Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada)

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Civil Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Autor: Gerardo Gándara Álvarez. Tutor: Antonio Ruiz Reina. Dpto. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería Civil Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Autor: Gerardo Gándara Álvarez Tutor: Antonio Ruiz Reina Profesor asociado Dpto. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Trabajo Fin de Grado: Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Autor: Gerardo Gándara Álvarez Tutor: Antonio Ruiz Reina El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal vii A mis padres y hermana. A mis abuelos. A Marta. ix Agradecimientos Antes de concluir esta fase en mi vida, quiero agradecer a quienes me han acompañado y han sido fundamentales para finalizar esta etapa. En primer lugar, quiero agradecer a mis padres por su apoyo incondicional durante todos estos años. Gracias por enseñarme que siempre hay que levantarse e intentarlo una y otra vez cuando las cosas no salen como esperamos. Gracias por formarme como persona, y por esforzarse siempre en darme lo mejor. Gracias por estar ahí para escucharme y entenderme en mis días más complicados y sobre todo, por vivir mis logros como si fuesen suyos. En segundo lugar, quiero agradecer a mis abuelos por inculcarme el trabajo y la constancia, y por apoyarme en todo momento. Gracias por enseñarme a caminar siempre hacia adelante, sin desviar la mirada, con fuerza y personalidad. Gracias, Marta, por tu apoyo constante, por motivarme a seguir trabajando y esforzándome, y por ayudarme a confiar en mí mismo y en mi capacidad para lograrlo. Gracias a mi tutor Antonio Ruiz, por haberme dado la oportunidad de realizar este proyecto junto a él. Gracias por su constante atención, así como la amabilidad y empatía con las que siempre me ha tratado. Gracias por enseñarme a abordar el trabajo y las situaciones de manera profesional. Durante mi estancia en la ETSI, he tenido la suerte de conocer a un grupo de amigos maravillosos. Juntos nos hemos apoyado, enfrentado momentos difíciles, reído y desarrollado una amistad inseparable. Gracias por estos años llenos de momentos inolvidables, siempre los llevaré en el corazón. Agradezco todo lo que me habéis ofrecido, ya que ha sido fundamental en mi camino. Gracias a todos los que confiasteis en mí. Esta etapa que cierro es para cada uno de vosotros. Gerardo Gándara Álvarez Sevilla, 2024 Índice de tablas Tabla 2-1.Datos sobre las estaciones seleccionadas para la calibración. 14 Tabla 2-2.Área de influencia de los pluviómetros P18, E44,E45 en la cuenca del río Frailes. 19 Tabla 3-1. Parámetros de selección de las condiciones antecedentes de humedad. 23 Tabla 3-2. Precipitación registrada los cinco días previos a la tormenta en los pluviómetros (P18, E44, E45). 23 Tabla 5-1.Comparación de caudales y volúmenes CN(II) y CN(III) en el aforo A58. 45 Tabla 5-2. Comparación de caudales y volúmenes CN(II) y CN(III) en el aforo A70. 46 Tabla 5-3. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial para el aforo A58. 47 Tabla 5-4. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial para el aforo A70. 48 Tabla 5-5. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning para el aforo A58. 49 Tabla 5-6. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning para el aforo A70. 50 Tabla 5-7. Comparación de caudales y volúmenes asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A58. 52 Tabla 5-8. Comparación de caudales y volúmenes asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A70. 53 Tabla 5-9. Comparación de caudales y volúmenes asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E45, y el observado en el aforo A58. 54 Tabla 5-10. Comparación de caudales y volúmenes asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E45, y el observado en el aforo A70. 55 Tabla 5-11.Resumen de las simulaciones. 56 Tabla 6-1.Precipitación diaria máxima utilizada para la comparación de métodos. 59 Tabla 6-2. Variables para el cálculo del tiempo de concentración 60 Tabla 6-3. Hietograma de proyecto 62 xvii Índice de figuras Figura 1.1-Esquema de calibración de un modelo hidráulico. Adaptado de [4]. 3 Figura 1.2- Localización del área de estudio: comunidades autónomas, provincias y términos municipales afectados. 4 Figura 1.3- Localización en detalle del área de estudio en los términos municipales afectados. 4 Figura 1.4- Localización en detalle del área de estudio. 5 Figura 1.5-Ámbito orográfico de la zona de estudio (Fuente: MDT02 del Centro Nacional de información Geográfica). 5 Figura 1.6-Demarcaciones hidrográficas presentes en el territorio español. 6 Figura 1.7-Localización del área de estudio respecto a la Demarcación Hidrográfica del Guadalquivir. 6 Figura 1.8-Cuadrícula Mapa Topográfico Nacional de España MTN50. 7 Figura 1.9-Hojas MDT02 importadas en el software e identificación de los aforos A58 y A70, así como de la cuenca de estudio. 8 Figura 1.10- MDSnE2,5 importada en el software y vista en detalle. 9 Figura 1.11-Modelo Digital del Terreno final (MDT02+ MDSnE2,5) e identificación de los aforos A58 y A70. 9 Figura 1.12- Escorrentías y subcuencas obtenidas mediante los softwares específicos. 10 Figura 1.13 Red hídrica y cuenca hidrográfica del río Frailes. 11 Figura 1.14-MDT02 y curvas de nivel en la zona de estudio. 12 Figura 2.1-Aforos identificados en la cuenca de estudio. 13 Figura 2.2- Ubicación de las estaciones seleccionadas. 14 Figura 2.3-Registro de caudales del SAIH Guadalquivir observado en el aforo A58. 15 Figura 2.4- Registro de caudales del SAIH Guadalquivir observado en el aforo A70. 16 Figura 2.5-Hidrograma registrado en el aforo A58 desde el día 24/03/24 hasta el 01/04/24. 16 Figura 2.6-Hidrograma registrado en el aforo A70 desde el día 24/03/24 hasta el 01/04/2024. 17 Figura 2.7-% de precipitación de marzo de 2024 respecto a la media del periodo 1991-2000 (AEMET). 17 Figura 2.8-Precipitaciones recogidas en las estaciones P18, E44, E45 de la tormenta seleccionada. 18 Figura 2.9-Polígonos de Thiessen. 19 Figura 2.10-Hietograma de diseño (Thiessen). 20 Figura 2.11-Contrastes hietogramas e hidrogramas observados en los aforos A58 y A7 20 Figura 3.1-Número de curva de la REDIAM asociado a la cuenca de estudio. 22 Figura 4.1-Proyección geográfica en RAS Mapper Options 25 Figura 4.2-Modelo Digital del Terreno en HEC-RAS. 26 Figura 4.3-Contorno de la simulación hidráulica en HEC-RAS. 27 Figura 4.4-Breaklines del modelo. 28 Figura 4.5-Detalle refinamiento breaklines. 28 Figura 4.6-Panel de modificación de parámetros para el refinamiento de las breaklines. 29 Figura 4.7-Líneas de condición de contorno. 29 Figura 4.8-Detalle línea de condición de contorno aguas abajo del aforo A58. 30 Figura 4.9-Rugosidad SIOSE asociada a la cuenca de estudio. 31 Figura 4.10-Rugosidad SIOSE asociada a la cuenca de estudio en HEC-RAS 32 Figura 4.11-Mapa de número de curva CN(II) en HEC-RAS. 33 Figura 4.12-Condiciones de contorno del modelo. 33 Figura 4.13-Condición de contorno de entrada en HEC-RAS. 34 Figura 4.14-Representación del hietograma de lluvia introducida como condición de contorno en HECRAS. 34 Figura 4.15-Condición de contorno en el aforo A58. 35 Figura 4.16-Condición de contorno aplicada en el perímetro de simulación. 35 Figura 4.17-Ventana general Unsteady Flow Analysis. 36 Figura 4.18-Pestaña de opciones de cálculo y tolerancias para simulación de flujo no permanente. 37 Figura 4.19-Pestaña para la configuración del tiempo de cálculo en simulación de flujo no permanente. 38 Figura 5.1-Hidrogramas observados en los aforos y hietograma de diseño para la tormenta. 39 Figura 5.2-Detalle del MDT en la zona del puente, una vez realizada la modificación del terreno mediante la herramienta Channel. 41 Figura 5.3-Hidrogramas obtenidos de las simulaciones en HEC-RAS con y sin modificación del terreno para la tormenta ocurrida del 6 al 10 de enero de 2021. 42 Figura 5.4-Hidrogramas de simulaciones en HEC-RAS con distintas variaciones en el CN(II) para analizar su impacto al modelo. 43 Figura 5.5- Número de curva en condiciones de humedad AMC III. 44 Figura 5.6- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y CN(III) con abstracción inicial de 0,2 y el observado en el aforo A58. 44 Figura 5.7- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y CN(III) con abstracción inicial de 0,2 y el observado en el aforo A70. 45 Figura 5.8-Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial y el observado en el aforo A58. 47 Figura 5.9- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial y el observado en el aforo A70. 48 Figura 5.10- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning y el observado en el aforo A58. 49 Figura 5.11- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning y el observado en el aforo A70. 50 Figura 5.12- Hietograma de diseño contrastada con la precipitación recogida del SAIH en los distintos pluviómetros. 51 Figura 5.13- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A58. 52 Figura 5.14- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A70. 53 Figura 5.15- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E45, y el observado en el aforo A58. 54 Figura 5.16- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E45, y el observado en el aforo A70. 55 xix Figura 5.17- Resumen de los hidrogramas de las simulaciones en el aforo A58. 57 Figura 5.18- Resumen de los hidrogramas de las simulaciones en el aforo A70. 57 Figura 6.1-Mapa Cv y máximas precipitaciones diarias (P). 58 Figura 6.2- Kt (relación Cv y periodo de retorno). 59 Figura 6.3- Mapa del índice de torrencialidad (I1Id) 61 Figura 6.4-Hietograma de proyecto para la precipitación diaria máxima del día 31/03/2024 obtenida como suma de la calculada en los polígonos de Thiessen (28,33 mm). 