Modelo HEC-HMSCurso Estudio hidrolgico con fines de irrigacin

Prof. M. Snchez D.

Julio 2015UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINADEPARTAMENTO DE RECURSOS HIDRICOS

Proceso de escurrimiento en una cuenca

VISTA DE LA CUENCAS 1S 3S 2S 4S 5P6P5P3P4P3P. HIDRO1P2P1

Representacin tpica del HEC-HMS para calcular el escurrimiento de la cuenca

Modelos que utiliza el Hec-Hms

GeneralidadesEl HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System) es un programa de simulacin hidrolgica tipo evento, lineal y semidistribuido, desarrollado para estimar las hidrgrafas de salida en una cuenca o varias subcuencas (caudales mximos y tiempos al pico) a partir de condiciones extremas de lluvias, aplicando para ello algunos de los mtodos de clculo de hietogramas de diseo, prdidas por infiltracin, flujo base y conversin en escorrenta directa que han alcanzado cierta popularidad en los Estados Unidos y por extensin en nuestro pas.

GeneralidadesEl programa se deriva directamente del HEC-1, y conserva en esencia la misma filosofa de introduccin de datos y secuencia de clculos. El HMS, incluye la mayor parte de las rutinas de HEC-1 e incorpora como elementos adicionales:

Un mtodo de transformacin lineal de la escorrenta (basado en una modificacin del hidrograma unitario de Clark) que puede utilizarse en una representacin de la cuenca a travs de celdas, con datos distribuidos de precipitacin obtenidos por ejemplo de registros de radar (una opcin tecnolgica que no tiene an aplicacin en nuestro pas). Una opcin de prdida distribuida de humedad en suelos que aplica el mismo principio de las celdas y puede utilizarse en simulaciones sobre perodos largos (de das o meses) y Una opcin de optimizacin, un poco ms verstil que la del HEC-1.

Funcionamiento del HEC-HMS El programa incluye una interfaz grfica para el usuario (GUI) que le permite introducir la informacin necesaria para una simulacin, manejar los componentes de anlisis hidrolgico a travs de mdulos integrados, y obtener respuestas grficas o tabuladas de fcil comprensin e impresin. El documento de ayuda incorporado en el programa aclara la utilizacin de las opciones del programa. Los archivos de extensin DSS (Data Storage System) se utilizan para almacenar y trabajar con series de tiempo, funciones emparejadas y datos de grilla en una forma muy transparente para el usuario.

Funcionamiento del HEC-HMSPara definir la estructura de las cuencas, el programa considera los siguientes elementos:Subcuencas (subbasins) Tramos de trnsito (routing reach) Uniones (junctions) Embalses (reservoirs) Fuentes (Sources) Sumideros (sinks) Derivaciones (diversions)

Funcionamiento del HEC-HMSCon estos siete componentes, el usuario puede elaborar una cuenca tan compleja como requiera el problema que est tratando y como permita la informacin de campo disponible. Si se cuenta con informacin digital de campo, el HMS incluye la opcin de trabajar la cuenca con subdivisiones en grillas o celdas, cada una de las cuales almacena informacin pertinente respecto a la precipitacin, rea, pendientes y condicin de humedad del suelo.

Funcionamiento del HEC-HMSEl programa trabaja con tres mdulos bsicos que definen en su conjunto el proyecto de simulacin de la cuenca:

Mdulo de precipitacin: permite seleccionar uno de seis patrones de precipitacin (tipos de hietogramas) del evento de tormenta que ms se ajuste a las posibles condiciones de la cuenca, incluyendo la introduccin manual de los datos de la lluvia de diseo.

Mdulo de la cuenca: permite la representacin del sistema fsico con los elementos antes citados, y la inclusin de las caractersticas morfomtricas y de condicin del suelo para cada uno de ellos. As, cada componente incluye la informacin necesaria para construir la hidrgrafa total de salida.

Mdulo de control: incluye las fechas de inicio y culminacin de los datos de lluvia y caudal para la simulacin (u optimizacin) y los intervalos de tiempo para realizar los clculos.

