rainfall–runo process models...

Revista Ingenierıa UC, Vol. 22, No. 3, Diciembre 2015 89 - 104

Rainfall–runoff process models validation

Vega–Manganiello, Ana C.a, Quines F., Veronica C.a, Guevara, Edilberto∗,b

aDepartamento de Ingenierıa Ambiental, Escuela de Ingenierıa Civil, Facultad de Ingenierıa, Universidad de Carabobo,Valencia, Venezuela.

bCentro de Investigaciones Hidrologicas y Ambientales, Escuela de Ingenierıa Civil, Facultad de Ingenierıa, Universidad deCarabobo, Valencia, Venezuela.

Abstract.-

The model validation of the rainfall–runoff process is based on the study of the characteristic parameters of a basin,establishing for them an specific range of values that allow to estimate periodic floods with a view to preventinghydrological risk to which may be subject a certain community members. This paper develops a methodology tovalidate models of rainfall-runoff process in the watershed of the Rio Cabriales, in order to simulate flows thatare statistically comparable with the observed values. In hydraulic engineering, it is difficult to analyze naturalphenomena with only a mathematical model, require instead cause and effect relationships, as with those referringto the rainfall-runoff process. In this paper, the synthetic unit hydrograph models of C.O. Clark, Soil ConservationService (SCS) and Snyder are compared applying ArcGIS 10.0, HEC-GEOHMS 1.0 and 3.5 HEC-HMS software.In the calibration, phase Clark unit hydrograph and Snyder reproduce better the measured output hydrograph of theevaluated basin. In the calibration phase, the estimation error is less for the case of SCS unit hydrograph.

Keywords: hydrological parameters; rainfall–runoff models; calibration; validation.

Validacion de modelos del proceso lluvia–escorrentıa

Resumen.-

La validacion de los modelos del proceso de lluvia–escorrentıa esta fundamentada en el estudio de los parametroscaracterısticos de una cuenca, para fijar un rango especıfico de los mismo y mediante estos estimar crecidasperiodicas con el fin de prevenir de esta manera a los habitantes de una determinada comunidad. Este trabajodesarrolla la metodologıa adecuada para validar modelos de lluvia–escorrentıa de la cuenca del Rıo Cabriales, conel objeto de obtener caudales simulados y compararlos con los datos observados, ya que en el ambito de la ingenierıahidraulica, existen en algunos casos fenomenos naturales difıciles de analizar con un modelo matematico. Losmodelos utilizaron fueron el hidrograma unitario de Clark, el hidrograma unitario de SCS y el hidrograma unitariode Snyder. Los softwares utilizados: fueron ARCGIS 10.0, HEC–GEOHMS 1.0 y HEC–HMS 3.5. Para la fase decalibracion los hidrogramas unitarios de Clark y Snyder presentaron mejor adaptacion a los hidrogramas de salidade la cuenca de estudio. En el caso de la validacion el error fue menor en el hidrograma unitario SCS.

Palabras clave: parametros hidrologicos; modelos lluvia–escorrentıa; calibracion; validacion.

Recibido: Agosto 2015Aceptado: Octubre 2015

∗Autor para correspondenciaCorreo-e: [email protected] (Guevara,

Edilberto)

1. Introduccion.

En la hidrologıa aplicada es esencial predecirciertas variables fısicas y/o parametros; un estudiodel proceso de lluvia–escorrentia permite lograreste objetivo. Para ello hay que validar losmodelos del proceso lluvia–escorentia de unacuenca, en el caso de estudio la Cuenca del RioCabriales, con el fin de establecer parametros

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propios de la cuenca. Un escenario ideal, dondepuedan ser establecidos parametros fijos, puedepredecir en el estudio y analisis de las cuencashidrograficas variables como por ejemplo, elescurrimiento, evotranspiracion, infiltracion, etc.en un determinado tiempo y en un punto.

Para los datos de caudal, fueron estudiados losniveles de un aforo de la Cuenca del Rio Cabriales.Para la obtencion de los datos del mismo tambienfue usada Tecnum Electronica, con la instalacionun sensor de niveles en el Puente A del ParqueNegra Hipolita, la cual toma datos de nivel delrio cada cinco minutos. En Venezuela solo trescuencas cuentan con esta innovadora tecnologıa.El mismo criterio de los datos de lluvia fue usadopara disponer de los datos de nivel. La presenteinvestigacion hace uso de las herramientas ArcGIS10.0 y HEC–HMS 3.5 como metodologıa paralograr el objetivo propuesto en la Cuenca delRio Cabriales. El estudio analiza la formulacionmatematica de los modelos que aplica en elHEC–HMS, explicadas en su manual tecnico dereferencia [1].

La presente investigacion abre el camino parala determinacion de parametros del proceso delluvia-escorrentıa a partir de datos observados me-diante el uso de equipos de innovadora tecnologıay facil acceso de data, cabe resaltar que el usode herramientas, como el sensor de niveles, soloesta disponible en tres cuencas de nuestro paıs, elcual su instalacion mas reciente fue en la Cuencadel Rio Cabriales. Existen estudios con el mismofin de simular los procesos de lluvia–escorrentıade la cuenca, los cuales fueron comparados conel presente estudio. Hay que tomar en cuenta queestos estudios no disponen de una data que cuentencon la misma precision como la de este estudio.

En la Declaracion anual de la OrganizacionMeteorologica Mundial (OMM–WMO) sobre elestado del clima mundial manifesto en el 2013 lasdrasticas repercusiones que tienen las sequıas, lasolas de calor, las inundaciones y los ciclones enlas personas y los bienes de todo el mundo. Lacual concluye que una mejora en la prediccionde caudales requiere investigacion en materiade modelizacion meteorologica e hidrologica. Enlas grandes cuencas representa una integracion

del conocimiento de modelizacion meteorologicae hidrologica en el espacio y el tiempo conel comportamiento fısico integrado, junto conanalisis de serie temporales. Para ello adiciona larecomendacion de actualizar los procedimientos,usar datos de nivel de agua y caudal de corrientepara mejorar las condiciones inıciales para laspredicciones del modelo.

