Hidrología Fómeque .pdf

FORMULACIÓN PLAN MAESTRO DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO DEL MUNICIPIO DE FÓMEQUE Y EL CENTRO POBLADO LA UNIÓN. Contrato: EPC-PDA-C-380-2017

PRODUCTO No 01 INFORME DE DIAGNÓSTICO Y ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS TOMO I - DIAGNOSTICO

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1. HIDROGRAFÍA Fómeque es un municipio que se caracteriza por sus abundantes recursos hídricos, dentro de su territorio se encuentra el parque nacional natural Chingaza, y allí se ubican cuerpos lagunares de origen glaciar, como: Chingaza, El Medio, San Jose, La Esfondada, Amical, etc. También se encuentra el embalse de Chingaza o Chuza que almacena aproximadamente 220 millones de metros cúbicos, y provee agua al 80.00% de la ciudad de Bogotá. El casco urbano del municipio pertenece a la cuenca del río Negro; este último, se encuentra ubicado al norte y al occidente del casco urbano, de donde discurren quebradas pequeñas que descargan al río, sin embargo ninguna de estas atraviesa el casco urbano. El municipio se abastece de dos bocatomas Mortiñal y Paval, las cuales se alimentan del río Negro y la quebrada Negra respectivamente. A continuación se incluye la hidrografía del casco urbano.

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. Figura 1-1 Mapa de hidrografía del municipio de Fómeque. Fuente: Cartografía Igac.

HIDROLOGÍA 1.1.1.1.

Metodología

Se seleccionaron las estaciones disponibles del IDEAM que se encontraban cerca del municipio; se ubicaron y seleccionaron las más representativas para dicha zona. Se determinaron las curvas de Intensidad – Duración – Frecuencias (Curvas IDF) con base en las áreas, utilizando el método de Vargas M. R., Díaz - Granados D. M, luego se determinó el aguacero de diseño de acuerdo con las curvas IDF para diferentes periodos de retorno. La estimación de los caudales de aguas lluvias para el diseño de colectores y canales se realiza mediante el modelo lluvia- escorrentía; se utiliza el método racional, siempre y cuando el área de drenaje sea inferior a 80 Ha como lo dicta la resolución 0330 de 2017.

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1.1.1.2.

Selección de estaciones

Para la caracterización climática de la zona a nivel local, se utilizaron las estaciones que se presentan en la siguiente tabla, operadas por el Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM. Tabla 1-1. Estaciones hidrometeorológicas. CODIGO

ESTACION

35020280

CHOACHI

CORRIENTE CT

FECHAINST

ENTIDAD- ELEVAC LG LM LA.SS D LG LM LO.SS D OPERA

NOMBRE DEL MUNICIPIO

NEGRO

PM 15/11/1981

IDEAM

1950

4

31

22.5

N 73

55

35.7

W

CHOACHI

35020290

FOMEQUE

NEGRO

PM 15/11/1981

IDEAM

1900

4

29

11.5

N 73

53

25.5

W

FOMEQUE

35025050

LLANO LARGO

QDA IDAZA

CO 15/04/1986

IDEAM

2980

4

28

58.2

N 74

1

49

W

UBAQUE

35025060

BOLSA LA

NEGRO

CO 15/05/1987

IDEAM

3195

4

34

31.5

N 73

58

53.1

W

CHOACHI

35030080

CASAS LAS

CAQUEZA

PG 15/05/1986

IDEAM

2100

4

26

28.2

N 73

56

11

W

CAQUEZA

Fuente: Información Ideam 2018

Para el análisis de precipitaciones se utilizó la estación PM Fómeque, y para el análisis climatológico se utiliza la estación CO La Bolsa, por ser la más cercana y pertenecer a la misma cuenca hidrográfica del casco urbano y del corregimiento de La Unión.

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Figura 1-2. Ubicación de estaciones hidrometeorológicas. (Tomada de google earth).

1.1.1.3.

Análisis estadístico

Para la estación PM Fómeque, se realizó el cálculo de las principales variables estadísticas, correspondientes al valor medio, desviación estándar, varianza, y coeficiente de asimetría, datos que permiten establecer las funciones de ajuste más apropiadas para la predicción de las variables de interés a diferentes periodos de retorno.