62 Figura 6.5-Comparación Bloques alternos y Thiessen para condición de humedad AMC III, rugosidad SIOSE, y abstracción inicial 0,4. 63 Figura 6.6-Comparación Bloques alternos y Thiessen para condición de humedad AMC III, rugosidad SIOSE, y abstracción inicial 0,4. 64 Figura 7.1-Hidrogramas resultantes de las precipitaciones obtenidas de las estaciones E44, E45 y polígonos de Thiessen con CN(III) y abstracción inicial de 0,4. 66 Notación AEMET Agencia Estatal de Meteorología AMC Antecedent Moisture Condition BC Boundary Conditions CN Curve Number CNIG Centro Nacional de Información Geográfica ETRS89 REGCAN95 European Terrestrial Reference System, 1989 Red Geodésica de Canarias, 1995 IGN Instituto Geográfico Nacional LIDAR Laser Imaging Detection and Ranging MDSnE Modelo Digital de Superficies de Edificación MDT Modelo Digital del Terreno NRCS Natural Resources Conservation Service PNOA Plan Nacional de Ortofotografía Aérea REDIAM Red de Información Ambiental de Andalucía SAIH. Sistema Automático de Información Hidrográfica SAIH-ROEA Red Integrada de Estaciones de Aforo SCS Soil Conservation Service SIOSE Sistema de Información sobre Ocupación del Suelo de España UTM Universal Transverse Mercator 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación os estudios hidrológicos tienen como objetivo analizar el comportamiento del agua para determinar su conducta a medida que fluye a través del área de investigación. Estos procesos resultan imprescindibles a la hora de proyectar una obra de ingeniería hidráulica. Estos estudios constan inicialmente de dos fases principales. En la primera fase, se recopilan datos sobre la precipitación, la infiltración, los usos del suelo y otros datos relevantes. En la segunda fase, se desarrolla un modelo hidráulico de lluvia distribuida utilizando un software especializado, donde las condiciones de entrada son hidrogramas o hietogramas calculados en la primera fase del estudio. La finalidad principal es tratar de buscar los parámetros hidrológicos que caracterizan a la cuenca de estudio para poder extrapolarlos a otros episodios. Otro objetivo clave es verificar si la metodología aplicada es adecuada para su uso en el análisis de otras cuencas. Un modelo hidráulico bien calibrado es de gran interés ya que se obtiene previsiones del comportamiento de un futuro evento hidrológico extremo. Analizando los resultados obtenidos, se pueden identificar las áreas expuestas a mayores riesgos y, de este modo, reducir la vulnerabilidad de la infraestructura, los edificios y la población frente a un fenómeno tormentoso excepcional. Los modelos hidráulicos constituyen una herramienta fundamental en los organismos que gestionan las cuencas hidrológicas, ya que sus resultados permiten revisar y supervisar los planes hidrológicos establecidos. 1.2 Metodología En este apartado, se describirá de manera sintetizada el procedimiento seguido para realizar la calibración del modelo, utilizando un modelo distribuido en el software HEC-RAS. En primer lugar, se recopilan los datos necesarios para el modelo. Para obtener los datos asociados al terreno (MDT02, tipos y usos del suelo, topografía y geología), se accede al CNIG [1]. Los datos hidrológicos (caudal, precipitación y niveles) se obtienen fundamentalmente de los servicios proporcionados por la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir (SAIH [2]). Esta confederación realiza una labor muy importante al ofrecernos una gran cantidad de datos esenciales para este tipo de estudios. Además, lleva a cabo diversas funciones fundamentales para una buena gestión del agua. Los parámetros asociados al número de curva se consiguen a través de la REDIAM [3]. Los datos asociados al número de curva y la rugosidad del terreno se introducirán posteriormente en HEC-RAS para la calibración. Estos datos se han obtenido de fuentes oficiales, pero se ha observado que no son completamente fiables y presentan ciertos errores de ajuste, lo que puede afectar de manera considerable a los resultados obtenidos. Por ello, es recomendable realizar un análisis detallado de estos datos. L Una vez que se logra una visión en conjunto de la aplicación de la hidrología y la dinámica del planeta es posible la construcción de diseños sociales para lograr objetivos en común que permiten un desarrollo urbano de calidad y al mismo tiempo promover la cultura del agua y seguridad hídrica. -Saraí Velázquez Peña, 2017- Introducción 2 2 Una vez recopilados los datos necesarios, a través de dos softwares específicos se procede a calcular la cuenca hidrográfica del rio Frailes. La metodología utilizada para la determinación de la cuenca se detalla en la sección 1.3.2 del presente documento. Posteriormente, se procede a analizar los caudales y las precipitaciones de las estaciones próximas a la cuenca de estudio para determinar algún evento tormentoso significativo. En el apartado 2.3 del documento se investiga los distintos escenarios pluviométricos para tener en cuenta para la calibración. Para el tratamiento de datos hidrológicos se empleó los softwares Matlab y Excel, dado su utilidad en este proceso. Tras elegir el fenómeno meteorológico extremo que se va a simular, se inicia el análisis de las precipitaciones registradas en los pluviómetros durante ese período. El cálculo del hietograma de la tormenta, el cual se introducirá en el modelo, se realiza mediante el método de los polígonos de Thyssen. Este método se detalla en el apartado 2.4 del documento. El modelo de pérdidas aplicado en el estudio es el SCS Curve Number. Este utiliza el parámetro del número de curva, el cual varía de 0 a 100 según la capacidad del suelo para generar precipitación. En el apartado 3.2 se explica en que consiste y se menciona el parámetro de abstracción inicial, el cual tendrá un papel fundamental en la calibración. Es fundamental para el proyecto determinar las condiciones de humedad inmediatamente antes de que ocurra el evento de lluvia que se desea modelar. Esto se especificará en el apartado 3.3.Tras obtener la información necesaria, se realiza el modelo bidimensional de lluvia distribuida en el software HEC-RAS, detallado en el apartado 4. Este modelo permite entender cómo la precipitación se convierte en escorrentía y cómo esta se distribuye a lo largo de toda la cuenca. Además, se implementará en el modelo el coeficiente de rugosidad obtenido del SIOSE (Sistema de Información sobre Ocupación del Suelo de España), ya que este determina la resistencia del flujo al discurrir sobre el terreno, lo cual influirá también en la calibración del modelo. El objetivo de la calibración de un modelo hidráulico es ajustar una serie de parámetros de la cuenca para que los datos simulados se asemejen a los datos reales observados. Para establecer el nivel de similitud se comparará el hidrograma obtenido por el software HEC-RAS utilizando un modelo distribuido y el hidrograma real obtenido en los dos aforos de estudio. Después de un análisis exhaustivo de las simulaciones, se identifican los parámetros que tienen mayor impacto en los resultados del modelo, los cuales son: el número de curva, la abstracción inicial y el número de Manning. Para conocer el grado de afección de los distintos parámetros a los resultados del modelo se realiza un análisis de sensibilidad, donde se podrá identificar y cuantificar la influencia de cada variable o parámetro en el resultado del modelo. En conclusión, la calibración es un proceso iterativo, en el que se va modificando los parámetros hasta conseguir que los resultados obtenidos se asemejen lo máximo a los valores reales. Una vez que el modelo está calibrado, es necesario validarlo con otros datos de precipitación observada. Esto no se ha realizado en el presente trabajo debido a la imposibilidad de calibrar el modelo. 3 3 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 1.1-Esquema de calibración de un modelo hidráulico. Adaptado de [4]. 1.3 Ámbito de estudio La zona de estudio aborda desde el nacimiento del rio Frailes, también conocido como río Velillos, hasta su paso por el municipio de Pinos Puentes (Granada), donde se localiza el aforo A58 (Pinos Puentes) del SAIH del Guadalquivir. En el curso del río Frailes se encuentran los aforos A68 (Frailes), A70 (Tózar) y A58 (Pinos Puente). De estos, se utilizarán los aforos A70 (Tózar) y A58 (Pinos Puente) para el proyecto. El aforo A58 se ha considerado como punto de desagüe para delimitar la cuenca, dado que se sitúa más aguas abajo y abarca toda la extensión de la cuenca del río. 1.3.1 Caracterización de la zona En este apartado se describen las características principales del área bajo estudio, incidiendo en la localización de la misma, así como en los aspectos orográficos e hidrográficos. 1.3.1.1 Ámbito geográfico El río Frailes, situado en la península ibérica, transcurre por las provincias de Jaén y Granada, comunidad autónoma de Andalucía, en el sur de España. Nace en las proximidades del municipio de Frailes, en la provincia de Jaén, y desemboca en el río Cubillas en Casanueva, una localidad y pedanía española perteneciente al municipio de Pinos Puentes, unos kilómetros antes de desembocar este en el río Genil. En el municipio de Frailes, los ríos La Martina y Sotogrande confluyen, marcando el punto en el que el río adquiere su denominación conocida. Con una longitud aproximadamente de 38 km, el río Frailes atraviesa los municipios de Alcalá la Real, Moclín, Frailes y Pinos Puente. Su afluente principal es el río Mures, además de recibir numerosos arroyos en su curso. Introducción 4 4 Figura 1.2- Localización del área de estudio: comunidades autónomas, provincias y términos municipales afectados. Figura 1.3- Localización en detalle del área de estudio en los términos municipales afectados. 