UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” ESTUDIO HIDROLÓGICO DEL RÍO CHIBUNGA 1.1. ANÁLISIS HIDROLÓGICO 1.1.1.OBJETIVOS DEL ESTUDIO El principal objetivo planteado es el efectuar una estimación de los recursos hídricos superficiales disponibles en la subcuenca del río Chibunga. Con este fin se realizará: Establecer mediante estudios hidrológicos los caudales máximos, mínimos del río Chibunga en el que se va a construir el Puente “LA ARMENIA”. 1.1.2. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA SUBCUENCA DEL RÍO CHAMBO. La subcuenca del río Chambo se ha dividido para este estudio en diez micro cuencas Diseño de Puentes 1 Quinto “A” “Ingeniería Civil” La subcuenca tiene una superficie de 3571 Km2 y forma parte del sistema hidrográfico del río Pastaza. hasta la confluencia con el río Patate. Los suelos en la subcuenca del río Chambo son de origen volcánico y permeable en la parte norte. formada por una serie de acequias. se encuentran glaciares que. 1. En las partes más altas de la subcuenca. hacia abajo. Esta zona regula en buena medida la escorrentía durante los períodos secos (verano). todas ubicadas en la provincia de Chimborazo.. en función de las condiciones orográficas (altitud. sobre las que se han superpuesto nuevos canales de riego. en las zonas de Cebadas y Guamote. que pertenece a la vertiente del Amazonas. al unirse con el río Ozogoche. pues existen zonas con precipitaciones menores a 500 mm. lo que modifica necesariamente la magnitud de los estiajes. mientras que en la parte oriental las precipitaciones superarían los 2000 mm. exceptuando la llanura de Tapi. En general. algunas de ellas muy antiguas. se encuentran zonas de cultivos. Diseño de Puentes Quinto “A” “Ingeniería Civil” 2 .UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” hidrográficas. A continuación. Esta región es muy poblada y está dotada de una red vial más o menos buena.1. correspondientes a las cimas de los volcanes Chimborazo y Tungurahua. considerada desde los nacimientos del río Yasipán que. en cortas distancias. aunque cubren áreas pequeñas. es así que. El relieve de esta subcuenca es bastante irregular. La vegetación es herbórea (pajonal) de poca altura. toma el nombre de Chambo. son suelos de poca estabilidad al ser deforestados. pueden influir en la regularidad de los cursos de agua que se alimentan de ellos. la extracción de agua es mayor. orientación de las vertientes). en donde se encuentra la ciudad de Riobamba. DEFINICIÓN DE LAS ÁREAS DE LAS MICRO CUENCAS La Agencia de Aguas de Riobamba ha venido administrando el agua de la subcuenca del río Chambo a través de 10 micro cuencas hidrográficas y 2 drenes. La subdivisión se fundamenta principalmente en la densidad de las concesiones en cada una de las micro cuencas hidrográficas. El río principal de la subcuenca es el río Chambo.3. forman el río Cebadas. careciendo prácticamente de arbustos y árboles. el que aguas abajo. al confluir con el río Guamote. Inmediatamente bajo de la zona de glaciares se encuentra la zona de páramos. mientras que en la parte sur. desde donde toma el nombre de Pastaza. que se extiende hasta un límite aproximado entre 3600 y 4000 msnm y que se caracteriza por estar frecuentemente envuelta en una neblina densa y por la ocurrencia de lluvias de larga duración pero de débil intensidad. en áreas de drenaje pequeñas. manteniendo los caudales de estiaje. en las que los campesinos realizan sus labores. Los cambios de esta variable. generalmente no mecanizados. las rocas son de origen metamórfico y bastante impermeables. La variación de las precipitaciones anuales en la subcuenca es grande. con una longitud de unos 273 Km. pueden ser significativos. a pesar de las fuertes pendientes de estos terrenos. En esta zona se tiene una red de riego muy desarrollada. cuyas aguas drenan directamente al río principal. las micro cuencas cubren los escurrimientos hasta la confluencia con el río principal. MICROCUENCA DEL RIO CHIBUNGA La micro cuenca del río Chibunga tiene una extensión de 14 Km. Para la calibración del modelo hidrológico. Por otra parte.