En Venezuela ha sido protagonista de catastro-fes naturales como el deslave de Vargas productode corrimientos de tierras e inundaciones ocurridasen las costas caribenas del paıs en el diciembredel ano 1999, las perdidas van desde 700 a 30000muertos y desaparecidos dependiendo de la fuente.Otro hecho de deslave producto de las fuertesprecipitaciones prolongadas por un periodo de 6horas en la cuenca del rıo El Limon en el estadoAragua, significaron unos 180 milımetros de agua,lo que equivale a las lluvias de aproximadamentede dos meses normales. Segun el reporte de aquellaepoca fueron mas de 8 kilometros de carreteradestruida y mas de 100 personas fallecidas.

En la ultima decada la Cuenca del Rio Cabrialesha acontecido un sin numero de crecidas productode las precipitaciones registradas en la cabecera dela Cordillera de la Costa, las cuales ocasionan unaumento del nivel de las aguas. Como por ejemploel evento del 13 de agosto del 2011 donde lasfuertes precipitaciones observadas dejaron comoresultado 1.710 personas afectadas y 344 viviendasanegadas en 15 sectores de los municipios Nagua-nagua y Valencia.

El estudio de Valencia [2] realiza un mapa deinundacion de la cuenca donde concluye que elmapa de amenaza generado en la investigaciones una representacion importante y util de lapeligrosidad por inundacion en ese sector del rıo.Las razones expuestas establecen los motivos debase para realizar estudios en Venezuela, casode estudio la Cuenca del Rio Cabriales, de losprocesos lluvia-escorrentıa con el fin de establecerparametros propios de la cuenca.

Todo esto lleva a la interrogante ¿En quegrado podran ser validados los procesos de lluvia-escorrentıa del Rio Cabriales?

La calibracion de parametros de los modelosde hidrograma unitario permite ajustar valores


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de acuerdo a la cuenca de estudio. Estos sonuna herramienta util que permitira definir uncomportamiento del proceso lluvia-escorrentıa.

Los modelos aplicados en el presente trabajo,mediante el software HEC–HMS v3.5, son: Hi-drograma Unitario SCS, que estan rigidos por eltiempo de retardo de la cuenca, definido como eltiempo transcurrido desde el centro de gravedaddel histograma hasta la punta del hidrograma;segundo el Hidrograma Unitario de Snyder, quetambien trabaja con el tiempo de retardo apartir de unos coeficientes pico propios de lacuenca y por ultimo el Hidrograma Unitario deClark, que depende del tiempo de concentraciondefinido como, el tiempo que tarda la gotadesde el momento en que cae aguas arribahasta el punto de salida de la cuenca y uncoeficiente de almacenamiento definido como, elındice de almacenamiento temporal de exceso deprecipitacion en la cuenca.

Los estudios mediante que generan planes decontingencia antes las amenazas de inundaciones ya nivel de planificacion urbana, ası pueden evitar eldesarrollo social en las areas que presenten mayorriesgo. Ya que al calibrar parametros de la cuencapermiten hacer estimaciones de picos de crecidaspara estar alerta a cualquier eventualidad.

Es conveniente aclarar que este es un estudiopiloto inicial de un trabajo mas amplio que estadesarrollando el Centro de Investigaciones Hi-drologicas y Ambientales (CIHAM) de la Escuelade Ingenierıa Civil.

2. Aspectos teoricos

2.1. Antecedentes

Carvajal y Roldan [3] mediante un modeloGR4J, calibraron y optimizaron 4 parametroslos cuales se comprobaron comparando caudalessimulados con observados. Los resultados deeste investigacion arrojaron que el modelo GR4Jrepresenta de manera satisfactoria la serie de cau-dales diarios especialmente en caudales mınimosprovenientes de epocas de sequia. Los valoresde los criterios de eficiencia se encuentran entreun 50 y 100 % lo que muestra el potencial del

modelo. Esta investigacion sirvio para compararque modelo era mas eficaz.

Quintero y Acero [4] mediante modelos di-gitalizados obtuvieron las caracterısticas fısicasy los parametros hidrologicos necesario parapredecir el nivel de riesgo de inundacion de lacuenca. Esta investigacion sirvio de guıa parala aplicacion de los Software ArcGis y HEC–geoHMS en la estimacion de las caracterısticasfısicas y parametros hidrologicos de la cuenca enestudio.

Peraza y Trujillo [5] generaron el modelo deelevacion digital en ArcMap 10 y a traves dela herramienta Hec–GeoHms se pudo obtener lascaracterısticas geometricas de las cuencas, talescomo area, longitud de los rıos se obtuvieronparametros de los diferentes modelos que propor-ciona el software HEC. En esta investigacion seobtuvieron valores de tiempo de concentracion Tcentre los rangos de 1 a 2 horas, impermeabilidadentre 3 y 10 % y tempos de retardos de 30 mina 1 hora. Esta investigacion sirve para validarparametros obtenidos en los diferentes modelosdel HEC para cuencas con condiciones similares.

Valencia [2], (2011.) hizo un analisis hidrologi-co e hidraulico en esta cuenca basandose en eluso de modelos matematicos para simular flujosde canales y procesos de lluvia escorrentıa endiferentes periodos de ocurrencia, permitiendo asıconstruir una herramienta fundamental para laplanificacion de desarrollo urbanıstico y medidasde mitigacion de riesgo. Los resultados dieronvalores de correlacion R = 4,94, valores dedeterminacion R2 = 0,28 y error estandar S E =

48,44. Esta investigacion sirvio para compararvalores de error obtenidos al comprar lo observadocon lo simulado.