5 5 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 1.4- Localización en detalle del área de estudio. 1.3.1.2 Ámbito orográfico La orografía de la zona de estudio es muy diversa dado el análisis de una cuenca de considerable extensión hacia el norte, predominan terrenos escarpados que alcanzan alturas de hasta 1300 metros sobre el nivel del mar. A medida que nos aproximamos a la desembocadura en el río Cubillas, ya en la vega granadina, las alturas del terreno rondan los 500 metros. La figura 1.5 proporciona una visualización de la orografía en el área de estudio. Figura 1.5-Ámbito orográfico de la zona de estudio (Fuente: MDT02 del Centro Nacional de información Geográfica). Introducción 12 12 Figura 1.14-MDT02 y curvas de nivel en la zona de estudio. 13 2 ANÁLISIS PLUVIOMÉTRICO 2.1. Introducción El estudio hidrológico determina el hietograma de diseño que se produce como consecuencia de un evento tormentoso. Este hietograma será el que se introduzca en HEC-RAS para la calibración del modelo. Tras analizar fenómenos meteorológicos extremos ocurridos en años anteriores, se elegirán varios de ellos que se consideren especialmente relevantes. Además, se recopilarán los registros de precipitaciones de los distintos pluviómetros cercanos a la cuenca de estudio. Estos datos se usarán para crear los hietogramas empleando el método de los polígonos de Thiessen. 2.2 Datos accesibles Se ha considerado datos de precipitaciones y de caudales diarios registrados en las estaciones de control del Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH Guadalquivir). Los datos de precipitación se obtuvieron de tres pluviómetros seleccionados por su proximidad a la cuenca de estudio, aunque solo uno se encuentra dentro de la misma. De estos, dos están ubicados en embalses fuera de la cuenca, proporcionando datos más fiables. A lo largo de la trayectoria del río Frailes, se identifica tres aforos los cuales, enumerados desde el principio hasta el final del rio, son los siguientes: A68, A70, A58. Para la calibración se ha considerado el A70 y A58, el A68 no se ha utilizado debido a que se encuentra en cabecera y tiene poca cuenca vertiente. Figura 2.1-Aforos identificados en la cuenca de estudio. Análisis pluviométrico 14 14 Tabla 2-1.Datos sobre las estaciones seleccionadas para la calibración. Localización ETRS89/UTM zone 30N Mediciones Identificador Municipio Provincia X Y Control Frecuencia de Lectura Variable de Lectura P18 Alcalá la Real Jaén 436088,91 4139371,96 Pluviómetro 1h Precipitación E44 Colomera Granada 439439,43 4125568,41 Pluviómetro 1h Precipitación E45 Atarfe Granada 419114,64 4146409,48 Pluviómetro 1h Precipitación A70 Moclín Granada 431811,72 4123841,78 Aforo 1h Caudal A58 Pinos Puentes Granada 428829,65 4135710,68 Aforo 1h Caudal En la siguiente figura se identifica la localización de las estaciones elegidas para la calibración del modelo y análisis de tormentas. Figura 2.2- Ubicación de las estaciones seleccionadas. Una vez seleccionadas las estaciones, se procede al análisis de la información disponible en el SAIH Guadalquivir para la identificación de las tormentas de estudio. 15 15 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) 2.3. Identificación de tormentas En este apartado se seleccionará los diferentes escenarios pluviométricos extremos que se introducirá en el programa HEC-RAS. Es de gran interés observar los caudales de las estaciones de aforos para identificar en qué fechas se han registrado los mayores caudales, y, por lo tanto, las mayores precipitaciones. En cuanto a los periodos históricos en el que los aforos han estado operativos, resulta importante aclarar algunos conceptos. En relación con las estaciones de aforo, la Red Integrada de Estaciones de Aforo (SAIH-ROEA)[12] depende de las confederaciones del ministerio. La existencia de un aforo es un aspecto, pero que los datos de ese aforo se almacenen en el SAIH Guadalquivir es otro asunto diferente. El aforo A58 se integró en el SAIH Guadalquivir el 11 de diciembre de 2019 y el A70 el 26 de agosto de 2021, pero esto no significa que los datos solo estén disponibles a partir de esas fechas, sino que los datos que hay anteriores se localizan en el SAIHROEA. En esta red, los datos ofrecidos son diarios, lo que dificulta su análisis debido a la falta de datos instantáneos y, por lo tanto, la ausencia de obtener un hidrograma directamente. Para analizar en qué periodo se obtienen los caudales máximos, se utilizarán los datos del SAIH Guadalquivir, ya que proporciona datos horarios y permite obtener hidrogramas de forma sencilla, los cuales se compararán con los obtenidos en el modelo hidráulico realizado con HEC-RAS. A continuación se representa el registro de caudales en los aforos A58 y A70 disponible en el SAIH Guadalquivir. Figura 2.3-Registro de caudales del SAIH Guadalquivir observado en el aforo A58. Durante todo el periodo de medición, como se puede observar en la figura anterior, se han registrado los mayores caudales en los primeros meses de los años 2021 y 2024. Estos años han sido caracterizados por sequías debido a la escasez de precipitaciones, aunque las últimas lluvias caídas en marzo de 2024 han aliviado la grave situación de sequía en España. Un detalle a mencionar es el caudal observado el 9 de septiembre de 2023, que alcanzó los 137 𝑚3/𝑠. Este dato inicialmente generó cierta duda; sin embargo, tras un análisis detallado de las precipitaciones registradas en las estaciones de estudio, se ha confirmado como válido. En la siguiente figura se muestra el registro de caudales en el aforo A70, con el fin de confirmar los períodos de máximas precipitaciones. Análisis pluviométrico 16 16 Figura 2.4- Registro de caudales del SAIH Guadalquivir observado en el aforo A70. En la figura 2.4 se observa que los caudales de los primeros meses del año 2021 no están registrados en el aforo A70 en el SAIH Guadalquivir, por lo que no serían útiles para calibrar completamente el modelo, dado que se requieren datos de caudal de ambos aforos. La tormenta que mejor se adapta a nuestro interés para incluirla en el modelo HEC-RAS es la ocurrida a finales de marzo de 2024, y es llamada Borrasca Nelson. Es importante señalar que el pico registrado el 9 de septiembre de 2023 no se ha considerado para la calibración, ya que, según la consulta con el SAIH del Guadalquivir, no ofrece la precisión y fiabilidad necesarias para este estudio. En cambio, el evento Nelson sí. En las siguientes figuras se aprecia los hidrogramas durante la tormenta en los aforos A58 y A70. Figura 2.5-Hidrograma registrado en el aforo A58 desde el día 24/03/24 hasta el 01/04/24. 17 17 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 2.6-Hidrograma registrado en el aforo A70 desde el día 24/03/24 hasta el 01/04/2024. Cabe destacar que esta borrasca tiene una larga duración, lo cual implicaría un gasto computacional excesivo al introducirla completamente en HEC-RAS. Por ello, se ha decidido incorporar únicamente los días 31 de marzo y 1 de abril, que son los más significativos. Esto afectará a las condiciones de humedad. El caudal máximo alcanzado en el A58 es de 29,743 m³/s y en el A70 es de 15,949 m³/s. Si observamos las figuras 2.4 y 2.5, estos representan los máximos caudales registrados en los aforos en los últimos cuatro años, con excepción del caudal del 9 de septiembre, que, tras la consulta al SAIH, se ha decidido no utilizar para la calibración. Según el balance climático de AEMET [5], el mes de marzo de 2024 se posicionó como el cuarto más lluvioso del siglo actual y el sexto desde 1961. Sin embargo, la distribución de las precipitaciones fue desigual y la temperatura media fue 0,6 ºC superior a la media histórica. En la siguiente figura se muestra el porcentaje de precipitación de marzo de 2024 en comparación con la media del período 1991-2020 según la AEMET. Figura 2.7-% de precipitación de marzo de 2024 respecto a la media del periodo 1991-2000 (AEMET). Análisis pluviométrico 18 18 Según se observa en el mapa de la figura 2.7, en la cuenca de estudio el valor registrado es del 200%. Esto indica que la precipitación en marzo de 2024 fue el doble de la media histórica para ese mes. 2.4. Polígonos de Thiessen Después de elegir la tormenta que se va a simular para la calibración del modelo, se procederá a analizar la precipitación registrada en esa fecha por los pluviómetros influyentes en la zona de estudio. En la figura 2.8 se representan los hietogramas asociados a las estaciones (P18, E44, E45), con la información de la precipitación recogida del SAIH. Cabe destacar, como se ha comentado anteriormente, que el hietograma de diseño introducido en HEC-RAS para simular las lluvias corresponde con los días 31 de marzo y 1 de abril. Figura 2.8-Precipitaciones recogidas en las estaciones P18, E44, E45 de la tormenta seleccionada. En las estaciones seleccionadas no se han registrado errores de lectura durante la borrasca, excepto un error en el P18 y E45, el cual se considera insignificante. Este error ocurre al principio del día 31 a las 02:00 h, cuando aún no ha comenzado a llover, por lo que los valores ausentes se rellenan con 0. Finalmente, se concluye que los pluviómetros elegidos (P18, E44, E45) presentan lecturas de datos fiables y son óptimos para el proyecto. Para determinar la precipitación media de la cuenca se ha utilizado los polígonos de Thiessen. El método para el cálculo de la precipitación areal consiste en la división de la cuenca en una serie de polígonos correspondientes al área de influencia de los puntos de medida. A cada polígono se le asigna una precipitación igual a la correspondiente a su pluviómetro. Para la obtención de las áreas de influencia o polígonos de Thiessen se unen los puntos de medida gráficamente obteniendo una red de triángulos. A continuación se trazan las mediatrices de los lados de dichos triángulos y se prolongan hasta que se corten, obteniendo así un polígono alrededor de cada pluviómetro [6]. A partir de conocer la ubicación de las estaciones, se trazan los polígonos a través del software QGIS utilizando la herramienta de geometría de polígonos de Voronoi. Posteriormente, se recorta con los límites de la cuenca y se calcula el área de influencia en ella mediante la calculadora de campos. Los polígonos resultantes asociado a las estaciones P18, E44 y E45 se representa en la figura 2.9 y el porcentaje de influencia en la cuenca de estudio se muestra en la tabla 2-2. 