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Tabla 1-2. Valores máximos mensuales de precipitación en 24 horas, (Tomada de información Ideam). Estación PM Fómeque Valores máximos mensuales de Precipitación en 24 horas Año mm 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 No Datos Media Desv Estandar Coef Asimet

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28 37.5 39.2 40 45 45 50 60 35 20 35.1 29.6 31.6 28.7 31.4 39.5 18.5 19 43.8 21.4 28.5 18 40.8 17.9 28 29 50 34.3 38.3 29.6 48.5 37.1 27.9 33 34.13 10.45 0.31

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Fuente: Información Ideam.

1.1.1.4.

Periodos de Retorno

El periodo de retorno se define como el tiempo promedio en el que un evento determinado se repite, en el caso dado, se refiere al tiempo en el que se igualan o superan eventos máximos de caudales. El periodo de retorno se calcula atendiendo a la probabilidad de que el evento suceda, expresado como: 𝑇=

1 1 = 𝑃(𝑥 ≥ 𝑥𝑖 ) 1 − 𝑃(𝑥 ≤ 𝑥𝑖 )

Donde: T, es el periodo de retorno (años) P, es la probabilidad X, es el evento máximo. Dicho esto, se puede establecer la probabilidad de ocurrencia de un determinado evento de máximos atendiendo al periodo de retorno requerido por la obra. La resolución 0330 de 2017 (artículo 135), define los siguientes periodos de retorno para los cálculos de caudales máximos instantáneos. Tabla 1-3 Periodos de retorno, sistemas de aguas lluvia.

Características del área de drenaje Tramos iniciales en zonas residenciales con áreas tributarias menores de 2 hectáreas Tramos iniciales en zonas comerciales e industriales con áreas tributarias menores de 2 hectáreas Tramos de alcantarillado con áreas tributarias entre 2 y 10 hectáreas Tramos de alcantarillado con áreas tributarias mayores de 10 hectáreas Canales abiertos que drenan áreas menores a 1000 hectáreas Canales abiertos en zonas planas y que drenan áreas mayores a 1000 hectáreas Canales abiertos en zonas montañosas (alta velocidad) o a media ladera, que drenan áreas mayores a 1000 hectáreas

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Periodo de retorno (años) 3 5 5 10 50 100 100

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Fuente: Articulo 135 Resolución 0330.

1.1.1.5.

Curvas IDF

Es importante, además de cuantificar la lluvia que cae registrada en pluviómetros, poder predecir cuánto podrá caer en un futuro y cuál puede ser la máxima precipitación, con el fin de analizar los caudales de agua que producen las cuencas en eventos extremos. Sin embargo, un evento de lluvia es un evento aleatorio y para estudiar su evolución y predicción ha de realizarse mediante conceptos probabilísticos. Las curvas IDF pretenden exactamente eso, asociar la intensidad con la duración de la lluvia y la probabilidad de ocurrencia o frecuencia. De acuerdo con la metodología descrita en la bibliografía (1), se calcularon las curvas intensidad - duración - frecuencia teniendo en cuenta la siguiente ecuación:

En donde: I: Intensidad de precipitación, mm/h. T: Periodo de retorno, años. t: Duración de la lluvia, horas. M: Promedio de la precipitación máxima anual en 24 horas, mm. Según la bibliografía (1), la zona de proyecto se encuentra en la región uno o región Andina, la cual es influenciada directamente por las condiciones de terreno y la altitud. En esta las lluvias pueden ir desde 1000mm anuales en los valles interandinos, hasta los 4000mm al año en los altiplanos y bosques alto andino. Para esta región la referencia bibliográfica asigna a los parámetros a, b, c y d los valores de 0.94, 0.18, 0.66 y 0.83 respectivamente. Se calculan curvas IDF para cada uno de los valores obtenidos con periodos de retorno de 3, 5, 10, 25, 50 y 100 años, y con una duración máxima de 300 minutos. En la siguiente figura, y la tabla que la precede se incluye la gráfica IDF y sus valores, para la estación Fómeque.

