUSIONES
PLAN DE PRESENTACIÓN
VII – CONCLUSIONES
• Este Trabajo representa una de las primeras aplicaciones a caudales máximos correspondientes a la escala de cuencas serranas de la Provincia de Córdoba.
• Pese a su importancia las técnicas de regionalización hidrológica de caudales son poco empleadas en Argentina, hecho que destaca la elección de esta temática para desarrollar la Tesis.
VII – CONCLUSIONES
• La aplicación de la metodología de los trazos multidimensionales de Andrews, posibilitó establecer que siete (7) de las nueve (9) estaciones analizadas constituyen una región hidrológica homogénea. Quedando fuera: Tincunaco y Ume Pay.
VII – CONCLUSIONES
• Durante la aplicación de los cinco métodos se pudo apreciar que los resultados de cada uno de ellos, mejoran cuando se excluyen los datos de la estación Piedra Blanca. Congruentemente, ninguno de los métodos pudo representar adecuadamente los valores de esta estación• Por ello se estableció que la estación Piedra Blanca, aún cuando es aceptada, por el método de Andrews, como perteneciente a la región hidrológica homogénea, debe ser descartada del análisis regional para la determinación de caudales en otras estaciones
• En función de los resultados de las diferencias entre los caudales obtenidos puntualmente y aquellos obtenidos por regionalización, se ordenan las técnicas: 1° Regresión y Correlación Lineal, 2° Estaciones Año, 3° Momentos Estandarizados de Probabilidad Pesada, 4° Avenida Índice y 5° Box - Cox.
VII – CONCLUSIONES
• La aplicación de la metodología de Regresión y Correlación Lineal a la estación Alpa Corral muestra que las diferencias obtenidas entre los valores de regionalización y aquellos puntuales, no superan el 13%, lográndose con ello una excelente estimación de los caudales máximos para esta estación.
VII – RECOMENDACIONES
• Dadas las dificultades de obtener datos de caudales en cuencas de pequeño y mediano tamaño se recomienda realizar esfuerzos de monitoreo en estas escalas con el fin de posibilitar la aplicación de técnicas de regionalización
• De la misma forma se recomienda dar continuidad a los registros ya existentes en el país de modo de posibilitar el análisis de la influencia de un eventual cambio climático/variabilidad climática en las técnicas de regionalización hidrológica.
• El área de la cuenca no resulta siempre la característica fisiográfica más representativa de los caudales máximos que se registran a la salida de la misma. Se recomienda, en tal sentido, la verificación de las relaciones que otros parámetros fisiográficos tienen con dichos caudales.
“Evaluación de Metodologías de Regionalización Hidrológica: Aplicación a
Caudales Máximos de Cuencas Representativas de la Región Sur-Oeste de la
Provincia de Córdoba”
Primer Taller sobre Estudios Hidrológicos en Áreas Serranas de la Provincia de
Córdoba
Muchas Gracias!