Situaciones hidrolgicas que pueden modelarse con el HEC-HMS El programa HEC-HMS permite simular eventos aislados de crecientes asociados con un patrn de tormenta de diseo para un cierto perodo de retorno. La suposicin de que el perodo de retorno de la tormenta es coincidente con el perodo de retorno de la creciente respectiva ha despertado muchas controversias entre los investigadores en hidrologa, haciendo evidente que el tratamiento probabilstico de los dos fenmenos, aunque no es mutuamente excluyente si depende de otros factores, entre ellos el rea de la cuenca considerada, las condiciones antecedentes de humedad en los suelos para perodos largos y los cambios introducidos por el hombre en el uso y conservacin de los suelos.

Situaciones hidrolgicas que pueden modelarse con el HEC-HMSLos resultados arrojados por HEC-HMS permiten:Dimensionar obras de control de inundaciones, piscinas de amortiguamiento de crecientes y embalses. Establecer dimensiones preliminares de alcantarillas viales y sistemas de drenaje pluvial. Estudiar el impacto ambiental de las crecientes, causado por la transformacin del uso de los suelos en cuencas rurales y urbanas. Por otro lado, los resultados de HEC-HMS NO permiten:Establecer un balance hidrolgico confiable de la cuenca. Hacer estudios de calidad de agua, erosin ni sedimentacin. Trabajar con flujos diferentes al agua, flujos de lodos o de detritos, que pueden estar asociados directamente con las crecientes pero que tienen diferentes comportamientos reolgicos.

Tipo de informacin requiere el programa La informacin que necesita el programa est relacionada directamente con los mtodos de clculo que maneja. Existen cinco grupos bsicos de informacin que deben suministrarse a HEC-HMS para efectuar las simulaciones:

Informacin acerca de la precipitacin histrica o de diseo. Informacin acerca de las caractersticas del suelo. Informacin morfomtrica de las subcuencas. Informacin hidrolgica del proceso de transformacin de lluvia en escorrenta. Informacin hidrulica de los tramos de canal y de las capacidades de los embalses (mtodos de trnsito).

Tipo de informacin requiere el programaPara la calibracin, validacin y anlisis de sensibilidad del modelo, adems de la informacin anterior se necesitan:Registros concordantes de precipitacin y caudales de salida (hietogramas e hidrgrafas) Determinacin de las condiciones iniciales de humedad en los suelos (difcil de lograr)

Informacin acerca de la precipitacin histrica o de diseo

Informacin acerca de la precipitacin histrica o de diseo

Informacin acerca de las condiciones de humedad del suelo

Informacin acerca de las condiciones de humedad del suelo

Informacin acerca de la morfometra de las subcuencas

Informacin hidrolgica del proceso de transformacin de lluvia en escorrenta

Informacin hidrolgica del proceso de transformacin de lluvia en escorrenta

Informacin acerca del trnsito de los caudales a travs de canales y embalses

Informacin acerca del trnsito de los caudales a travs de canales y embalses

Tipo de simulacin que realiza HEC-HMS El HEC-HMS es un modelo tipo evento, lineal y semidistribuido. Por lo tanto, una corrida de simulacin del programa consiste en calcular la componente de escorrenta directa como una funcin del tiempo, producto de un evento de lluvia de duracin variable (entre algunos minutos y varios das) que se produce a la salida de las subcuencas. Las hidrgrafas resultantes se combinan segn la estructura de la cuenca, definida por el usuario en sentido estricto de aguas arriba hacia aguas abajo, hasta hallar el hidrograma resultante a la salida de toda la cuenca. Las simulaciones en HEC-HMS son de dos tipos:

Convencionales: se obtienen las hidrgrafas de salida y combinadas para un evento de tormenta supuesto.

De optimizacin: Las hidrgrafas resultantes se comparan con un registro histrico en un cierto punto de la cuenca.

Tipo de simulacin que realiza HEC-HMS

Calibracin y validacin de los resultados arrojados por HEC-HMSComo en todo modelo, para que los resultados de la simulacin en HEC-HMS representen con algn grado de confiabilidad el comportamiento de la cuenca que se est analizando, es necesario someterlos a pruebas de calibracin, validacin y anlisis de sensibilidad de los parmetros involucrados.La calibracin o estimacin de parmetros y la validacin se basan en dos o ms registros histricos de precipitacin y caudales para un mismo evento. Estos registros son escasos en la mayora de las cuencas, as que no se puede hacer mucho juego con las posibilidades. Si se cuenta slo con dos registros lluvia-caudal por ejemplo, entonces uno debe ser usado en la calibracin y el otro en la validacin.