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Gráfica de IDF Estación PM Fomeque 140.00

120.00

100.00

80.00

60.00

40.00

20.00

0.00 0

50

100 3 Años

5 Años

150 10 Años

200 25 Años

50 Años

Figura 1-3 Gráfica IDF estación PM Fómeque. Fuente: Elaboración propia.

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250 100 Años

300

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Tabla 1-4 Valores de intensidad duración y frecuencia. Tiempo(min)

3 Años

5 Años

10 Años

25 Años

50 Años

100 Años

10

69.99

76.74

86.93

102.52

116.14

131.58

15

53.56

58.72

66.52

78.45

88.87

100.68

30

33.90

37.16

42.10

49.65

56.25

63.72

45

25.94

28.44

32.22

37.99

43.04

48.76

60

21.45

23.52

26.64

31.42

35.60

40.33

75

18.51

20.30

23.00

27.12

30.72

34.80

90

16.42

18.00

20.39

24.04

27.24

30.86

105

14.83

16.26

18.42

21.72

24.60

27.87

120

13.58

14.88

16.86

19.89

22.53

25.52

135

12.56

13.77

15.60

18.40

20.84

23.61

150

11.72

12.85

14.55

17.16

19.44

22.03

165

11.00

12.06

13.67

16.12

18.26

20.68

180

10.39

11.39

12.90

15.22

17.24

19.53

195

9.85

10.80

12.24

14.43

16.35

18.53

210

9.38

10.29

11.66

13.75

15.57

17.64

225

8.97

9.83

11.14

13.13

14.88

16.86

240

8.59

9.42

10.67

12.59

14.26

16.15

255

8.26

9.05

10.25

12.09

13.70

15.52

270

7.95

8.72

9.87

11.64

13.19

14.94

285

7.67

8.41

9.53

11.24

12.73

14.42

300

7.42

8.13

9.21

10.86

12.31

13.94

Fuente: Elaboración propia

1.1.1.6.

Análisis de Caudales

Como se dijo en la metodología, el método racional se utiliza en este tipo de estudios, siempre y cuando el área de drenaje no supere las 80 Ha (RAS 2017). Dicho método establece la relación entre el volumen de precipitación total y el volumen de escorrentía como el coeficiente de escorrentía, y asume que la precipitación cae uniformemente sobre toda el área en el intervalo de tiempo determinado, por tanto, el caudal instantáneo se puede expresar como la relación entre la intensidad de la precipitación, el área y el coeficiente de escorrentía, según la ecuación: 𝑄 = 0.278 ∗ 𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴

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Siendo: Q:

Caudal máximo de descarga de escorrentía superficial, (m3/s).

C:

Coeficiente de escorrentía, (valor adimensional que depende del tipo de cobertura).

I:

Intensidad de lluvia, (mm/h tomada de las curvas IDF).

A:

Área de drenaje, (m2, área aferente al elemento encargado de recolectar las aguas lluvia).

En general se utilizan los siguientes coeficientes de escorrentía: Tabla 1-5 Coeficientes de escorrentía. Tipo de superficie

C

Cubiertas

0.9

Pavimentos asfalticos y superficies de concreto

0.9

Vías adoquinadas

0.85

Zonas comerciales o industriales

0.9

Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras

0.75

Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre estos

0.75

Residencial unifamiliar, con casas contiguas y predominio de jardines

0.6

Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separadas

0.45

Residencial, con predominio de zonas verdes y parques-cementerios

0.3

Laderas sin vegetación

0.6

Laderas con vegetación

0.3

Parques recreacionales

0.3

Fuente: RAS 2000 Titulo D

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CLIMATOLOGÍA 1.1.2.1.

Precipitaciones

El régimen de precipitaciones para el área de influencia directa a la zona del estudio es de tipo monomodal. Las precipitaciones anuales acumuladas se sitúan en valores máximos de 1175.1 mm. Las máximas se producen en los meses de mayo, junio y julio, y las mínimas entre diciembre y febrero. Se presenta la tabla con los valores mensuales multianuales, y la gráfica representativa de estos valores. Se utiliza la estación PM Fómeque Tabla 1-6 Distribución anual de las precipitaciones medias mensuales acumuladas. Ene.

Feb.

Mar.

Abr.

May.

Jun.