2.2. Modelo del Hidrograma Unitario de Snyder

Snyder recopila datos de precipitaciones decuencas derivados del hidrograma unitario, dondeparametrizo los valores medibles relacionados alas caracterısticas de la cuenca. Para esto, propusola relacion dada en la Ecuacion (1)

tp = C ·Ct (L · Lc)0,3 , (1)



donde C es la constante de conversion, C = 0,75;Ct el coeficiente de cuenca, Ct ∈ [1,8; 2,2] perotambien se puede adoptar el valor de 0,4 paraareas montanosas y el de 8 para zonas cercanas algolfo de Mexico; L es la Longitud de la corrienteprincipal desde la salida a la brecha y Lc laLongitud a lo largo de la corriente principal de latoma a un punto mas cercano al centro de gravedadde cuenca.

2.3. Modelo SCSEl modelo del Hidrograma Unitario del Sistema

de Conservacion del Suelo (SCS Unit HydrographModel o modelo SCS) esta incluido en el programaHEC–HSM y se basa en la media del hidrogramaunitario derivado de las precipitaciones y laescorrentıa para un gran numero de pequenascuencas agrıcolas.

El SCS puede ser estimado mediante unacalibracion. Para este modelos son necesariosdos parametros, el tiempo de retardo (lag timetlag) y el tiempo de concentracion (concentrationtime tc) los cuales estan relacionados mediante laEcuacion(2)

tlag = 0,6tc. (2)

2.4. Modelo del Hidrograma Unitario de ClarkEl modelo de Clark (Clark’s Unit Hidrograph

Model) deriva un hidrograma unitario de cuencasque representan explıcitamente dos procesos crıti-cos en la transformacion de exceso de precipita-cion a escorrentıa los cuales son

Traslacion o movimiento del exceso desde suorigen a lo largo de la cuenca.

Atenuacion o reduccion de la magnitud de ladescarga como el exceso es almacenado a lolargo de la cuenca.

Esta fundamentado basicamente en el tiempo deconcentracion de la cuenca que puede ser estimadocomo lo describe el Modelo de HidrogramaUnitario SCS o puede ser calibrado dentro de unrango de valores muy amplio.

Su formula esta definida por la Ecuacion (3)

Tb = D + Tc, (3)

donde Tb es el tiempo base del HidrogramaUnitario; D la duracion del evento de precipitaciony Tc el tiempo de concentracion.

3. Metodologıa

La metodologıa implica la ejecucion de lassiguientes fases

DiagnosticoRecoleccion de DatosProcesamiento de DatosAnalisis de Resultados

3.1. Diagnostico

Fue identificada el area de estudio de la cuencadel rio Cabriales la cual se encuentra ubicada enel Estado Carabobo, el nacimiento del cauce seencuentra en la vertiente sur de la serranıa dellitoral a una cota aproximada de 1.650 msnm;recorre la ciudad de Valencia de norte a sur hastallegar a su desembocadura en el Lago de Valencia;tiene una longitud de 33 Km y drena un area de140 Km2. De sus condiciones climaticas se puededecir que posee una precipitacion promedio anualde 1.000 mm (Estacion Barbula), con un periodolluvioso entre los meses de abril y octubre, y unperiodo seco que se extiende desde noviembrehasta marzo. La temperatura media anual esde 23.4 ◦C (Estacion Guataparo – Dique). Ensu recorrido el rıo Cabriales recibe descargasdomesticas provenientes de zonas urbanas. Enlos ultimos anos la cuenca del rıo Cabriales hasido sometida a un proceso de urbanizacion sinsistemas de disposicion de las aguas servidas.

3.2. Recoleccion de Datos

Esta fase esta recopilada de diferentes fuentespor autores y organismos publicos, resumida en laTabla 1.

Cartas TopograficasLas cartas topograficas oficiales usadas para

delimitar la cuenca del rıo Cabriales estan sumi-nistradas por el Instituto Geografico de VenezuelaSimon Bolıvar (IGVSB) [6] a escala 1:25.000,



Tabla 1: Recoleccion de datos

Informacion Fuente Descripcion UsoCartas Topograficas Instituto Geografico de

Venezuela Simon Bolıvar(IGVSB) [6]

Curvas de nivel a escala1:25.000 distanciadas acada 20 m.

Mapa de elevacion digitalpara delimitar la cuencadel rio Cabriales.

Mapa del tipo de vegeta-cion, taxonomıa del suelo

CIHAM–UC [7] Mapas georreferenciadosde vegetacion y taxo-nomıa del suelo

Calculo del CN parame-tro necesario para calcu-lar el numero de curvade la cuenca utilizado enla simulacion con HEC–HMS [1]

Uso de las tierras http://earthexplorer.usgs.gov/ Imagenes SatelitalesL8 OLI/TIRS PRE-WRS-2 y L7 ETM+ SLC-off

(2003 present)

Calculo de CN

Datos de Precipitacion Tecnum Electronica Estacion ubicada en elCIHAM-UC y estacionubicada en el Parque Fer-nando Penalver

Generar Hietogramas deTormenta

con curvas de nivel cada 20 m, identificadas porEL CAMBUR 6547-II-SEPRIMAVERA 6647-III-SOLA ENTRADA 6546-I-NEYAGUA 6646-IV-NOVALENCIA 6546-I-SEVALENCIA 6646-IV-SONUEVA VALENCIA 6546-II-NEFLOR AMARILLO 6646-III-NOLA YAGUARA 6546-II-SEBOQUERON 6646-III-SO

Mapa del tipo de vegetacion, taxonomıa del sueloPara determinar el parametro CN necesario para

calcular el numero de curva de la cuenca utilizadoen la simulacion con HEC–HMS fue usada lainformacion del tipo de vegetacion, los detallesdel uso del software de este apartado estan en eltrabajo de Quines y Vega [8], pp 37–54.

Uso de las tierrasEl uso de la tierra en la implementacion del

software esta explicado en el trabajo de Quines yVega [8], Capıtulo 3.

Datos de precipitacionLa determinacion y el procesamiento de los

datos de precipitacion Mediante las estacioneshidrologicas necesarios para generar los hietogra-mas de tormenta estan explicado en el trabajo deQuines y Vega [8], pp 54–65.