19 19 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Tabla 2-2.Área de influencia de los pluviómetros P18, E44, E45 en la cuenca del río Frailes. ETRS89/UTM zone 30N Pluviómetros X Y Área de influencia (𝑘𝑚2) % Área P18 436088,91 4139371,96 206,16 57,25 E44 439439,43 4125568,41 117,95 32,75 E45 419114,64 4146409,48 35,98 10 Figura 2.9-Polígonos de Thiessen. Una vez se ha determinado el porcentaje de peso de cada estación, se calcula el coeficiente de ponderación de cada estación, que es el área correspondiente a cada polígono dividida entre el área total de la cuenca. En la figura 2.10 se aprecia el hietograma de la tormenta resultante de la aplicación de los polígonos de Thiessen. Análisis pluviométrico 20 20 Figura 2.10-Hietograma de diseño (Thiessen). Analizando la figura 2.10, se aprecian dos máximos: el primero se presenta el 31 de marzo a las 08:00 h y el segundo, el mismo día, alrededor de las 15:00 h. La forma del hietograma es coherente, ya que el hidrograma representado en las figuras 2.5 y 2.6 presenta la misma configuración. Para el aforo A58, se observa un primer caudal punta el día 31 alrededor de las 18:00 h y otro a las 23:00 h. En el caso del A70, el primer caudal pico se produce a las 12:00 h y el segundo a las 18:00 h. Es relevante destacar que la precipitación máxima del primer pico es mayor que la del segundo; sin embargo, los caudales del primer pico son menores que los del segundo. Esto puede deberse a que, aunque hubo precipitaciones en los días previos, el terreno estaba extremadamente seco al inicio de la tormenta de estudio, lo que permitió que toda el agua caída se infiltrara en el terreno hasta que este se saturó. A partir de ese momento, comenzó a generarse escorrentía, lo cual influyó en el segundo pico, aumentando el caudal. Figura 2.11-Contrastes hietogramas e hidrogramas observados en los aforos A58 y A7 21 3 MODELO DE PÉRDIDAS 3.1 Introducción En este apartado se explicará el modelo de pérdidas aplicado en el estudio. El método utilizado es el SCS Curve Number .Como se ha comentado anteriormente, el número de curva inicial, el cual sirve como base para calibrar el modelo, se ha obtenido de la REDIAM con el fin de valorar el grado de confianza de estos datos publicados oficialmente y ver la incertidumbre entre los resultados de la simulación y los medidos por instrumentos reales. Este número de curva también se puede calcular a partir Norma 5.2-IC: Drenaje superficial de la Instrucción Carreteras [7]. 3.2 Método del SCS El número de curva que se ha introducido en el modelo para la primera simulación es el obtenido por la REDIAM. Se trata del grid del número de curva en condición antecedente de humedad II para el cálculo de la escorrentía por el método propuesto por el SCS. Ha sido realizado a partir del Mapa de suelos de Andalucía a escala 1:400.000, y del Mapa de usos y coberturas vegetales del suelo de Andalucía a escala 1:25.000 de año 2007. [3] El método del número de curva es una técnica desarrollada por el SCS (Soil Conservation Service del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos), actualmente conocido como NRCS (Natural Resources Conservation Service), cuyo objetivo es determinar las abstracciones de precipitación para posteriormente calcular la escorrentía generada por un evento de lluvia en una cuenca. El método del SCS se basa en la capacidad de infiltración del terreno y la conservación de la masa, que se rige por la siguiente ecuación: 𝑃=𝑃𝑒+𝐼𝑎+𝐹𝑎 En donde P es la precipitación total, 𝑃𝑒 es la precipitación que se convierte en escorrentía directa, 𝐼𝑎 es la abstracción de lluvia inicial y 𝐹𝑎 es la cantidad de agua retenida en el suelo una vez iniciado el proceso de escorrentía superficial. Es difícil determinar qué cantidad de agua produce flujo superficial y que cantidad de agua se infiltra por lo que el método del SCS propone el siguiente estado de proporcionalidad: 𝐹𝑎 𝑆=𝑃𝑒 𝑃−𝐼𝑎=𝐴𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 𝐴𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 =𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 Combinando las dos ecuaciones, se obtiene la siguiente relación: 𝑃𝑒=(𝑃−𝐼𝑎)2 𝑃−𝐼𝑎+𝑆 El método supone que la abstracción inicial (𝐼𝑎) es aproximadamente del 20% de la abstracción total (S). 𝐼𝑎=0.2∙𝑆 Finalmente, la solución consiste en encontrar un valor de S, en milímetros de agua. Esto resulta complejo, por lo que la SCS decidió convertirlo en un porcentaje de la capacidad de infiltración, creando así unas ecuaciones con una nueva variable denominada número de curva (CN). Esta nueva variable varía de 0 a 100 según la capacidad de generar escorrentía; un valor de 100 indica que toda la lluvia se convierte en escorrentía, mientras que un valor de 0 significa que toda la lluvia se infiltra. Por lo tanto el CN se relaciona con la abstracción total (S) de la siguiente manera: Modelo hidráulico 28 28 Figura 4.4-Breaklines del modelo. Figura 4.5-Detalle refinamiento breaklines. 29 29 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 4.6-Panel de modificación de parámetros para el refinamiento de las breaklines. 4.3.4.3 Líneas de condición de contorno Finalmente, para terminar la geometría, se trazan las líneas a las que posteriormente se les asociará una condición de contorno accediendo al apartado BC Lines. En el modelo se ha empleado dos líneas de condición de contorno: una que rodea a la malla y otra justamente aguas abajo del aforo A58. Figura 4.7-Líneas de condición de contorno. Modelo hidráulico 30 30 Figura 4.8-Detalle línea de condición de contorno aguas abajo del aforo A58. 4.3.5 Asignación de parámetros 4.3.5.1 Rugosidad del terreno El coeficiente de Manning se utiliza para caracterizar la rugosidad del terreno. Este coeficiente es un valor empírico que representa la resistencia al movimiento del agua en cauces, tanto naturales como artificiales. Es muy variable, ya que depende de diversos factores como la vegetación, el terreno y las condiciones de los cauces, entre otros. Los modelos hidráulicos nos ofrecen resultados fiables, proporcionando un grado de seguridad al tomar decisiones sobre la ordenación del territorio alrededor de los ríos. En estos modelos es importante calibrar este coeficiente debido a que no existe ningún método exacto para la elección. Para definir la rugosidad del terreno, se ha utilizado los proporcionados por el Sistema de Información de Ocupación del Suelo de España (SIOSE), desarrollado por el Instituto Geográfico Nacional (IGN). Esto ha permitido obtener la cobertura de usos del suelo dentro del área de cálculo. Los valores de los coeficientes de rugosidad de Manning aplicados se han obtenido de la tabla expuesta en el anejo V de la Guía metodológica para el desarrollo del Sistema Nacional de Cartografía de Zonas Inundables del Ministerio de Medio Ambiente, Medio Rural y Marino. Es importante destacar que se ha realizado una modificación en la capa. Se ha ajustado el coeficiente de Manning para los usos del suelo relacionados con zonas urbanizadas e industrializadas, pasando de 0,1 a 0,015. Este cambio se efectuó con el propósito de obtener un coeficiente de rugosidad más realista para estas áreas, ya que un valor de 0,1 puede representar un terreno excesivamente rugoso y poco realista. 31 31 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 4.9-Rugosidad SIOSE asociada a la cuenca de estudio. Modelo hidráulico 32 32 En la figura 4.10 se observa la rugosidad del terreno introducida en HEC-RAS para la cuenca de estudio. Figura 4.10-Rugosidad SIOSE asociada a la cuenca de estudio en HEC-RAS 4.3.5.2 Número de curva Para valorar el comportamiento hidrológico y estimar la escorrentía directa que se produce en una cuenca hidrológica durante un evento de precipitación, se utiliza el número de curva. La primera capa de números de curvas que se introduce en el modelo es la ofrecida por la REDIAM, la cual servirá de base para la calibración. La REDIAM nos proporciona una capa tipo Ráster en condiciones normales de humedad, la cual debe ser convertida a capa vectorial y luego introducida en HEC-RAS mediante la pestaña Map layers en la ventana de RAS Mapper. En la figura 4.11 se observa el número de curva CN(II) introducido en HEC-RAS para la cuenca de estudio. 