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” mientras que en áreas mayores existe un número reducido de concesiones. y se les considera como drenes a los ríos Cebadas y Chambo. La generación de caudales en la subcuenca se realizará a nivel de las micro cuencas hidrográficas que se detallan en el siguiente cuadro. Medio y Bajo. pero grandes áreas intermedias quedan entre las micro cuencas y el curso principal del río. la subcuenca del Chambo se dividió en tres sectores: Alto. dentro de esta zona cruza por Diseño de Puentes Quinto “A” “Ingeniería Civil” 3 . Diseño de Puentes 4 Quinto “A” “Ingeniería Civil” . consecuentemente. el relieve de la cuenca alta del río Chibunga presenta pendientes muy fuertes y abruptas. Mientras que en la cuenca media y baja. debido a lo cual el río se ha convertido en un cuerpo receptor de desechos ocasionando un sin número de daños ambientales. A = Área de la microcuenca L= Longitud del cauce s =Pendiente longitudinal sc = Pendiente de la micro cuenca El análisis hidrológico se basa en la actual subdivisión de la subcuenca. mientras que en áreas con baja densidad de población los resultados serán más extendidos. Aguas abajo. centros de educación y una gran área de recreación familiar. Los principales afluentes del río Chibunga hasta las secciones de interés son el río Chimborazo y el río Cajabamba. La subdivisión permite realizar de mejor manera dos tareas: calibrar el modelo hidrológico y ubicar los sitios en donde se realiza la estimación de caudales. y se forma de la confluencia de los ríos Salado y Rayo. En esta forma los resultados serán producidos con mayor detalle en áreas que hoy tienen un alto uso de agua y que. o puntos de interés. respectivamente. que se juntan aguas arriba de la población de Calpi. con valores mayores a 50 y 70%. agrícola-ganadera. A continuación se junta con el río Chambo y sigue su curso hasta unirse con el río Patate para formar el río Pastaza. se observan pendientes regulares y fuertes que ocupan gran parte de la cuenca.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” sectores de mucha importancia como. entre 12 y 50 %. tienen mayor necesidad de manejo de agua. El río Cajabamba se origina en la cordillera Yanashpa a una altitud aproximada de 4200 msnm. Las fuertes pendientes de los flancos elevados inciden en la rápida concentración de caudales y por tanto en la formación de crecidas. el río Chibunga transita por la ciudad de Riobamba. zonas urbanas. En la zona urbana se observan pendientes débiles menores al 5 %. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” Diseño de Puentes 5 Quinto “A” “Ingeniería Civil” . 10 y 25 años. IdTR: Intensidad máxima diaria en mm/h para un periodo de retorno dado. En los cuales ubicamos la cuenca del presente estudio e interpolamos las líneas isolíneas para encontrar la isolínea correspondiente a nuestra cuenca. Las intensidades máximas diarias IdTR. Quinto “A” “Ingeniería Civil” Diseño de Puentes 6 .UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” CÁLCULO DE CAUDALES MÁXIMOS Y MÍNIMOS CAUDAL MÁXIMO 1.4. y t: Tiempo de duración de la lluvia en minutos. La cuenca hidrográfica del presente estudio se localiza en la zona 33. por lo que es necesario aplicar métodos hidrometeorológicos de cálculo. Utilizando datos meteorológicos: Este capítulo tiene por objeto el estudio de los caudales máximos y mínimos correspondientes a la cuenca en estudio.1. INAMHI. establece las siguientes ecuaciones: Dónde: ITR: Intensidad máxima de precipitación para cualquier periodo de retorno en mm/h. el modelo establece relaciones funcionales entre la intensidad máxima diaria. basados en los datos de precipitaciones y en las características físicas de la cuenca. definida por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología. para el estudio de lluvias intensas.1. en función de los periodos de retorno de 5. se determinan de los mapas de isolíneas correspondientes. La cuenca carece de registros hidrológicos. Lluvia de diseño obtenido de las curvas intensidad-duración –frecuencia La determinación de las intensidades máximas se realizó en base al documento facilitado por el INAMHI. 