3.3. Procesamiento de datos

Esta fase comprende el proceso de datos ob-tenidos mediante las mediciones en campo, co-mo tambien los datos teoricos y la informacionobtenida en las cartas topograficas, previamentedigitalizadas; mediante el software ArcGIS v.10y sus diferentes extensiones. Para lo mencionadoanteriormente se procede a

Procesamiento con ArcGIS Desktop 10Procesamiento con HEC–HMSProcesamiento con HEC–GeoHMS

Los detalles del procesamoento de los datos estanen los manuales de HEC–HMS [1] y HEC–GeoHMS [9].

Al Comparar la clasificacion del tipo del suelode la zona segun la base de datos y la descripcion



Tabla 2: MCO Curva de Gastos de la Cuenca, usando las observaciones 1–36. Variable dependiente: CaudalCoeficiente Desv. Tıpica Estadıstico t Valor p

const −0,1079 0,554332 −0,1947 0,8468Nivel 0,6088 1,520940 0,4003 0,6915Nivel2 5,8927 0,388162 15,1815 0,0000

Media de la vble. dep. 7,3207 D.T. de la vble. dep. 20,8484Suma de cuad. residuos 8,4102 D.T. de la regresion 0,5048R2 0,9989 R2 corregido 0,9989F(2, 33) 29829,77 Valor p (de F) 1,79e–54

de la clasificacion hidrologica de los suelos, el tipode vegetacion, el uso de la tierra y la descripcionde los grupos de suelo (Guevara y Cartaya [10]),los porcentajes de grupos de suelos hidrologicos“PctA”, “PctB”, “PctC” y “PctD”, de las zonasdelimitadas en el plano de la base de datos fueronestimados. Y se le asignaron valores al LandUsedependendiendo de estos mismos criterios.

4. Analisis y discusion de resultados

Los resultados obtenidos de la investigacionfueron agrupados de la siguiente forma:

1. Caracterizacion la variacion de niveles yescorrentıa mediante una curva de gastos delrıo Cabriales,

2. Descripcion las caracterısticas del procesolluvia–escorrentıa mediante obtencion dedatos de las red de estaciones de monitoreohidrometeorologicas de la cuenca del rioCabriales,

3. Calibracion de modelos del proceso lluvia-escorrentıa adaptados a la cuenca del rioCabriales,

4. Comparacion de modelos del procesolluvia-escorrentıa adaptados a la cuenca delrio Cabriales,

5. Validacion de modelos del proceso lluvia-escorrentıa adaptados a la cuenca del rioCabriales.

4.1. Caracterizar la variacion de niveles y esco-rrentıa

Los resultados obtenidos de las mediciones enel puente “A” del parque Fernando Penalver desde

octubre del 2014 y hasta febrero del 2015 fuerontabulados: los niveles compensados con respectoa los caudales medidos. con la observacion queel nivel 0,31 m estaba vinculado con el menorvalor del rango de caudal, 0,42 m3/s, y el nivel de3,53 m estaba vinculado con el mayor valor delrango de caudal, 75,47 m3/s. Los datos permitierondeterminar el modelo de la curva de gastosde la cuenca del rıo Cabriales correspondientesa las mediciones realizadas en el Puente “A”de coordenadas de latitud 10◦11’58,42”, longi-tud 68◦0’8.82” y elevacion 496 m, estimada en laTabla 2.

La Tabla 2 muestra el modelo de la curva degastos de la cuenca; el R2 afirma que el calculo delcaudal esta determinado por la constante, el nively el cuadrado del nivel en un 99,89 %. El F–valorconfirma la validez del modelo.

Figura 1: Curva de Gastos de la cuenca del rio Cabriales

En la Figura 1 correspondiente a la curva degastos se observa que su variable independientevendrıa dada por los niveles y la misma secaracterizo con la expresion de la Ecuacion 4

Cd = 5,8927Nv2 + 0, 6088Nv − 0, 1079, (4)

donde Cd es el caudal y Nv es el nivel.



Tabla 3: MCO Curva de Gastos de la Cuenca, usando las observaciones 1–36.

Variable dependiente: Caudal Variable independiente: Nivel2

Coeficiente Desv. Tıpica Estadıstico t Valor pNivel2 6,0582 0,0233 260,3603 0,0000

Media de la vble. dep. 7,3207 D.T. de la vble. dep. 20,8484Suma de cuad. residuos 8,8463 D.T. de la regresion 0,5027R2 0,9994 R2 corregido 0,9994F(1, 35) 67787,47 Valor p (de F) 3,97e–59Criterio de seleccion de modelo Longitud de Descripcion 53,6370







Pero es necesario observar que el modelo dela Ecuacion (4), obtenido en la Tabla 2 no esestadısticamente significativo, ya que los t–valoresson altos (superiores al valor crıtico para un nivelde confianza del 90 %), con p–valor superior a0,10. Por lo tanto es necesario reestimar el modelo.

Los modelos estadıticamente significativosestan en la Tabla 3. El criterio de seleccionde modelo es la longitud de descripcion deRissanen [11]. De esta forma, el modelo que estamejor adaptado a los datos es aquel que tengamenor longitud de descripcion (ver Vega [12]),Luego el modelo a seleccionar es el modelo cuyavariable independiente es Nivel2 presentado en laEcuacion 5

Cd = 6,0582Nv2, (5)

donde Cd es el caudal y Nv es el nivel.

Con la expresion de la Ecuacion 5 es posibleanalizar que la curva de tendencia tiene unarelacion polinomica de grado 2 con un coeficientede determinacion conocido como el valor deR cuadrado de 0,9994 que indica que hay unaestrecha relacion entre las variables de gasto yniveles.

Ademas, hay que acotar que el rango de valoresobservados no posee valores medios debido a queen el periodo de estudio no acontecieron eventosdonde se pudieran observar estos fenomenos. Estose refleja en la Figura 2 donde se puede visualizarque en el periodo de estudio solo ocurrieroneventos extremos.