33 33 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 4.11-Mapa de número de curva CN(II) en HEC-RAS. 4.3.6 Definición de las condiciones de contorno A continuación se van a definir las condiciones de contorno empleadas en el modelo, las cuales determinan el comportamiento del flujo en los límites de la cuenca. Para ello es necesario definir las áreas de entrada y salida del flujo en el modelo. Se van a definir tres condiciones, dos de tipo “Normal Depth” y una de tipo “Precipitation”. Para ello, es necesario acceder al interfaz general y seleccionar la pestaña de Unsteady Flow Data. Figura 4.12-Condiciones de contorno del modelo. Modelo hidráulico 34 34 4.3.6.1 Condición de contorno de entrada La condición de contorno de entrada al modelo se establece a partir del hidrograma obtenido mediante los polígonos de Thiessen asociados a las diferentes estaciones de influencia en la cuenca (P18, E44, E45), con el objetivo de simular la precipitación en la cuenca de estudio. Figura 4.13-Condición de contorno de entrada en HEC-RAS. Figura 4.14-Representación del hietograma de lluvia introducida como condición de contorno en HEC-RAS. 35 35 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) 4.3.6.2 Condición de contorno de salida. Las condiciones de contorno de salida se definen como “Normal Depth”, las cuales son adecuadas para situaciones en las que el flujo se aproxima al régimen uniforme, y únicamente será necesario especificar la pendiente del tramo. La primera condición de contorno se aplica en el aforo A58, donde se introduce la pendiente del cauce (0,01m/m). La segunda condición de contorno es la que rodea la malla y tiene como objetivo simular toda el agua que cae en la cuenca, evitando su pérdida. Figura 4.15-Condición de contorno en el aforo A58. Figura 4.16-Condición de contorno aplicada en el perímetro de simulación. 4.3.7 Elaboración del plan y opciones de simulación Tras la finalización de la geometría, la asignación de parámetros y la definición de las condiciones de contorno, se inicia el proceso de elaboración del plan. En primer lugar, se debe seleccionar el tipo de flujo que se simulará. En este caso, se trata de un flujo no permanente, para lo cual se accederá a la pestaña de Unsteady Flow Data ubicada en el menú principal. Este tipo de flujo implica cambios en las condiciones hidráulicas a lo largo del tiempo y es comúnmente utilizado para simular eventos extremos de lluvia e inundaciones. Una vez seleccionada la interfaz asociada al flujo no permanente, aparece una ventana desde la cual podemos crear un plan, elegir la geometría a procesar y seleccionar el hietograma que se utilizará en la simulación. Seguidamente, se establece el período de simulación durante el cual se simulará el flujo, correspondiente a la tormenta del 31 de marzo de 2024, que tuvo una duración aproximada de un día. Posteriormente, se define una serie de parámetros que en el programa vienen definidos por defecto, los cuales se deben modificar para obtener la mayor precisión posible con el menor gasto computacional. El primer parámetro a definir es el tiempo computacional, que nos indica el intervalo de tiempo en el que el modelo realiza los cálculos, y dicho intervalo es de 1 segundo. Los mapas de resultados son obtenidos cada 1 hora. Modelo hidráulico 36 36 Figura 4.17-Ventana general Unsteady Flow Analysis. En el apartado Unsteady Computation Options and Tolerances, aparecen varias pestañas para definir las opciones de cálculo. A continuación, se describen las pestañas y parámetros modificados: 1. 2D Flow options En este módulo se modificarán 3 parámetros. En primer lugar, se seleccionarán las ecuaciones que definirán el comportamiento del flujo, las cuales serán las SWE-ELM (Shallow Water Equations Eulerian- Lagrangian Method). Estas ecuaciones consideran la presión hidrostática, la fricción, la aceleración, la viscosidad, el término de Coriolis y la turbulencia. Sin embargo, en el modelo realizado se omiten los efectos del término de Coriolis y la turbulencia. Estas ecuaciones tienen un enfoque Semi-Lagrangiano para discretizar los términos de aceleración en la ecuación de momento. Si bien este enfoque tiene la ventaja de ser estable para pasos de tiempo grandes, puede crear una difusión numérica excesiva del momento, lo que lleva a resultados inexactos en simulaciones a escala de laboratorio donde es importante la conservación estricta del momento. Por esta razón, se proporciona un solucionador alternativo de SWE Euleriano (EMSWE). Este enfoque alternativo utiliza la discretización conservativa del momento de los términos de aceleración sugerida por Kramer y Stelling (2008). [10] El primer parámetro a modificar es la tolerancia de la superficie del agua (Water Surface Tolerance (m)). Este representa la diferencia máxima de valores aceptable en cuanto a la superficie del agua entre un intervalo de cálculo y otro para considerarlo como válido. La tolerancia establecida es de 0,1 metros. El segundo parámetro es la tolerancia de volumen (Volume Tolerance(m)). Este parámetro representa lo mismo que el anterior pero en relación con el volumen de agua. La tolerancia también es de 0,1 metros, por lo que si el error máximo es mayor que la tolerancia establecida, entonces HEC-RAS iterará para obtener una respuesta mejor. El tercer y último factor ajustable es el número de iteraciones (Maximum iterations), que determina cuántas iteraciones son necesarias para resolver las ecuaciones y garantizar que los resultados tengan un error numérico menor que la tolerancia establecida anteriormente. Se ha establecido un valor predeterminado de 50 iteraciones. 37 37 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 4.18-Pestaña de opciones de cálculo y tolerancias para simulación de flujo no permanente. 2. Advanced Time Step Control En esta pestaña se va a ajustar de manera automática el tamaño de paso de tiempo de cálculo en función del valor de Courant, para ello se hace clic en la opción Adjust Time Step Based on Courant. Este se define como el cociente entre el paso de tiempo, ∆𝑡 , y el tiempo de residencia de un flujo, de velocidad 𝑣 , en un volumen finito o celda, de longitud ∆𝑥 𝐶=𝑢∙∆t ∆x ≤1; 𝑢=(|𝑣+𝑐|) El valor máximo del número de Courant puede ser mayor que 1 y aun así mantener una solución estable. Esto depende del tipo de inundación; es decir, si la onda aumenta y disminuye gradualmente, el modelo puede manejar números de Courant extremadamente altos. Sin embargo, si la onda de inundación cambia muy rápidamente, entonces el número de Courant máximo deberá establecerse más cerca de 1.0. Este caso puede ser útil en casos como la rotura de presas. El máximo número de Courant que admite HEC-RAS es 3.En realidad no es exactamente así, por definición, el número de Courant debe ser inferior a 1, pero HEC-RAS utiliza una submalla no visible al usuario, lo que permite aumentar el número de Courant de manera artificial hasta 3. En el modelo, se ha establecido un número de Courant máximo de 2. El valor mínimo del Courant siempre debe ser inferior a la mitad del valor máximo del Courant, por lo que en el modelo se ha establecido en 0.9. Los otros dos parámetros a especificar están relacionados con el número de iteraciones que HEC-RAS debe realizar antes de ajustar el parámetro de tiempo de simulación. El Maximum number of doubling base time step será de 16 segundos, lo que significa que cuando el número de Courant lo permita, el tiempo de simulación se multiplicará por 4 para acelerar la simulación. Además, el Minimum number of halving base time step será de 0,13 segundos, lo que indica que el tiempo de simulación se reducirá 3 veces. El Number of steps below minimum before doubling indica que se debe realizar una iteración más antes de modificar el tiempo de simulación. Una vez definidos todos los parámetros mencionados anteriormente, se ejecuta el modelo. Calibración del modelo 44 44 Figura 5.5- Número de curva en condiciones de humedad AMC III. En la figura 5.6 se representan los hidrogramas asociados a las condiciones de humedad AMC III y AMC II con abstracción inicial de 0,2 para analizar la comparación. Figura 5.6- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y CN(III) con abstracción inicial de 0,2 y el observado en el aforo A58. 45 45 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Tabla 5-1.Comparación de caudales y volúmenes CN(II) y CN(III) en el aforo A58. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A58 - - - 24.89 29.74 1,35 - CN(II) II 0,2 SIOSE 10,20 - 0,42 146 CN(III) III 0,2 SIOSE 66,89 25,56 2,68 99 Tras analizar la Figura 5.6, se observa que la forma del hidrograma obtenido con el CN(III) se asemeja más al medido en el aforo. En el aforo A70 ocurre lo mismo que en el A58, es decir, se mantiene la misma forma del hidrograma, pero con caudales pico menores. Esto se debe a que los valores del hidrograma aumentan a medida que se avanza aguas abajo en el eje del cauce debido a la contribución de escorrentías procedentes de la parte alta de la cuenca. A continuación se muestra el hidrograma obtenido y observado en el aforo A70 y una tabla comparación de caudales y volúmenes. Figura 5.7- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y CN(III) con abstracción inicial de 0,2 y el observado en el aforo A70. El área asociada al aforo A70 es de aproximadamente 286,20 km², es decir, casi un 80% de la cuenca de estudio. Por lo tanto, el caudal debería ser menor que el obtenido en el A58, pero no significativamente menor, ya que recoge todos los arroyos y escorrentías de la parte superior de la cuenca. Calibración del modelo 46 46 Tabla 5-2. Comparación de caudales y volúmenes CN(II) y CN(III) en el aforo A70. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A70 - - - 9,37 15,94 0,41 - CN(II) II 0,2 SIOSE 7,21 - 0,30 27 CN(III) III 0,2 SIOSE 56,36 19,34 1,96 374 Se aprecia que el hidrograma asociado al CN(II) no alcanza la primera punta, sin embargo, el obtenido con el CN(III) presenta caudales excesivos. A primera vista, los resultados obtenidos sugieren que el número de curva necesario para calibrar el modelo podría ser un valor intermedio entre CN(II) y CN (III). Anteriormente, se concluyó que este parámetro es muy sensible, por lo que una pequeña variación de este produce cambios significantes en el hidrograma. Esto llevo pensar que reducir el número de curva quizás no fuese lo óptimo, por lo que analizo de nuevo los resultados y se obtuvo nuevas conclusiones. Al analizar el hietograma de diseño, se identificó dos registros de precipitación máxima: uno ocurrido el 31/03/24 a las 08:00 (4,77 mm) y otro el mismo día a las 14:00 (3,38 mm). Según la forma del hietograma, se esperaría que el primer pico del hidrograma fuera mayor debido a las mayores precipitaciones, tal como se observa en el hidrograma generado por HEC-RAS. Sin embargo, en el hidrograma obtenido del SAIH, se visualizan dos picos similares, incluso con el primer pico con menores caudales que el segundo. Esto sugiere que la infiltración del terreno puede no estar respondiendo al número de curva esperado, ya que inicialmente el terreno podría tener una alta capacidad de infiltración, saturándose de manera diferente a lo que predice la teoría. Por lo tanto, se concluyó que el parámetro de abstracción inicial podría ser efectivo en la calibración del modelo. Una vez obtenida la forma del hidrograma, se procederá a variar los parámetros para ajustar los picos del hidrograma. 