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

V.Total

23.1

44.4

70.7

131.5

156.9

153.2

147.7

123.7

89.5

105.6

85.7

43.2

1175.1

Fuente: Datos estaciones IDEAM 2018. 180 160

Precipitación Total (mm)

140 120 100 80 60 40 20 0

Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun.

Jul.

Ago. Sep. Oct. Nov. Dic.

Pptación 23.1 44.4 70.7 131.5 156.9 153.2 147.7 123.7 89.5 105.6 85.7 43.2 Figura 1-4 Distribución anual de las precipitaciones mensuales acumuladas. Fuente: Elaboración propia.

1.1.2.2.

Temperatura

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La temperatura está principalmente determinada por la altitud, sufriendo ligeros cambios a lo largo del año, que se deben principalmente a la nubosidad y las precipitaciones. El sitio en estudio se encuentra en altitudes del orden de 1890.00 a 1900.00 msnm. Al no tener una estación climatológica en el casco urbano, se muestran los valores de la estación CO La Bolsa, ubicada en la misma cuenca hidrográfica. En la siguiente tabla se presentan las temperaturas medias mensuales multianuales, donde se observa que la temperatura media anual es de 8.00ºC; En la imagen que precede a la tabla, se encuentra la gráfica representativa de dicho parámetro.

Tabla 1-7 Temperaturas medias mensuales multianuales estación CO La Bolsa. Ene.

Feb.

Mar.

Abr.

May.

Jun.

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

V.Prom

Medios

8.7

8.6

8.5

8.5

8.5

8.3

8

8.1

8.3

8.6

8.7

8.7

8.5

Maximos

14.7

14.7

14.4

13.9

13.7

13.5

13

13.4

13.9

13.9

14

14.9

14

Minimos

0.4

1.4

1.9

3.1

2.4

2.7

2.5

1.6

2.4

3.3 3.4 3.1 2.8 Fuente: Datos estaciones IDEAM, 2018.

16

Temperaturas (°C)

14 12 10 8 6 4 2 0

Ago. Sep.

Oct. Nov.

Dic.

8

8.1

8.6

8.7

8.7

Maximos 14.7 14.7 14.4 13.9 13.7 13.5

13

13.4 13.9 13.9

14

14.9

Minimos

3.1

2.8

2.5

1.6

Medios

Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun. 8.7 0.4

8.6 1.4

8.5 1.9

8.5 3.1

8.5 3.3

8.3 3.4

Jul.

8.3 2.4

2.7

Figura 1-5 Distribución anual de las temperaturas medias. Fuente: Elaboración propia.

Sin embargo la temperatura promedio del casco urbano es de aproximadamente 18.00ºC. 1.1.2.3.

Humedad Relativa

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La humedad relativa representa la cantidad de agua respecto a la máxima capacidad que puede contener una masa de aire antes de producirse condensación La humedad relativa media multianual para el área en estudio está entre el 91.00 y 96.00%, con los mínimos en los meses de enero a marzo y los máximos entre los meses de abril y agosto, tal y como se puede apreciar en la siguiente tabla, en la que se presentan los datos de humedad relativa media mensual. Al igual que la temperatura, la estación más representativa que contiene este parámetro, es la estación CO La Bolsa. Tabla 1-8 Humedad relativa mensual promedio. Estación CO La Bolsa. Ene.

Feb.

Mar.

Abr.

May.

Jun.

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

V.Prom

91

93

94

95

95

95

96

96

94

94

94

93

94

Fuente: Datos estaciones IDEAM, 2018.

La distribución anual de la humedad relativa (presentada en la siguiente figura), mantiene un patrón similar al de precipitaciones, con los periodos de descenso de humedad atenuados por la permanencia en los suelos de humedad remanente de periodos anteriores de precipitación.

97 96

Humedad Relativa (%)

95 94 93 92 91 90 89 88 HRel

Ene. 91

Feb. Mar. Abr. May. Jun. 93

94

95

95

95

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

96

96

94

94

94

93

Figura 1-6 Distribución anual de humedades relativas medias. Fuente: Elaboración propia.

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1.1.2.4.