Figura 2: Variacion de niveles con respecto al tiempo deestudio

4.2. Descripcion las caracterısticas del procesolluvia–escorrentıa

Para la obtencion de un proceso de lluviaescorrentıa se dispuso de dos estaciones hidro-meteorologicas proporcionadas e instaladas porTECNUM ELECTRONICA, ubicadas tales comose muestra en la Figura 3.

Figura 3: Ubicacion de las Estaciones hidrometeorologicas.

Hidrometrica de Carabobo (CDCH) (Plu-viometrica) ubicada en el CIHAM-UC concoordenadas de latitud de 10◦16’39.62”Nlongitud de 68◦1’2.36”O y elevacion de 516m. En Esta estacion solo se registraron datosde precipitacion acumulada a cada 5 min enmm. En la cuenca del Rio Cabriales los datosque se registraron en la estacion correspondena las precipitaciones aguas arriba. Si ocurrıaun evento de proceso lluvia-escorrentia se re-gistrarıa la lluvia en la estacion del CIHAM–UC antes que en la estacion del ParqueFernando Penalver.

Hidrometrica Parque Negra Hipolita (CDCH)(Hidrometrica) ubicada en el Parque Fernan-do Penalver, adyacente a las instalacionesde la direccion del parque por seguridad,mantenimiento y resguardo de los equipos;con coordenadas de latitud 10◦11’58.42”N,longitud 68◦0’8.82”y elevacion 496 m. en Es-ta estacion hidrometeorologica se registrabandatos de precipitacion acumulada cada 5 minen mm y a su vez se registraban datos de nivelde agua en el aforo ubicado en el puente “A”del parque Fernando Penalver, estos nivelesde agua tambien se registraban cada 5 mincon unidad de metros (m). A su vez se tienepresente que un sensor de niveles siempre sedebe calibrar por debajo del fondo de aforopor la interaccion de los sedimentos con elfondo; por lo cual el encerado de este fue a0,5 m por debajo del fondo del nivel. Parael proceso de lluvia escorrentıa se tomo elcriterio de que esta estacion vendrıa siendolos registros de cuenca aguas abajo.

El proceso de lluvia–escorrentıa experimentadoa lo largo del estudio estaba caracterizada por sereventos con precipitaciones y caudales muy bajos,tales como se muestran en el hidrograma reflejadoen la Figura 4 y los hietogramas reflejados enlas Figuras 5 y 6, debido a que el mismo fuerealizado durante la epoca de sequıa del ano. Loseventos mas caracterısticos para poder realizarlos objetivos se ubicaron en el mes de octubrecorrespondiente a las fechas 12 de octubre del2014 y el 13 de octubre del 2014.

Figura 4: Hidrograma registrado por hidrometrica ParqueNegra Hipolita.



Figura 5: Hietograma registrado por hidrometrica deCarabobo.

Figura 6: Hietograma registrado por hidrometrica ParqueNegra Hipolita.

Evento del 12 de octubre de 2014

La Figura 7 muestra el hietograma registrado porLa hidrometrica de Carabobo (CDCH) (pluviome-trica) ubicada en el CIHAM–UC coordenadas delatitud de 10◦16’39.62”N longitud de 68◦1’2.36”Oy elevacion de 516 m del vento 12 de Octubre del2014 hora de inicio 13:45:16.

Figura 7: Hietograma de lluvia registrado en el CIHAM–UC,12 de octubre del 2014.

La Figura 8 muestra el hietograma registra-do en la hidrometrica Parque Negra Hipolita(CDCH) (hidrometrica) de coordenadas de latitud

Figura 8: Hietograma de la lluvia registrada por hidrometricaParque Negra Hipolita (CDCH), 12 de octubre del 2014.

10◦11’58,42”, longitud 68◦0’8.82” y elevacion496 m. Evento del 12 de octubre del 2014. Horade Inicio 13:45:16

Figura 9: Hidrograma de la lluvia registrada por hidrometricaParque Negra Hipolita (CDCH), 12 de octubre del 2014.

La Figura 9 muestra el Hidrograma en laHidrometrica Parque Negra Hipolita (CDCH)(Hidrometrica) ubicado en el Parque FernandoPenalver, luego de realizar la relacion de losniveles con los caudales mediante la curva degastos. Coordenadas de latitud 10◦11’58,42”, lon-gitud 68◦0’8.82” y elevacion 496 m. Evento 12 deoctubre de 2014 hora de inicio 13:45:16.

Evento del 13 de octubre de 2014

La Figura 10 muestra la lluvia registrada en lahidrometrica de Carabobo (CDCH) (Pluviometri-ca) ubicada en el CIHAM-UC, coordenadas delatitud de 10◦16’39.62”N longitud de 68◦1’2.36”O



y elevacion de 516 m. Evento 13 de octubre del2014, hora de Inicio 11:45:28.

Figura 10: Hietograma de lluvia registrado en el CIHAM–UC, 13 de octubre de 2014.

Figura 11: Hietograma de lluvia registrado en el CDCH, 13de octubre de 2014.

La Figura 11 muestra la lluvia registrada enla Hidrometrica Parque Negra Hipolita (CDCH)(Hidrometrica) ubicada en el Parque FernandoPenalver, de coordenadas de latitud 10◦11’58,42”,longitud 68◦0’8.82” y elevacion 496 m. Evento del13 de octubre de 2014, hora de Inicio 13:20:16

La Figura 12 muestra el hidrograma en lahidrometrica Parque Negra Hipolita (CDCH) ubi-cado en el Parque Fernando Penalver, luegode realizar la relacion de los niveles con loscaudales mediante la curva de gastos. Coordenadasde latitud 10◦11’58,42”, longitud 68◦0’8.82” yelevacion 496 m. Evento 13 de octubre de 2014,hora de inicio 11:45:16.

