TEXTO HIDROLOGIA

GESTIÓN DEL SISTEMA DE RIEGOCOMUNIDAD CAJAPUCARA

ESTUDIO HIDROLOGICO

1. GENERALIDADES

La evaluación de los recursos hídricos involucra tener un enfoque sistémico de los recursos hídricos en la zona de estudio, relacionándolo con el uso que la sociedad le da. La evaluación mira tanto a la cantidad como a la calidad del agua superficial y subterránea. Identifica los parámetros pertinentes del ciclo hidrológico, y evalúa los requisitos del agua para diferentes desarrollos alternativos.

Una buena evaluación de los recursos hídricos necesita basarse en buenos datos físicos y socioeconómicos. La medición física de rutina en las estaciones de monitoreo y medición necesitan realizarse en épocas adecuadas, y con suficiente frecuencia para permitir que la evaluación llegue a conclusiones reales y validadas.

Para que los modelos sean útiles en la búsqueda de soluciones sostenibles, deben dirigirse y simular no sólo la eficiencia económica y los méritos técnicos, sino también las preferencias y las prioridades de las partes interesadas. Los modelos serán verdaderamente útiles cuando éstos estén integrados a las instituciones locales y al contexto cultural.

2. INTRODUCCIÓN

El presente estudio de evaluación del recurso hídrico en las microcuenca Huaytaccocha, está referido básicamente al análisis de la tendencia del escurrimiento superficial (ríos) y de los flujos sub superficiales (afloramientos y/o manantiales), con el fin de determinar los rendimientos en términos de producción de agua en la microcuenca Huaytaccocha.

El desarrollo de una agricultura sostenible en la zona, está limitada a esa capacidad de producción y a la propuesta de una cédula de cultivos acorde a la cantidad y calidad de agua superficial disponible. Un plan de cultivos a futuro permitirá prever una demanda de agua compatible a las posibilidades de aprovechamiento del recurso hídrico. Por lo tanto la optimización a mediano y largo plazo, con propuestas tecnológicas, permitirá maximizar la superficie regable a nivel del distrito.

CONSULTOR: ING. MARCO ANTONIO SILVA PALOMINO TELEF.: 241080URB. SAN MARTÍN A-11 SAN JERÓNIMO - CUSCO 9769585


Finalmente, es importante tener presente, que toda intervención del hombre en los sistemas hídricos, implica transformar el recurso hídrico en un "insumo" productivo o vital, por tanto se debe sensibilizar sobre la necesidad de la gestión integral de los recursos hídricos y valorar el agua como un bien económico y ecológico.

3. METODOLOGÍA

Para el desarrollo del presente estudio, se han efectuado las siguientes etapas: Etapa de campo, referido a la obtención de información de aforos en el cauce principal de la microcuenca, visita al área de influencia de la microcuenca y zona de intervención. Asimismo, entrevista con usuarios claves de la zona, para referenciar eventos anteriores en la zona, como sequias y caudales máximos en temporadas de lluvia. Etapa de Gabinete: Obtención de información hidrométrica, y climatológica de estaciones cercanas al proyecto. Análisis y procesamiento de la información histórica, generación de series de datos sintéticos, análisis de la oferta hídrica en la microcuenca y finalmente obtención del balance hídrico.

4. OBJETIVOS Y ALCANCES

• Objetivos

El presente estudio de tiene por objetivo, efectuar una evaluación de las aguas de escurrimiento superficiales y subsuperficiales en la microcuenca Huaytaccocha, y consecuentemente estimar la disponibilidad del recurso para su aprovechamiento en dicha zona. La zona de estudio posee información hidrológica muy reducida, siendo necesario la el empleo de modelos hidrológicos.

• Alcances

Para evaluar y cuantificar la oferta de agua, se ha recurrido al análisis estadístico y probabilístico de los parámetros hidrometeorológicos relacionados principalmente con el escurrimiento superficial. La información base lo constituyen los registros hidrometeorólogicos de las diferentes estaciones cercanas a la zona de estudio, administradas por SENAMHI. El alcance

5. ASPECTOS GENERALES



5.1 UBICACIÓN POLÍTICA

Departamento : CuscoProvincia : ParuroDistrito : Ccapi

5.2 LA CUENCA

La zona en estudio hidrográficamente forma parte de la intercuenca del río Velille, cuenca media del río Apurimac.

5.3 LA MICROCUENCA

Para el presente estudio se ha evaluado la microcuenca, que actualmente no este en explotación, y que con un buen manejo a nivel de cuenca podrá ser aprovechado adecuadamente.

Cuadro Resumen:

La microcuenca de la Laguna Huaytaccocha, hasta la zona de emplazamiento de la presa, tiene una extensión de 181,5 ha. de superficie y un perímetro total de 5,4 Km. La altitud promedio de la microcuenca es de 4.350 msnm. Presenta en su superficie morfología variada con pendientes abruptas, empinadas y picos elevados. Por la formación rocosa de los cerros circundantes la cobertura vegetal en la parte alta es escasa, existiendo extensas áreas con pastos naturales de puna (ichu). No Existen nevados. Dentro del área de influencia de la microcuenca no existen otras lagunas importantes. El punto más alto se ubica a una altitud de 4.580 msnm. La longitud del cauce mas largo del río tiene 1,8 Km.

6. Características Fisiográficas y Climáticas

Las variables climáticas en el ámbito del estudio (Distrito de Ccapi) se describen teniendo en cuenta datos que provienen de estaciones cercanas, las cuales son operadas y controladas por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI).