1.5. A continuación se detalla los IdTR encontrados: TR= 5 años. La isolínea que atraviesa la cuenca en estudio es Id TR=2 mm/h. Pendiente del curso principal:0. Interpolando. Enla cuenca en estudio atraviesan las isolíneas 2 y 3.6.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” TR=10 años. duración y periodo de retorno para la cuenca.21 Km Longitud equivalente donde comienza el rio Chibunga hasta el punto de ubicación del puente “LA ARMENIA”. la isolínea que atraviesala cuenca en estudioes Id TR=2.51 Km2 Longitud del curso principal: 28. Transformación de lluvia en escorrentía: Para la aplicación del método se han definido y evaluado los siguientes parámetros básicos: Área de la cuenca: 254.028 Pendiente cuenca = 0. TR=25 años.18(Ver anexo) Diseño de Puentes 7 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .1. entonces en este caso utilizaremos el promedio quedando un Id TR=2. Estudio de Prefactibilidad Central Hidroeléctrica Huarhuallá 1. Mientras que en la figura se muestran las curvas de intensidad. Fuente: Meer.25 mm/h.5 mm/h. En la literatura especializada de hidrología se publican tablas con valores de C en función. El tipo de suelo Pendientes del terreno. Duración de la lluvia Por lo antes expuesto: t: Tiempo de duración de la lluvia en minutos= tiempo de concentración 1. de tres aspectos que se consideran determinantes en la generación de escorrentía como consecuencia de tormentas de lluvias: La cobertura. Tiempo de Concentración: Es el tiempo en que toma una gota de lluvia en llegar desde el punto más lejano de la cuenca al punto de análisis.8 horas.8. Diseño de Puentes 8 Quinto “A” “Ingeniería Civil” . Existen algunas fórmulas para calcular el tiempo de concentración: (Giandotti) Dónde: Tc= Tiempo de concentración (horas) L= Longitud del rio más alejado de la cuenca (Km) J = Pendiente media del curso principal ( )(√ ( )(√ ) ( )( ) ) Tc: 4.1.1.1.288 min 1. generalmente.7. Coeficiente de escorrentía: El coeficiente de escorrentía.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” 1. C. se estima en base a las características hidrogeológicas de las cuencas.9. 4 %.6 %.4 % Pendiente > 12 %: 49. Se ubicó la cuenca en estudio en el mapa de suelos de Riobamba (Ver anexo) para distinguir los diferentes tipos de suelos que existen en la cuenca obteniéndose los siguientes resultados: Área de la cuenca: 38987 hec: 100% Área suelos arenosos: 19727.25º c suelos arenosos: 0. USDA.40 Diseño de Puentes 9 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .6 % Área suelos franco: 19259. Fuente: National Engineering Handbook.6 hec: 49. 4: Hydrology.23 De los suelos francos: 19259. bosques= c:0.6 hec: 49.4 hec: 50.20 Pendiente < 12%: 21%. 1972. De los suelos arenosos: 19727.4 hec: 50. Sec. bosques= c:0.6 % Pendiente > 12 %: 29.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” El Cuadro 2 muestra. a manera de ilustración uno de dichas tablas: Valores indicativos del coeficiente de escorrentía. bosques=c:0.4%.40 c suelos francos: 0. 36 1. por ejemplo de área superior a 200 Ha. El caudal máximo de escorrentía superficial se ha calculado aplicando la Fórmula de BürkliZiegler.11.34 0. Coeficiente de escorrentía de cuenca en estudio: 0.25 2. Q=3.10. obteniendo así un I TR=3. Que viene dada en la siguiente expresión: Su aplicación puede ser útil en zonas de bastante extensión.1. S es la pendiente de la cuenca El ITRse lo obtiene de las curvas de intensidad-periodo de retorno con un periodo de retorno de 5 y con el tiempo de concentración (682. Con los siguientes resultados: TR años 5 10 25 IdTR mm/h 2 2.10 min).5 C 0.1.79 mm/h. en l/s.5 tc min 294 I TR mm/h 7.32 0.80153313 8. Provincia de Chimborazo ubicada en la misma zona delimitada por el INMHI. C es el coeficiente de escorrentía.5191641 Diseño de Puentes 10 Quinto “A” “Ingeniería Civil” . ITR es la intensidad de la lluvia en (mm/h). A es la superficie de la cuenca.25 2.77672477 9. Aplicación de la Fórmula de Bürkli-Ziegler. en Ha. TR años 5 10 25 IdTR mm/h 2 2.90·A·ITR·C·(S/A)1/4 En la que Q es el caudal máximo a la salida de la cuenca.