Se observa que ambos eventos del proceso delluvia–escorrentia de la cuenca del rio Cabriales se

Figura 12: Hidrograma de la lluvia registrada por hidrometri-ca Parque Negra Hipolita (CDCH), 13 de octubre del 2014.

registraron primero en la estacion del CIHAM-UC,cuenca arriba, y luego se registraron en la estaciondel Parque Fernando Penalver, cabe destacar que lamagnitud de las lluvias ocurridas no son similaressiendo mas representativas las ocurridas en elParque Fernando Penalver asumiendo ası que estasinfluyeron de manera directa en los hidrogramasobservados.

Estos eventos descritos fueron los introducidosdentro del software HEC- HMS para dar respuestaa los objetivos siguientes.

4.3. Calibracion de modelos

El estudio realizado aplico tres modelos quefueron sometidos a calibracion: SCS Unit Hy-drograph, Snyder Unit Hydrograph y Clark UnitHydrograph. Previamente se extrajo la siguienteinformacion del software ArcGIS 10.0 para reali-zar los calculos pertinentes y se definio la nomen-clatura exportada al modelo HEC–HMS 3.5, talescomo se muestran en las Tablas 4 y 5.

Tabla 4: Parametros obtenidos de la Cuenca del RioCabriales.

PARAMETRO VALORArea de la Cuenca 2125,79 km2

Perımetro de la Cuenca 135,42 kmLongitud del rıo 32,42 kmElevacion de Aguas Arriba 435,59 msnmElevacion de Aguas Abajo 422,89 msnmLongitud del tributario mas largo 42,24 km

Coordenadas del Centroide608352,11;1127011,75



Tabla 5: Cuencas correspondientes a la nomenclatura delHEC–HMS.

NomenclaturaHEC–HMS Cuenca correspondiente

W60 Cuenca del Rio CabrialesW70 Cuenca del Dique de GuataparoW80 Cuenca del embalse de GuataparoW90 Cuenca del Rio Pao

W100 Subdivision de Cuenca

SCS Unit Hydrograph.

Luego de calibrar el modelo de HidrogramaUnitario SCS se obtuvo los siguientes resultadosreflejados en la Figura 13. Para llegar a este

Figura 13: Hidrogramas observado y estimado luego de lacalibracion.

resultado, fue necesario ingresar ciertos parame-tros de entrada en la “W60”, los cuales fueron:numero de curva de 78.842 el cual fue calculadopor el software ArcGIS 10.0 anteriormente, apartir de esto se asumio que se tiene un ındicede perdidas del 100 %, y una impermeabilidaddel 6.3 %. Se calculo un Lag Time (min) de10 min con el metodo grafico, debido a que elTiempo de Retardo que el HEC–HMS calculaes de 10046 min aproximadamente, resultandoun valor erroneo y sometido a calibracion. Sedemuestro que el Tiempo de Retardo estimado de10 min arrojo resultados mas congruentes con elhidrograma observado.

Para el flujo base de este estudio se tomo encuenta que era epoca de sequıa colocando para

los meses secos de 0.01 m3/seg y en los mesesque donde se experimenta mayores precipitacionesde 0.2 m3/seg. Para la calibracion se adoptoel criterio de usar el evento mas significativodurante el periodo de estudio, el cual coincidecon el proceso lluvia–escorrentia ocurrido el 13de octubre de 2014, el hidrograma de salida ymodelo meteorologico que se ingresaron fueronlos observados ese dıa.

De igual forma se tomo el criterio para laprecipitacion y se tomaron los datos de lluvia del13 de Octubre de 2014 en el parque FernandoPenalver.

Figura 14: Resultados obtenidos por el metodo SCS UnitHydrograph.

Figura 15: Resultados tabulados obtenidos por el metodoSCS Unit Hydrograph.

Los resultados cuantitativos del modelo estanreflejados en las Figuras 14 y 15.

El pico estimado da un valor de 165.6 m3/smientras que el valor observado de 67,17 m3/s,dando un porcentaje de excedencia del 146,5 %.Cabe resaltar que mediante la calibracion del



modelo se logro que el pico estimado coincidieracon el pico observado.

Snyder Unit Hydrograph.

Luego de calibrar el modelo de Hidrograma Unita-rio Snyder se obtuvo los resultados observados enla Figura 16.

Figura 16: Hidrograma observado y estimado luego de lacalibracion del modelo.

Para el metodo de Snyder Unit Hydrograph seintrodujeron los siguientes datos de entrada en lacuenca “W60”, correspondiente a la cuenca delrio Cabriales. Se trabajo con un numero de curvade 78.842 el cual fue calculado por el softwareArcGIS 10.0 anteriormente, a partir de esto seasumio un ındice de perdidas del 100 %, y unaimpermeabilidad del 6.3 %.

Para los parametros de calibracion propiosdel metodo el Tiempo de Retardo (HR) y elCoeficiente de Pico; se tomaron los valores deCt = 0,15 con el que se calculo un Tiempode Retardo (HR) de 0.86 y Coeficiente de Picode 0,42. El flujo base para este estudio se tomoen base a epoca de sequıa asumiendo en losmeses secos de 0.01 m3/seg y en los meses quedonde se experimenta mayores precipitaciones de0.2 m3/seg.

Para la calibracion se adopto el criterio de usarel evento mas significativo durante el periodo deestudio, el cual coincide con el proceso lluvia-escorrentıa ocurrido el 13 de octubre de 2014,para el hidrograma de salida y para el modelometeorologico se ingresaron los datos el observadoese dıa. De igual forma se tomo el criterio para

la precipitacion y se tomaron los datos de lluviadel 13 de octubre de 2014 en el parque FernandoPenalver.

Figura 17: Resultados obtenidos por el metodo Snyder UnitHydrograph.

Figura 18: Resultados tabulados obtenidos por el metodoSnyder Unit Hydrograph.

Los resultados cuantitativos del modelo semuentan en las Figuras 17 y 18.

El pico estimado da un valor de 69,6 m3/smientras que el valor observado de 67,17 m3/s,dando un porcentaje de excedencia del 3,6 %. Laocurrencia de los picos varıa por 5 minutos.

Clark Unit Hydrograph.