Nubosidad

La nubosidad se ha expresado en número de octas, es decir, en la proporción de la bóveda celeste que está cubierta por nubes suponiendo ésta dividida en ocho partes iguales, de forma que cada octa representa una octava parte del cielo. Observando los datos presentados en la siguiente tabla, se aprecia que la nubosidad suele ocupar algo más de la mitad del cielo (valores entre 5 y 7, con predominio de 6 octas). Para este parámetro se usa la estación CO La Bolsa. Tabla 1-9 Nubosidad mensual promedio. Estación CO La Bolsa. Ene.

Feb.

Mar.

Abr.

May.

Jun.

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

V.Prom

5

5

6

6

6

6

7

6

6

6

6

5

6

Fuente: Datos estaciones IDEAM, 2018.

8 7

Nubosidad (Octas)

6 5 4 3 2 1 0 Nub

Ene. 5

Feb. Mar. Abr. May. Jun. 5

6

6

6

6

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

7

6

6

6

6

5

Figura 1-7 Distribución anual de nubosidad media. Fuente: Elaboración propia.

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1.1.2.5.

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Evaporación

Los niveles de evaporación medidos en tanque tipo A se presentan en la siguiente tabla, en la que se puede observar que la evaporación acumulada anual alcanza un máximo de 737.60 mm/año en la estación CO La Bolsa; precediendo a la tabla, se incluye la distribución gráfica del parámetro.

Tabla 1-10 Evaporación media mensual multianual (mm). CO La Bolsa. Ene.

Feb.

Mar.

Abr.

May.

Jun.

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

Vprom

68

64.8

69.8

56.6

57.1

58.9

52.1

54.8

59.5

64.8

65.3

65.9

737.6

Fuente: Datos estaciones IDEAM, 2018.

90.0

EVAPORACIÓN (MM)

85.0 80.0 75.0 70.0 65.0 60.0

ENE

FEB MAR ABR MAY JUN

JUL AGO SEP

OCT NOV DIC

21205770 81.1 84.0 80.4 71.2 73.8 74.6 74.9 74.1 84.2 75.2 71.7 70.6 Figura 1-8 Distribución anual media de evaporación. Fuente: Elaboración propia.

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1.1.2.1.

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Punto de Rocío

Se conoce como punto de rocío a la temperatura a partir de la cual un descenso de ésta produce condensación, es decir, a la cual se llega al punto de saturación de humedad. En la siguiente tabla, se indica la temperatura al punto de rocío, el cual es menor en los meses en los que la humedad relativa es más baja, no obstante, la variación interanual es ligera, estando en un valor medio anual entre 7.50 y 8.10ºC. Al igual que la nubosidad este parámetro se obtiene de la estación CO La Bolsa. Tabla 1-11 Punto de rocío mensual promedio. Estación CO La Bolsa. Ene.

Feb.

Mar.

Abr.

May.

Jun.

Jul.

Ago.

Sep.

Oct.

Nov.

Dic.

V.Prom

7.5

7.6

7.9

8.1

8.1

7.9

7.7

7.7

7.8

8

8.1

7.8

7.8

Fuente: Datos estaciones IDEAM, 2018. 8.2 8.1

Pto de Rocio (°C)

8 7.9 7.8 7.7 7.6 7.5 7.4 7.3 7.2

Ene. Feb. Mar. Abr. May. Jun.

Pto Rocio 7.5

7.6

7.9

8.1

8.1

7.9

Jul.

Ago. Sep. Oct. Nov. Dic.

7.7

7.7

7.8

Figura 1-9 Distribución anual de punto de rocío medio. Fuente: Elaboración propia.

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8

8.1

7.8

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BIBLIOGRAFÍA 1. Vargas M. R., Díaz - Granados D. M, "Curvas Sintéticas Regionalizadas de Intensidad Duración - Frecuencia para Colombia", sin fecha. 2. Monsalve G., "Hidrología en la Ingeniería", Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, Santafé de Bogotá D.C., 2 ª Edición, enero de 1999. 3. Chow V.T., Maidment D.R., Mays L.W.,"Applied Hydrology", McGraw-Hill International Editions, Civil Engineering Series, New York, U.S.A., 1988. 4. Instituto Nacional de Vías, INVIAS, “Manual de Drenaje para Carreteras”, Ministerio de Transporte, Subdirección de Apoyo Técnico, Bogotá D.C., 2009.

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