5.3.3 Influencia de la abstracción inicial Conocida la influencia del número de curva y el comportamiento de la cuenca frente a este parámetro, se procede a ajustar los caudales utilizando el parámetro de abstracción inicial. Analizadas las gráficas del apartado anterior, se procede a modificar la abstracción inicial para intentar reducir el primer pico del hidrograma, manteniendo el número de curva CN(III). Para intentar elevar ligeramente el segundo pico del hidrograma (ver Figura 5.6), se debería aumentar un poco el CN(III). Sin embargo, al aumentar el CN(III), el primer pico también aumentaría significativamente debido a la sensibilidad del parámetro. Por lo tanto, se decide mantener el CN(III) y variar únicamente la abstracción inicial. Este parámetro representa la pérdida de precipitación debido a la vegetación, así como el almacenamiento en depresiones del terreno e infiltraciones. Según el método del número de curva, la escorrentía no se forma hasta que la abstracción inicial de la lluvia no ha sido superada. Según el SCS, la abstracción inicial representa el 20% de la capacidad máxima de retención de lluvia de la cuenca. Por lo tanto, al aumentar la abstracción, la escorrentía se retrasará, lo que implica que el suelo deberá infiltrar una mayor cantidad de agua. A continuación se representa la evolución de los hidrogramas tanto en el aforo A70 como en el A58 para estudiar la influencia de este parámetro en el modelo. 47 47 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 5.8-Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial y el observado en el aforo A58. Tabla 5-3. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial para el aforo A58. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A58 - - - 24.89 29.74 1,35 - CN(III) III 0,2 SIOSE 66,89 25,56 2,68 99 ABSRATIO_0,3 III 0,3 SIOSE 47,42 22,72 2,15 60 ABSRATIO_0,4 III 0,4 SIOSE 30,10 20,08 1,62 21 Después de mostrar los resultados obtenidos de las distintas simulaciones modificando la abstracción inicial, se extraen diversas conclusiones. Como era de esperar, al aumentar la abstracción inicial, los caudales punta disminuyen porque el terreno está infiltrando más agua. La primera punta es más sensible a este parámetro, debido a que responde más notablemente que la segunda, que se mantiene aproximadamente igual al reducir las abstracciones. Al modificar este parámetro, no se consigue calibrar completamente el modelo, con una abstracción inicial de 0,4 los caudales pico están calibrados, pero los tiempos de pico no. Esto podría deberse a la forma del hietograma, ya que al observar los hietogramas de las distintas estaciones (Figura 2.8), se identifican dos picos, indicando una mayor intensidad de lluvia en el primero. En las distintas simulaciones, el primer pico es más acusado que el segundo, lo cual es lógico debido a la estructura del hietograma. Sin embargo, esto no refleja la realidad, ya que las mediciones realizadas en los aforos muestran lo contrario. Se ha intentado corregir estas anomalías mediante diversas modificaciones tanto en el número de curva como en las abstracciones, pero hasta el momento no se ha logrado resolver el problema. A priori, si se modifica el coeficiente de Manning, se espera que influya por igual en las dos puntas del hidrograma, es decir, un aumento de la rugosidad debería disminuir el caudal en ambos picos, de todas formas, se realiza una Calibración del modelo 48 48 simulación variando este parámetro para confirmar el comportamiento. El parámetro de la abstracción inicial tampoco parece resolver el problema, por lo que podría considerarse que el método (SCS Curve Number) aplicado no funcione de forma adecuada para la calibración de este tipo de hietogramas que presentan diversos picos. Figura 5.9- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial y el observado en el aforo A70. Tabla 5-4. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) con distintas variaciones del parámetro de abstracción inicial para el aforo A70. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A70 - - - 9,37 15,94 0,41 - CN(III) III 0,2 SIOSE 56,36 19,34 1,96 374 ABSRATIO_0,3 III 0,3 SIOSE 40,94 17,69 1,57 281 ABSRATIO_0,4 III 0,4 SIOSE 26,28 15,74 1,21 194 Como conclusión de las distintas simulaciones variando el parámetro de abstracción inicial, se deduce que este afecta al modelo en términos de reducción del volumen simulado. Sin embargo, en cuanto a la calibración de tiempos picos, se mantiene igual, por lo que el modelo no está calibrado completamente. 49 49 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) 5.3.4 Influencia del número de Manning. Si se disminuye el número de Manning, se espera que el caudal punta aumente de manera similar en ambos picos. Para confirmar este fenómeno, se realiza una simulación disminuyendo el número de Manning en un 20% y utilizando los parámetros asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, ya que estos son los que presentan menos diferencia en cuanto a caudales picos y volumen simulado. Figura 5.10- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning y el observado en el aforo A58. Tabla 5-5. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning para el aforo A58. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A58 - - - 24.89 29.74 1,35 - ABSRATIO_ 0,4 III 0,4 SIOSE 30,10 20,08 1,62 21 ABSRATIO_ 0,4-Manning (-20%) III 0,4 Inferior al SIOSE un 20% 34,89 23,42 1,80 34 Calibración del modelo 50 50 Figura 5.11- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning y el observado en el aforo A70. Tabla 5-6. Comparación de caudales y volúmenes asociados al CN(III) y abstracción inicial de 0,4 con variación del 20% en el parámetro del número de Manning para el aforo A70. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A70 - - - 9,37 15,94 0,41 - ABSRATIO_0,4 III 0,4 SIOSE 26,28 15,74 1,21 194 ABSRATIO_0,4- Manning (-20%) III 0,4 Inferior al SIOSE un 20% 30,98 16,45 1,31 219 Se concluye que los resultados obtenidos son los esperados, se observa un aumento del caudal al disminuir el número de Manning, pero no se produce ningún desplazamiento en el tiempo. Por lo tanto, el modelo sigue sin estar calibrado en cuanto a tiempos picos. 51 51 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) 5.4 Problemas generales de calibración Tras realizar numerosas simulaciones, se detecta diversos problemas en cuanto a la calibración del modelo. En general, se ha conseguido calibrar aproximadamente los caudales punta, pero hay muchísima diferencia en los tiempos picos, lo que a priori sugiere que hay errores en la distribución temporal de las lluvias tras realizar los polígonos de Thiessen. Después de modificar los parámetros hidrológicos de forma considerable para ver su influencia en el modelo, no se consigue calibrar los tiempos de crecida de los hidrogramas, por lo que aparentemente la única forma de calibrarlo es modificando el hietograma. Debido a esto, se decide realizar un análisis de la lluvia para analizar cómo varía el hietograma obtenido tras los polígonos de Thiessen en relación con los hietogramas obtenidos del SAIH (P18, E44, E45). Dado que el objetivo puede ser adelantar las lluvias, se analiza si la realización de los polígonos de Thiessen ha provocado un retraso en las lluvias. Como las lluvias comienzan de manera simultánea en las tres estaciones, se concluye que no es cuestión de adelantar hietogramas. Posteriormente, se realizaron dos simulaciones utilizando datos de lluvia obtenidos directamente de las estaciones E44 y E45 del SAIH utilizando los parámetros asociados a CN(III) y abstracción inicial de 0,4, con el fin de analizar cómo varían los hidrogramas al modificar las precipitaciones. Los problemas identificados durante el periodo de estudio sugieren que el método tradicional aplicado en el modelo (Thiessen) podría no ser preciso para cuencas de cierta envergadura. Figura 5.12- Hietograma de diseño contrastada con la precipitación recogida del SAIH en los distintos pluviómetros. La primera simulación se utiliza el hietograma de la estación E44, ya que presenta intensidades de lluvia antes que las otras estaciones (P18 y E45). Esto permite observar si se adelantan los tiempos y si los caudales punta varían significativamente. Calibración del modelo 52 52 Figura 5.13- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A58. Tabla 5-7. Comparación de caudales y volúmenes asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A58. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A58 - - - 24.89 29.74 1,35 - ABSRATIO_0,4 III 0,4 SIOSE 30,10 20,08 1,62 21 E44 III 0,4 SIOSE 55,48 26,56 2,5 34 53 53 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) Figura 5.14- Hidrogramas calculados en HEC-RAS asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A70. Tabla 5-8. Comparación de caudales y volúmenes asociados a CN(III) y una abstracción inicial de 0,4, utilizando el hietograma obtenido con Thiessen y E44, y el observado en el aforo A70. Simulación CN Abstracción inicial Rugosidad Caudal punta primer pico (𝒎𝟑/s) Caudal punta segundo pico (𝒎𝟑/s) Volumen simulado (h𝒎𝟑 ) Diferencia (%) A70 - - - 9,37 15,94 0,41 - ABSRATIO_0,4 III 0,4 SIOSE 26,28 15,74 1,21 194 E44 III 0,4 SIOSE 51,51 20,12 1,40 341 Se puede observar que los caudales puntas se han modificado considerablemente únicamente por la forma de la lluvia, debido a que los parámetros se han mantenido constante. Es raro debido a que los hietogramas no son tan diferentes y las intensidades no son tan distintas, como para que varié tanto los caudales. Se ha decidido no realizar una nueva simulación con P18, ya que el hietograma es muy similar al obtenido con E44, por lo que los resultados van a ser muy parecidos. Dado que el modelo aún no está completamente calibrado, se ha determinado realizar una nueva simulación con el hietograma real asociado a la estación E45. El objetivo es adelantar los caudales puntas, ya que en el hietograma se localiza una pico el 31/03/24 a las 8:00 h (ver figura 5.12) que muestra el doble de precipitación que las observadas en las otras dos estaciones, lo que puede ayudar a adelantar tiempos. En la siguiente figura se observan los hidrogramas obtenidos en el A58 y A70 introduciendo en el modelo de la precipitación obtenida en la estación E45. Comparación con el método tradicional 60 60 6.3 Hietograma calculado. Para el cálculo del hietograma se han desarrollado numerosos parámetros y diversas consideraciones, que están incluidas en la Norma 5.2-IC. Drenaje Superficial. 6.3.1 Tiempo de concentración Tiempo de concentración 𝑇𝑐 es el tiempo mínimo necesario desde el comienzo del aguacero para que toda la superficie de la cuenca esté aportando escorrentía en el punto de desagüe. Se obtiene calculando el tiempo de recorrido más largo desde cualquier punto de la cuenca hasta el punto de desagüe. [7]. Para determinar su valor se emplea la siguiente fórmula: 𝑇𝑐=0,3∙𝐿0,76∙𝑆𝑜−0,19 Donde, 𝐿 (km) = Longitud del cauce principal 𝑆𝑜 = Pendiente media del cauce 𝑇𝑐 (h) = Tiempo de concentración Tabla 6-2. Variables para el cálculo del tiempo de concentración 𝑳 (km) 𝒁𝒎á𝒙 𝒁𝒎𝒊𝒏 𝑺𝒐 𝑻𝒄(𝒉) 34,30 1870 1106 0,022 9,07 6.3.2 Intensidad de precipitación 6.3.2.1 Consideración general. La intensidad de precipitación 𝐼𝑡,𝑑 ,correspondiente a una duración del aguacero t, se obtendrá mediante la siguiente fórmula: 𝐼𝑡,𝑑=𝐼𝑑∙𝐹𝑎 Donde, 𝐼𝑡,𝑑 (mm/h) es la intensidad de precipitación 𝐼𝑑 (mm/h) es la intensidad media diaria de precipitación Fa (adimensional) es el factor de intensidad 6.3.2.2 Intensidad media diaria de precipitación corregida. 𝐼𝑑=𝑃𝑑∙𝐾𝑎 24 Donde, 𝐼𝑑 (mm/h) es la intensidad media diaria. 𝐾𝑎 corresponde al factor reductor de la precipitación por área de la cuenca. 𝑃𝑑 es la precipitación diaria correspondiente a la suma de la precipitación calculada por los polígonos de Thiessen para el día 31/03/2024. 61 61 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) La intensidad media diaria del estudio realizado es de 0,97 mm/h. 6.3.2.3 Factor reductor de la precipitación por área de la cuenca El factor reductor de la precipitación por área de la cuenca 𝐾𝑎, tiene en cuenta la no simultaneidad de la lluvia en toda su superficie. Se obtiene a partir de la siguiente fórmula. Si A< 1 𝑘𝑚2 𝐾𝑎=1 Si A> 1 𝑘𝑚2 𝐾𝑎=1−𝑙𝑜𝑔10(𝐴) 15 Donde, 𝐾𝑎 corresponde al factor reductor de la precipitación por área de la cuenca. A (𝑘𝑚2) Área de la cuenca El factor reductor debido al área de la cuenca tiene un valor de 0,82 6.3.2.4 Factor de intensidad "El factor de intensidad refleja la torrencialidad de la lluvia en el área de estudio. Este factor tiene un coeficiente de 9 (ver figura 6.3). 𝐹𝑎=(𝐼1 𝐼𝑑)3,5287−2,5287∙𝑡0,1 Donde, Fa (adimensional) es el factor obtenido a partir del índice de torrencialidad (I1/Id). 𝐼1 𝐼𝑑 (adimensional) es el Índice de torrencialidad que expresa la relación entre la intensidad de precipitación horaria y la media diaria corregida. Su valor se determina en función de la zona geográfica t (horas) duración del aguacero. Figura 6.3- Mapa del índice de torrencialidad (𝐼1 𝐼𝑑) Comparación con el método tradicional 62 62 6.3.2.5 Hietograma de proyecto Tabla 6-3. Hietograma de proyecto Tiempo(h) Fa It,d (mm/h) Vol acum (mm) Vol incr (mm) Hietograma Proyecto (mm) 2 6.04 5.91 11.83 11.83 0.60 4 3.94 3.86 15.43 3.60 0.75 6 3.03 2.96 17.77 2.34 0.98 8 2.49 2.44 19.52 1.75 1.39 10 2.14 2.09 20.91 1.39 2.34 12 1.88 1.84 22.06 1.15 11.83 14 1.68 1.65 23.04 0.98 3.60 Figura 6.4-Hietograma de proyecto para la precipitación diaria máxima del día 31/03/2024 obtenida como suma de la calculada en los polígonos de Thiessen (28,33 mm). 63 63 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) 6.4 Comparación de resultados En los estudio típicos de ingeniería, el hietograma introducido en HEC-RAS para un estudio de inundabilidad es calculado mediante la metodología de los bloques alternos, Según el período de retorno requerido, obtendremos una cantidad de lluvia, pero siempre manteniendo una distribución de lluvias en forma de campana. Los hietogramas históricos no presentan la misma distribución. Según los resultados obtenidos tras las simulaciones, se observan muchas diferencias tanto en los caudales como en la forma del hidrograma. En un estudio habitual, los parámetros hidrológicos utilizados provienen de los portales oficiales. En estos estudios, se suele emplear el número de curva en condiciones de humedad AMC II, que en muchos casos no refleja adecuadamente las características del terreno. Por lo tanto, es recomendable realizar un análisis en profundidad de la cuenca en lugar de basarse únicamente en el CN(II). En el estudio realizado, el CN(III) ofrece datos más similares a los observados que el CN(II). En las siguientes figuras se presentan los hidrogramas obtenidos tanto para el hietograma real como para el hietograma calculado mediante la metodología de bloques alternos, considerando las condiciones de humedad AMC III, rugosidad del SIOSE y una abstracción inicial de 0,4. En ellas se puede visualizar la gran diferencia en los caudales y la forma del hidrograma, que se obtiene únicamente al modificar la distribución de la lluvia, manteniendo constante el volumen de precipitación. Figura 6.5-Comparación Bloques alternos y Thiessen para condición de humedad AMC III, rugosidad SIOSE, y abstracción inicial 0,4. Comparación con el método tradicional 64 64 Figura 6.6-Comparación Bloques alternos y Thiessen para condición de humedad AMC III, rugosidad SIOSE, y abstracción inicial 0,4. 65 7 CONCLUSIONES En esta sección del documento, se resumen los aspectos más significativos del proyecto en cuanto a la sensibilidad de los parámetros utilizados en la calibración del modelo. También se abordan los problemas y errores identificados durante el estudio, junto con recomendaciones para futuras calibraciones en cuencas de esta envergadura. 7.1 Influencia de parámetros hidráulicos e hidrológicos En el apartado 5.3 se ha realizado un análisis detallado de los resultados obtenidos en cada simulación, por lo que en este apartado se va a realizar un resumen preciso de los aspectos más significantes. En las simulaciones de prueba, se evidenció la importancia del MDT. En las simulaciones realizadas con el MDT sin modificar, se observaron desbordamientos y encharcamientos a lo largo del cauce del río. Esto llevó a la conclusión de que las infraestructuras a lo largo del cauce tienen un impacto significativo en el modelo. Como resultado, los perfiles transversales realizados en HEC-RAS, que miden el hidrograma del A58, podrían mostrar valores erróneos. Por lo tanto, se realizaron modificaciones en el terreno para reducir las discrepancias en los resultados de las futuras simulaciones. Después de realizar las modificaciones en el MDT y seleccionar la tormenta de calibración, se comenzaron a ejecutar simulaciones que permiten extraer conclusiones a partir de los resultados obtenidos tras la variación de parámetros. Tras las diversas simulaciones realizadas, se observa que el parámetro del número de curva tiene una influencia significativa tanto en el volumen como en la forma del hidrograma. Este ha sido el parámetro más influyente en el modelo. En la calibración del modelo se han utilizado dos números de curva: uno asociado a las condiciones de humedad AMC III obtenido de la REDIAM y otro también asociado a las condiciones de humedad AMC III. En las figuras 5.6 y 5.7 se puede visualizar la importante diferencia en caudal, volumen y forma de los hidrogramas obtenidos para los dos tipos de número de curva. Se aprecia que a medida que se aumenta el número de curva, se reduce el umbral de escorrentía, es decir, la cantidad de precipitación a partir de la cual el terreno no puede filtrar más agua disminuye. Como resultado, el agua discurre por la superficie en mayor proporción, lo que aumenta los caudales y tiempos punta y modifica la forma del hidrograma. Se evidencia una notable diferencia en el volumen y el tiempo punta del hidrograma obtenido con las condiciones de humedad AMC III en comparación con el registrado en el aforo. Sin embargo , la forma del hidrograma con las condiciones de humedad AMC III es más similar a la observada en el aforo que la forma obtenida con las condiciones de humedad AMC II, la cual muestra una discrepancia muy considerable. Se debe resaltar este aspecto porque, en los estudios de ingeniería, se establece por defecto el CN(II), dado que proporciona un valor medio. No obstante, tal y como se ha observado en los resultados de este proyecto, el CN(II) a menudo no es el parámetro más adecuado para cuencas susceptibles de tener el terreno saturado. Por lo tanto, no se debe desestimar de forma tan rápida el CN(III), ya que las diferencias son muy