Finalmente luego de calibrar el modelo de Hidro-grama Unitario Snyder se obtuvo el resultado quese visualiza en la Figura 19.

Para la calibracion del modelo se introdujeronlos siguientes datos de entrada en la cuenca“W60”, correspondiente a la cuenca del rio Cabria-les, un numero de curva de 78.842 el cual fue cal-culado por el software ArcGIS 10.0 anteriormente,



Figura 19: Hidrograma observado y estimado luego de lacalibracion del modelo.

a partir de esto se asumio que se tiene un ındicede perdidas del 100 %, y una impermeabilidad del6.3 %.

Para los parametros de calibracion del modelose rigio por la premisa de que se tienen valores deproceso lluvia-escorrentia observados para poderestimar los parametros. Siendo el tiempo deconcentracion el tiempo que transcurres entre elpico del hietograma y el cambio de pendiente enel hidrograma, este valor corresponde a 1 hora;y el Storage Coefficient un valor medido en elhidrograma desde el momento de la crecida hastaque ocurre un cambio de concavo a convexo,siendo un valor de 5 horas.

Para el flujo base se tomo en cuenta que setrabajo en epoca de sequıa asumiendo en los mesessecos de 0.01 m3/seg y en los meses en dondese experimenta mayores precipitaciones de 0.2m3/seg. Para la calibracion se adopto el criterio deusar el evento mas significativo durante el periodode estudio, el cual coincide con el proceso lluvia-escorrentıa ocurrido el 13 de octubre de 2014,para el hidrograma de salida y para el modelometeorologico se ingresaron los datos el observadoese dıa. De igual forma se tomo el criterio parala precipitacion y se tomaron los datos de lluviadel 13 de octubre de 2014 en el parque FernandoPenalver.

Los resultados cuantitativos estan reflejados enla Figuras 20 y 21.

El pico estimado da un valor de 66,8 m3/smientras que el valor observado de 67,17 m3/s,

Figura 20: Resultados obtenidos por el metodo Clark UnitHydrograph.

Figura 21: Resultados tabulados obtenidos por el metodoClark Unit Hydrograph.

dando deficit porcentual del 1,5 %. La ocurrenciade los picos varıa por 5 minutos.

4.4. Comparacion de modelos

Luego de observar los modelos calibradosmediante la comparacion del hidrograma estimadocon el hidrograma observado se puede concluirque bajo la metodologıa aplicada en este estudiolos modelos que mejor se le aplican son SnyderUnit Hydrograph y Clark Unit Hydrograph, debidoa que en el primer caso se tiene un porcentajede excedencia del 3,6 % y en el segundo casoun deficit porcentual del 1,5 %; mientras queen el modelo SCS Unit Hydrograph se tieneun porcentaje de excedencia del 146,5 %. Alobtenerse valores similares de pico se puedeestimar el mismo siendo este un dato importantepara otros estudios de obras hidraulicas.



4.5. Validacion de modelosPara la validacion de los modelos aplicados

y calibrados a la Cuenca del Rio Cabriales fuenecesario aplicarlos a otro evento significativoocurrido durante el periodo de estudio, para ello seescogio el evento antes descrito del 12 de octubrede 2014. Se introdujeron los mismos parametrosde entrada en los tres modelos cuyos resultados sereflejan en las Figuras 22, 23 y 24.

Figura 22: Resultados obtenidos por el metodo SCSUnit Hydrograph, con los mismos parametros calibradosanteriormente.

Figura 23: Resultados obtenidos por el metodo SnyderUnit Hydrograph, con los mismos parametros calibradosanteriormente.

En la Figura 22 correspondiente al HidrogramaUnitario SCS se obtuvo un pico estimado de0,8 m3/s, mientras que el observado es de 7,94 m3/sgenerando un error de 89,9 %. Mientras queen las Figuras 23 y 24 correspondientes a losHidrogramas unitarios de Snyder y Clark seobtuvo un pico estimado de 0,4 m3/s lo que

Figura 24: Resultados obtenidos por el metodo ClarkUnit Hydrograph, con los mismos parametros calibradosanteriormente.

comparandolo con el observado nos da un error de95 %.

Finalmente luego de efectuado el proceso devalidacion se observo que el metodo de SCS UnitHydrograph, estima un hidrograma que se ajustamas al real que los metodos de Snyder y Clark.

5. Discusion de Resultados

Los resultados obtenidos en este trabajos estanconformes a los manuales de usuarios del HEC–GeoHMS [9] del HEC-HMS [1].

Luego de haber concluido el estudio se obtuvouna primera aproximacion de la Curva de Gastosde la Cuenca del Rio Cabriales a partir de datosde lluvia–escorrentıa medidos directamente ensitio, correspondiente a los meses de octubre de2014 hasta febrero de 2015, coincidiendo conla temporada de sequıa del ano. Con todas laslimitantes se logro el objetivo deseado con uncoeficiente de correlacion de 0,998, mientras queen estudios anteriores como Valencia [2] obtieneun coeficiente de correlacion de 0,28; asegurandoque la curva de gastos de la cuenca del RioCabriales tiene una relacion entre las variables deniveles con caudales medidos mas precisa.

Adicionalmente cumpliendo con los objetivosestablecidos se obtuvieron unos parametros pro-pios de la Cuenca a partir de tres modelos de hi-drograma unitario aplicados mediante el softwareHEC–HMS v3.5. Estos parametros obtenidos semuestran en la Tabla 6.



Tabla 6: Parametros obtenidos de la Cuenca del RioCabriales.