Calibracin y validacin de los resultados arrojados por HEC-HMSEn HMS la estimacin de los parmetros se hace automticamente a partir de una seleccin inicial de todos los valores por parte del usuario, hasta producir un ajuste ptimo de los valores calculados con los observados. El programa permite calibrar los parmetros asociados con:

Las prdidas por infiltracin Los mtodos de transformacin de la lluvia en escorrenta El flujo base y El trnsito de caudales desde las subcuencas localizadas aguas arriba del sitio de donde proviene el registro. Las funciones objetivo que utiliza HMS para la calibracin son las siguientes:Ajuste ponderado por mnimos cuadrados Sumatoria del cuadrado de los residuos (no ponderada) Suma de los valores absolutos de los residuos Porcentaje de error respecto al caudal pico

Calibracin y validacin de los resultados arrojados por HEC-HMSHMS emplea dos mtodos de bsqueda y aproximacin a los valores ptimos: El mtodo del gradiente univariado que cambia un parmetro por iteracin y el mtodo de Nelder & Mead que los cambia todos en una misma iteracin. Aunque el segundo suele ser ms dispendioso, por lo general parece aproximar a un mejor valor del ptimo. Por otro lado, existen restricciones o rangos para los valores de los parmetros con el fin de evitar que se produzcan respuestas poco razonables en la optimizacin.Para evaluar la confiabilidad de los resultados de la calibracin se utiliza una medida de la sensibilidad de la funcin objetivo respecto a los parmetros.

Calibracin y validacin de los resultados arrojados por HEC-HMSLa funcin objetivo se calcula cambiando el valor de uno de los parmetros ya optimizados entre 0.995 y 1.005 veces su ptimo, mientras todos los dems se conservan invariantes. La medida de sensibilidad es el cambio en porcentaje del valor de la funcin objetivo como resultado del cambio en 1% del ptimo del parmetro.

La validacin de los resultados del modelo despus de calibrados los parmetros se hace directamente con la simulacin del programa al cual se le introduce un registro de precipitacin de verificacin y se compara la hidrgrafa de salida calculada con la registrada para el mismo evento.

Interpretacin de los resultados que ofrece el HEC-HMS Los resultados ms importantes del programa HEC-HMS son: Los caudales mximos de la hidrgrafa considerada. Los tiempos al pico de dichos caudales. La forma general de la hidrgrafa considerada. La interpretacin de los resultados depende de la confiabilidad misma de la informacin suministrada al programa. Si se cuenta con poca informacin, no es posible decidir si los valores de caudales y tiempos se subestiman o se sobreestiman y esto repercute directamente en la confiabilidad de la forma de la hidrgrafa de salida.Cuando se modelan situaciones futuras que incluyen proyectos de ingeniera como presas o derivaciones, entonces los resultados deben estar apoyados en un trabajo previo de optimizacin y validacin con base en la informacin disponible. Una vez alcanzado este punto, los resultados se deben interpretar a la luz de los efectos que tendran diferentes configuraciones de las obras proyectadas dentro de la cuenca.

Interpretacin de los resultados que ofrece el HEC-HMSAnte todo se debe tener presente que el modelo simula una condicin extrema de mximos caudales liberados en corto tiempo (hablando en trminos de horas o pocos das) para un patrn de tormenta definido como crtico. As que sus resultados no dicen mucho acerca del comportamiento diario de la corriente o de los caudales de la cuenca (es decir que no se pueden utilizar para definir reglas de operacin de obras de ingeniera o para predecir los efectos de inundacin causados por lluvias de moderada o baja intensidad actuando de continuo por varias semanas o meses).

Son tiles en cambio para hacerse a una idea de las magnitudes de caudal que puede llegar manejar una corriente en cortos perodos, de los tiempos de respuesta para sistemas de alerta contra inundaciones o desbordamientos aguas abajo (en poblaciones o distritos de riego), y de los volmenes libres que deben mantenerse en los embalses para amortiguar los efectos de las crecientes.

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