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” 1.32 Para escoger el coeficiente de escorrentía se basó también en el Estudio de Prefactibilidad del Aprovechamiento Múltiple del río Huarhuallá. 05 m3/s Diseño de Puentes 11 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .09 m3/s+0.80 m3/s TR= 10 AÑOS ( ) QESCURRE: 11091.52M3/s= 12.52M3/s=9.522M3/s QMAX=11.52M3/s= 11.68 l/s: 11.522M3/s QMAX=13.8 m3/s+0.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” Entonces: TR= 5 AÑOS ( ) QESCURRE: 9279.70 m3/s OBTENIENDO UN CAUDAL MÁXIMO DE 13.28 m3/s Qbase =0.05 m3/s Qbase =0.09 m3/s Qbase =0.05 m3/s+0. 31 l/s: 9.61 m3/s TR= 25 AÑOS ( ) QESCURRE: 12 711 l/s: 13.522M3/s QMAX=9. DETERMINACION DEL CAUDAL MINIMO: Para la determinación del caudal mínimo se consideró como representativa a la estación meteorológica CHIBUNGA en Calpi. dado que no existen los suficientes datos para realizar un análisis probabilístico: A continuación se presenta los datos del INAMHI.12.1982 y1985.522 m3/s Diseño de Puentes 12 Quinto “A” “Ingeniería Civil” . Qmin: 0. como CAUDAL MINIMO. que dispone de información de los siguientes años: 1963.1. De los cuales se escogió el dato cuyo valor de caudal es el más pequeño.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” 1. 1964. 21 6.6842 78.00 200.000 200.53 1.07 1.00 20. Tabla.00 30.00 600.50 1. P REAL 205 155 71 228 97 153 123 156 109 209 102 174 141 114 174 153 96 135 AÑO 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 P (ordenado) P=m/(n+1)*100 205 228 209 174 174 156 155 153 153 141 135 123 114 109 102 97 96 71 2.4737 94.25 916.111 1.80 8.25 1.00 40.000.000 1.00 50.67 0.20 83.00 99.1579 68.00 80.42 79.93 P% 0.17 43.500 2.10 1.250 1.000 3.48 0.000 100.09 0.60 2.00 43.769.03 142.7895 21. CÁLCULO DE PRECIPITACIÓN PARA EL DISEÑO DE UNA OBRA DE TOMA LATERAL UBICADA EN EL RÍO CHIBUNGA ESTABLECIDA EN UN PERIODO DE DISEÑO DE 25 AÑOS..00 40.40 115.00 Gumbel 300.00 70.7368 (Pi-Pm)^2 3.000.20 431.00 99.91 5.00 60.001 Coeficientes Gumbel y medidas de tendencia central.88 126.40 311.34 902. Gráfica de Probabilidad 120.2632 10.87 2.216.1.547.01 0.90 P CALC.429 1.333 20. 500.92 406.08 0.00 890.8947 63.11 1.22 82.00 100.333 2.000 1.961.000 5.13.57 77.10 0.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” 1.49 2.00 500.1053 47.37 340.00 60.05 31.00 90.72 5.39 165.66 266.667 1.000 33.83 1.8421 42.00 20.58 T 10.00 95.412.18 184.09 244.049300 Gráfica de Probabilidad de Gumbel.32 137.205.00 100.272.97 2.19 0.2105 89.La precipitación de diseño en la cuenca del río Chibunga calculada gracias al análisis Diseño de Puentes 13 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .3158 31.700.60 3.65 60.69 6.00 5.27 88.9474 84.00 10.010 1.50 1.358.03 0. Información para el análisis probabilístico de la Serie histórica de precipitaciones en el Río Chibunga.595 5.30 4.00 3.3684 52. Pm= σ Q= ym= σ y= 144.5263 15.10 150.00 80.12 - y 9.053 1.38 115.000 10.0526 26.6316 57.520200 1.00 Históricos 400.74 215. Utilizando el modelo probabilísticos de Gumbel.00 Nota.4211 73.17 103.12 4.5789 36.37 0. 75 mm.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” probabilístico de Gumbel es de 252. Diseño de Puentes 14 Quinto “A” “Ingeniería Civil” . 