Modelo de hidrograma unitario SCSTiempo de Retardo 10 min

Modelo de hidrograma unitario SNYDERTiempo de Retardo 0,86 hCoeficiente de Pico 0,42

Modelo de hidrograma unitario CLARKTiempo de Concentracion 1 h

Coeficiente de Almacenamiento 3 h

De acuerdo con Peraza [5], el cual efectuaun estudio en la Cuenca del Rio Borburata,Patanemo; cuenca ubicada en el mismo estado quela cuenca del rio Cabriales y tiene condicionessimilares, obtiene parametros de calibracion bajolos siguientes rangos: un tiempo de concentracionque varıa de 1 – 2 horas, un porcentaje deimpermeabilidad del 3 – 10 % y un tiempode retardo de 30 min – 1 hora. Comparandoestos valores con los obtenidos en la presenteinvestigacion se puede concluir que el tiempode concentracion se encuentra dentro de losvalores propuestos por Peraza, el porcentaje deimpermeabilidad que se manejo en la Cuenca delRio Cabriales es del 6,3 % lo cual coincide dentrode los valores que se tienen de impermeabilidadde la cuenca del rıo Borburata y finalmente setrabajo en un rango de valores de tiempo deretardo entre 10 min – 52 min mientras que Perazaestablecio un rango de 30 min – 1 hora. Se llegaa la conclusion que todos los valores obtenidos seencuentran dentro de un criterio aceptable mas esnecesario repetir el estudio en la cuenca del rıoCabriales para obtener valores mas adecuados paralos parametros que definen la cuenca.

Sin embargo los mismos no pueden ser vali-dados bajo la calidad de parametros definitivosdentro de la cuenca debido a la poca variedadde eventos disponibles en el periodo de estudio;conjuntamente de que los porcentajes de deficitobtenidos en la validacion son altamente diferentesse propone repetir el estudio en un periodo detiempo con eventos representativos, donde se

puedan comparar los parametros obtenidos en lapresente investigacion. Con esto se puede concluirque el metodo no es tan eficiente como el meto queCarvajal [3] aplica el cual es un modelo GRJ4 conuna eficiencia del 50 % – 100 %; se recomiendatrabajar con otros modelos donde se puedandeterminar una eficiencia mas satisfactoria.

6. Conclusiones

La curva de gastos obtenida para la cuencadel rıo Cabriales es una primera aproximacion ala curva real. La curva de gastos obtenida estacaracterizada por una lınea de tendencia de gradodos con un coeficiente de determinacion igual auno.

La estacion pluviometrica ubicada en elCIHAM–UC representa la estacion aguas arribade la cuenca y la estacion hidrometrica ubicadaen el Parque Fernando Penalver representa laestacion aguas abajo de la cuenca. Sin embargoen los eventos representativos ocurridos durante elperiodo de estudio se comprobo que los eventosregistrados en el Parque Fernando Penalverinciden directamente sobre el hidrograma desalida de la Cuenca.

En el modelo de Hidrograma Unitario SCS sedebe tener presente que para poder estimar el valorcalibrado hay que tener la data correspondienteal proceso de lluvia–escorrentıa, en el modelode Hidrograma Unitario Snyder se deduce que latopografıa de la Cuenca del Rio Cabriales tienependientes suaves y se desarrolla en su mayorextension en planicie, finalmente en el modelode Hidrograma Unitario Clark se definio que susparametros estan sujetos mas al evento que almodelo de la cuenca de estudio.

Agradecimiento

Al CIHAM–UC que permitio realizar estainvestigacion. A la Profesora Maryelvis Jimenezpor su amplia colaboracion. Este trabajo es partedel estudio de las caracterısticas climatologi-cas de la cuenca del rıo Cabriales que vienerealizando el Dr. Grevara dentro del Proyectodel Laboratorio de Procesos Estocasticos para el



estudio climatologico financiado por el FONACIT,coordinado por el Dr. C. Vega, Director delIMYCA. Tambien agradecemos al Laboratorio deProcesos Estocasticos del IMYCA por la revisionfinal de este trabajo.

Referencias

[1] US Army Corps of Engineers. Hydrologic ModelingSystem HEC–HMS Technical Reference Manual, 2000.

[2] F Valencia. Validacion del modelo hec–hms en lacuenca del rıo cabriales para el analisis hidrologico.Revista INGENIERIA UC, 21(14), 2014.

[3] Carvajal and Roldan. Calibracion del modelo lluvia-escorrentia agregado GR4J aplicacion Cuenca del RioAburra. Ediciones Universitarias, Medellın, Colombia,2007.

[4] Quintero and Acero. Nivel de riesgo de inundacionde la cuenca del rio tocuyo usando un sistema deinformacion geografica. Trabajo especial de grado,Escuela de Ingenierıa Civil, Facultad de Ingenierıa,Valencia, Venezuela, 2014.

[5] Peraza and Trujillo. Simulacion hidraulica de la ofertahıdrica en la cuenca de los rıos goaigoaza, san esteban,borburata y patanemo, san esteban mediante el usodel software hec. Trabajo especial de grado, Escuelade Ingenierıa Civil, Facultad de Ingenierıa, Valencia,Venezuela, 2014.

[6] IGVSB. Ortofotomapas. Technical report, InstitutoGeografico de Venezuela Simon Bolıvar, 2008.

[7] CIHAM-UC. Mapa de uso de suelo y tipo de tierra.Technical report, Centro de Investigaciones Hidrilogi-cas y Ambientales de la Facultad de Ingenierıa de laUniversidad de Carabobo, Valencia, Venezuela, 2014.

[8] A. Vega and V. Quines. Validacion de modelosdel proceso lluvia–escorrentıa en la cuenca del rıocabriales. Trabajo especial de grado, Escuela deIngenierıa Civil, Facultad de Ingenierıa, Valencia,Venezuela, 2015.

[9] US Army Corps of Engineers. Applications-GuideHydrologic Modeling System HEC–GeoHMS version4.2, 2008.

[10] E. Guevara and H. Cartaya. Hidrologia Ambiental.Ediciones de la Facultad de Ingenierıa, Universidad deCarabobo, Valencia, Venezuela, 2004.

[11] Jorma Rissanen. Modeling by shortest data description.Automatica, 14(5):465–471, 1978.

[12] Cristobal E. Vega-Gonzalez. Nota tecnica: Seleccionde modelos en regresion lineal. Revista INGENIERIAUC, 20(1):87–94, 2013.


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