significativas y esto puede provocar errores importantes al determinar las áreas susceptibles a inundaciones y al establecer alertas para las poblaciones afectadas por este fenómeno. Dado que los caudales obtenidos resultaban ser muy elevados y el parámetro del número de curva tenía una influencia significativa, se decidió reducir los caudales utilizando el parámetro de abstracción inicial. Se realizaron diversas simulaciones manteniendo el CN(III) y variando el parámetro de abstracción inicial hasta en 3 ocasiones, 0,2, 0,3 y 0,4, con el fin de evaluar su influencia e intentar calibrar el modelo. Este parámetro representa la precipitación inicial que no produce escorrentía directa, y viene determinado por un porcentaje (20%, 30%, 40 %) aplicado a la capacidad máxima de retención de lluvia de la cuenca. Al aumentar la abstracción inicial, la escorrentía se retrasará, lo que implica que el suelo debe infiltrar una mayor cantidad de agua. Gracias a las variaciones de este parámetro, se ha conseguido reducir los caudales pico, pero debido al retraso en la escorrentía, los tiempos punta aumentan, lo cual no era el objetivo deseado. Esto se puede apreciar gráficamente en las figuras 5.8 y 5.9. Tras diversas simulaciones no se consiguió una aproximación satisfactoria, por lo que se comenzó a pensar en las posibles consecuencias que podía tener la forma del hietograma. En las figuras 5.10 y 5.11 se observa que el número de Manning no produce cambios significantes en el Conclusiones 66 66 hidrograma. Incluso al aumentar este valor un 20%, lo cual es considerable, se aprecia leves disminuciones y retrasos en los hidrogramas, manteniendo en todo momento su forma. Se concluye que este parámetro no es fundamental para calibrar el modelo, sino que se utiliza para afinar resultados. Por lo tanto, en futuras simulaciones, será útil aplicarlo al final para realizar ajustes detallados. 7.2 Incertidumbres en el proceso de calibración En este apartado se describen las distintas imprecisiones detectadas durante la calibración del modelo y se evalúan las posibles causas que impidieron una calibración satisfactoria del modelo. Cabe destacar que el modelo no sirve para reproducir otras situaciones, ya que no está calibrado. Sin embargo, la profundidad del análisis realizado es útil, ya que ha permitido obtener nuevas recomendaciones para futuros modelos y ha indicado aspectos a mejorar en cuanto a las calibraciones. Tras realizar diversas simulaciones, aunque no se ha logrado calibrar el modelo completamente, se han obtenido conclusiones significativas que serán fundamentales para calibraciones futuras. Se concluye también que la forma del hietograma ejerce una influencia muy considerable en el modelo. En los estudios típicos de ingeniería se considera que el método de los polígonos de Thiessen representa adecuadamente la realidad, lo cual no es realmente así. En este proyecto, debido a la imposibilidad de calibrar el modelo tras la variación de los parámetros comentados anteriormente, se realizó nuevas simulaciones con hietogramas obtenidos de las estaciones directamente. El objetivo era compararlos con los hietogramas observados y evaluar si representaban de manera más precisa la realidad. Tras simular la precipitación caída en las estaciones E44 y E45 y compararla con la simulación aplicando el método de Thiessen, se apreció la gran influencia que tiene la forma del hietograma en los resultados. Para la comparación de resultados, se ha mantenido los mismos parámetros: CN(III) y abstracción inicial de 0,4 ya que son los que se aproximan más a los valores observados. En la siguiente figura se muestra los hidrogramas obtenidos con sus hietogramas correspondientes. Figura 7.1-Hidrogramas resultantes de las precipitaciones obtenidas de las estaciones E44, E45 y polígonos de Thiessen con CN(III) y abstracción inicial de 0,4. En la anterior figura se puede observar que, a pesar de utilizar hietogramas similares, los hidrogramas resultantes muestran diferencias significativas en cuanto a los caudales punta y volumen simulado, aunque manteniendo la 67 67 Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada) forma. Esto resalta la gran influencia que tiene la forma del hietograma en estos modelos hidráulicos. Como conclusión de estas simulaciones, se destaca que la decisión sobre cómo se representa la lluvia es muy importante. Se recomienda analizar las distintas precipitaciones en cada estación de forma individual además de utilizar los polígonos de Thiessen en futuras simulaciones. La enorme influencia de la forma del hietograma también se puede observar en la simulación obtenida para los bloques alternos, donde se nota una diferencia abismal en comparación con las simulaciones reales. El hietograma de los bloques alternos se ha generado manteniendo el mismo volumen de agua que el hietograma de Thiessen, pero con una forma modificada, lo cual influye considerablemente. Esto se puede observar en las figuras 6.5 y 6.6 del apartado 6.4, donde se ha representado los hidrogramas asociados a CN(III) y abstracción inicial de 0,4, correspondiente a los hietogramas de Thiessen y bloques alternos. Es relevante mencionar que en los estudios de ingeniería se aplica directamente el método de los bloques alternos y se analiza muy poco los hietogramas existentes en la realidad. Como resultado del fuerte impacto que tiene a forma del hietograma, es recomendable analizar tormentas reales y comparar resultados. Esto aumentará la fiabilidad del modelo y de los resultados. 7.3 Recomendaciones para futuras calibraciones Tras exponer los diferentes problemas encontrados durante el proceso de calibración del modelo hidráulico de lluvia distribuida, se presenta algunas recomendaciones útiles para futuras calibraciones. 1. Primeramente, la ventaja del modelo desarrollado es que se trata de un modelo distribuido, en el cual no es necesario considerar los tiempos de propagación en el cauce, los cuales deben estimarse en un modelo HMS. Al realizar un modelo de HMS, es necesario introducir el hietograma, CN de forma menos detallada que en el modelo distribuido de HEC-RAS y los tiempos de tránsito del agua en los cauces para cada subcuencas, lo que requiere estimar más parámetros. Aunque esto puede representar una desventaja, debido a que el tiempo de cálculo es mayor, se recomienda comenzar con un modelo HMS para ajustar los parámetros iniciales y, una vez afinados, realizar simulaciones más precisas utilizando modelos distribuidos. 2. En este tipo de estudios, con cuencas de cierta envergadura, las simulaciones con caudales pequeños son difíciles de analizar. Para un análisis más preciso, es necesario tener datos de episodios con caudales mayores, ya que los parámetros hidrológicos, como la abstracción inicial y las pérdidas, tienen una influencia significativa. Un ejemplo de por qué no se recomienda usar caudales pequeños es que, en presencia de obstáculos en el cauce, estos caudales reducidos pueden estar muy afectados y puede resultar difíciles de gestionar. En cambio, con caudales mayores, la calibración sería más sencilla. 3. Consideración de las condiciones antecedentes de humedad. Los resultados del estudio indican que es necesario evaluar las distintas condiciones antecedentes de humedad, debido a que el CN(II) no siempre es el parámetro más adecuado. En cambio, el CN(III) no debe ser descartado, ya que puede ser más relevante en ciertas situaciones. 4. Analizar tormentas reales, no limitarse únicamente al hietograma de bloques alternos. 68 8 REFERENCIAS [1] Centro Nacional de Información Geográfica. (s.f.). Centro de Descargas. https://centrodedescargas.cnig.es/CentroDescargas/index.jsp [2] Confederación Hidrográfica del Guadalquivir. (s.f.). SAIH - Sistema Automático de Información Hidrológica. https://www.chguadalquivir.es/saih/. [3] Junta de Andalucía.(s.f).Geoportal: Raster en formato COG. https://www.juntadeandalucia.es/medioambiente/portal/acceso-rediam/geoportal/raster-formato-cog [4] López Romero, S. (2023). Calibración de un modelo hidráulico de lluvia distribuida en una cuenca: procedimiento y sensibilidad de parámetros. Aplicación al caso del río Frailes (Granada). TFG Grado Ingeniería Civil. ETSI Universidad de Sevilla. [5]Agencia Estatal de Meteorología. (2024, abril). Balance climático marzo 2024. https://www.aemet.es/es/noticias/2024/04/balance-climatico-marzo-2024 [6] Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico. (s.f.). Guía metodológica para el desarrollo del sistema nacional de cartografía de zonas inundables. https://www.miteco.gob.es/content/dam/miteco/es/agua/publicaciones/guia_snczi_baja_optimizada_tcm30- 422920.pdf [7] Ministerio de Transportes y Movilidad Sostenible. (s.f.). Norma 5.2-IC. Drenaje Superficial (versión consolidada). https://www.transportes.gob.es/carreteras/normativa-tecnica/07-drenaje. [8] Orduña, L. M. (2021). Hidrología. Paraninfo. [9] Ibáñez Asensio, S., Moreno Ramón, H., & Gisbert Blanquer, J. M. (s.f.). Valores del nº de curva (cálculo de la escorrentía). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica y Medio Natural (UPV). https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/10783/Valores%20del%20n%C2%BA%20de%20curva.pdf [10]U.S. Army Corps of Engineers. (s.f.). HEC-RAS River Analysis System. https://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/documentation/HEC-RAS%20User%27s%20Manual- v6.4.1.pdf [11] Ministerio de Transportes y Movilidad Sostenible., Dirección General de Carreteras. (s.f.). Máximas lluvias diarias en la España Peninsular. https://www.transportes.gob.es/recursos_mfom/0610300.pdf [12] Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico. (s.f.). Redes de seguimiento del estado e información hidrológica. https://sig.mapama.gob.es/redes-seguimiento/