6 106.2 98.9 1187.06 0.3 80 90.29 0. ( ) 2.Aparicio Mijares). CÁLCULO DEL CAUDAL MÁXIMO PARA UNA OBRA DE TOMA LATERAL DATOS: a) b) c) d) e) f) g) Área de la cuenca : 254.083 0.17 0.1 112.35 0.2 2461.32 0. Diseño de Puentes Quinto “A” “Ingeniería Civil” 15 .4 124.6 67.6 2395.5 Dónde: En la columna 1 se han supuesto duraciones de lluvia efectiva de.6% Periodo de retorno: 25 años N: 85 (Número de escurrimiento) PROCEDIMIENTO. En la siguiente tabla mostramos el cálculo de los gastos pico.24 0.39 0.19 0.26 0.21 km Tipo de suelo: Arcilla Uso del suelo: Bosques normales Pendiente: 2.1 1926. Calculo de la relación entre la duración de lluvia y la precipitación total. 1.51 0.2 0.048 0.1 de/tr 0.1. En la columna 2 se indican las precipitaciones en función a de con la ecuación 8.8 1916. [ [ √ ] ] √ 3.23 (Fundamentos de Hidrología de superficie.9 2011.14.13 0.81 Km2 Longitud del cauce principal: 28. Cálculo del tiempo de retraso tr .5 2179. de(min) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 P(mm) 87 107 121 132 141 149 156 162 168 Pe(mm) 49.42 Qp (m3/s) 1011.0 2453.7 118.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” 1.45 0.58 Z 0.38 0. * + En la columna 4 se muestran los valores de En la columna 5 los correspondientes de Z ubicados en la siguiente tabla fig. Diseño de Puentes 16 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .20 (Fundamentos de Hidrología de superficie. 1. Finalmente.13 (Fundamentos de Hidrología de superficie.Aparicio Mijares). según la ecuación 8.Aparicio Mijares).1.15.Aparicio Mijares). en la columna 6 se han calculado los gastos de pico resultantes de la ecuación 8.Aparicio Mijares).6 (Fundamentos de Hidrología de superficie. CÁLCULO DEL HIDROGRAMA UNITARIO TRIANGULAR A PARTIR DEL TIEMPO DE CONCENTRACIÓN 2.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” ( ) Las precipitaciones efectivas de la columna de la columna 3 se calculan con la ecuación 7. 8. El tiempo de concentración es.20 (Fundamentos de Hidrología de superficie. 28 (Fundamentos de Hidrología de superficie.27 (Fundamentos de Hidrología de superficieAparicio Mijares).Aparicio Mijares). Tiempo base ecuación 8. de la ecuación 8.Aparicio Mijares).25 (Fundamentos de Hidrología de superficie.26 (Fundamentos de Hidrología de superficieAparicio Mijares). El tiempo de retraso es entonces ecuación 8. √ √ 4. 5. 7.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” ( ) 3. Por lo tanto el tiempo pico resulta ecuación 8. 6. ⁄⁄ Diseño de Puentes 17 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .29 (Fundamentos de Hidrología de superficie. Dado que no se conoce la duración en exceso se usara la ecuación 8.Aparicio Mijares). Finalmente. 00 0.43 0.89 1.16 0.15.1.00 6.h 0.00 5.32 0. 64 y las avisas por 4.00 Datos para la gráfica del Hidrograma Unitario Triangular para establecer el caudal pico o máximo en la cuenca hidrográfica del Río Chibunga.10 0.00 3.24 0.50 0.00 2.50 5.00 2.92 0.20 1.13 0.00 4.53 0.02 0.40 2.00 0.40 1.00 0.04 0.00 Hidrograma Unitario Abscisas y ordenadas para la gráfica del Hidrograma Unitario Base.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” 1.80 2.20 2.00 4.40 0.28 0.00 q.60 1.79 3.60 0.01 0. Diseño de Puentes 18 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .m3/s/mm 0. se debe multiplicar las ordenadas por 7. t.08 0. Hidrograma Unitario Curvilineo 1.00 1.18 0.50 1.42 0.75 0.09 0.60 0.00 3.20 0.08 0.80 1.50 0. En la tabla del hidrograma unitario anterior.60 2.01 0. HIDROGRAMA UNITARIO TRIANGULAR GENERAL CURVILÍNEO.50 4.30 0.00 1.03 y así obtener los valores para la gráfica. 61 6.00 4.50 0.01 14.08 0.80 9.00 0.00 10.03 20.00 4. t.53 4.21 4.69 q.03 16.18 2.m3/s/mm 0.00 8.00 13.20 1.17 1.UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO “FACULTAD DE INGENIERÍA” t.23 12.14 9.00 Datos principales para el gráfico del diagrama unitario triangular.00 10.01 2.00 5.70 7.23 0.00 2.00 Hidrograma Triangular Hidrograma Unitario Curvilineo Diseño de Puentes 19 Quinto “A” “Ingeniería Civil” .00 15.41 0.81 13.09 3.00 20.35 1.22 8.m3/s/mm 0.00 Gráfica del Hidrograma Unitario Triangular Hidrogramas Unitarios 14.00 4.27 3.79 1.97 7.00 12.02 q.18 12.00 6.04 5.00 10.h 0.01 2.40 3.25 0.00 25.41 11.69 5.96 11.00 0.01 0.80 5.26 1.61 2.40 7.02 18.01 8.h 0.76 1.62 10.