Haciendo uso de registros de las estaciones meteorológicas de K’ayra, Livitaca, Acomayo y Paruro, que son adyacentes a la cuenca en estudio, se efectuó la complementación de precipitaciones y el cálculo de las variables climáticas útiles



tanto para el proceso de regionalización como para la generación de caudales.

7 Análisis de la Información Climatológica de las Estaciones Meteorológicas.

7.1 Estaciones meteorológicas:

Se ha empleado las siguientes estaciones:

7.2 Análisis de Temperatura

a. Temperatura

Para el análisis de la temperatura, se ha considerado a las estaciones de referemcoa indicadas en el Cuadro N° 5. Para efectos de regionalizar la temperatura se ha efectuado un análisis de regresión lineal, teniendo en cuenta que el parámetro que influye en la variación de temperatura es la Altitud. De este análisis se han obtenido coeficientes de correlación “r” adecuados, obteniéndose las siguientes ecuaciones referidas a las temperaturas medias anuales, validas para altitudes de 3700 a 4400 msmn:

• Temperatura Media Anual

T = 40,90 – 0.0084 x H r = - 1,00 (1)

• Temperatura Mínima Media Anual

T = 57,92 – 0,0156 x H r = - 0,93 (2)

• Temperatura Máxima Media Anual

T = 45,40 – 0,0077 x H r = - 0,98 (3)

Siendo:T : Temperatura (°C)H : Altitud (msnm)r : Coeficiente de correlación



Como resultado de la aplicación de estas ecuaciones, se han obtenido las siguientes temperaturas medias anuales, para la microcuenca Huaytaccocha y área de los cultivos:

Para mayor detalle ver cuadro N° 5

b. Humedad relativa

Considerando como estación base Paruro, se tiene registros de humedad relativa que fluctúan entre 74% en febrero a 64,13% en agosto con un valor promedio anual de 68,44%, valores que se muestran en el cuadro N° 4.

c. Horas de sol

Los registros de horas de sol son tomados considerando el promedio de los registros medios mensuales de las estaciones MAP de Kayra y CP de Perayoc, que alcanza un total anual de 2323,2 hrs./año, brillando como máximo 254,0 horas en el mes en julio y 129 horas/mes como mínimo en febrero. Ver Cuadros N° 4.

d. Evapotranspiración potencial

El cálculo de la evapotranspiración potencial para la zona de estudio fue obtenido haciendo uso de la fórmula de Hargreaves III modificada. Las variaciones mensuales para la zona del área de los cultivos se muestra en el Cuadro N°4.

e. Medio ambiente y ecología

Según del diagrama bioclimático (L. Holdrige), esta zona de vida pertenece a la provincia de humedad “BOSQUE HÚMEDO” y a la región altitudinal “SUBTROPICAL”

Geográficamente se ubica en la región cordillerana entre los 3.550 a 4.000 msnm. El relieve es dominantemente empinado ya que conforman el borde o parte superior de las laderas que enmarcan a los valles interandinos, haciéndose un tanto mas suave en el límite con las zonas del Páramo que presentan gradientes moderadas por efecto de la acción glacial pasada. Por lo general, aquí dominan suelos relativamente profundos, arcillosos, de reacción ácida, tonos rojizos a pardos y que asimilan al grupo edafónico de Phaeozems. Asimismo donde predominan materiales litológicos calcáreos pueden aparecer los Kastonozems, de tonalidades rojizas generalmente. En las áreas muy empinadas, aparecen suelos delgados dando paso a los



Litosoles y algunas formas de Rendzimas así como grupos transicionales pertenecientes a los Cambisoles (distritos y eútricos)En las partes altas o superiores de esta Zona de Vida, denominadas también Subpáramos o Praderas, se observa la presencia de grandes extensiones de pastos naturales altoandinos, constituidos principalmente por especies de la familia de Gramíneas como Stipa, Calamagrostis, Festuca y Poa, entre las más importantes. Todas las plantas mencionadas pueden ser consideradas de estas Zonas de Vida.

Estas zonas de vida a pesar de tener precipitaciones no mayores a 1000 mm. Anuales y reducida evapotranspiración debido a las temperaturas bajas, permiten llevar a cabo agricultura de secano. En este sentido, constituyen una de la Zonas de Vida donde se fija el centro de la agricultura de secano del país. Se cultiva preferentemente plantas autóctonas de gran valor alimenticio, como la “papa”, “oca”, “olluco”, “cebada”, “quínua”, “cebada”, “cañihua”, etc.

f. Precipitación Pluvial

• Fuente de Información

La información de registros pluviométricos proviene de las estaciones que pertenecen a la red de estaciones meteorológicas administradas por SENAMHI. Las estaciones consideradas, presentan registros de lluvias incompletos a partir del año 1964 al 2006, en algunos casos tienen registros interrumpidos en varios años por motivos de que dejaron de funcionar.

• Revisión y Análisis de los Registros

La información pluviométrica de las estaciones cercanas, fue analizada y tratada haciendo uso del software “Sistema de Información Hidrológica SIH” del Instituto Nacional de Recursos Naturales Dirección General de Aguas y Suelos INRENA, el mismo que utiliza herramientas estadísticas y otras de uso estandarizado como el HEC4 del Hidrologycal Enginneering Center para efectuar la completación de datos, análisis de saltos, tendencias y homogeneidad de la información (pruebas T y pruebas F).

Los registros analizados corresponden a las estaciones de: K’ayra, Livitaca y Acomayo. La información utilizada comprende el período 1964/65 al 2005/06. Debido a la discontinuidad de registros en las estaciones, se ha efectuado la completación de datos, los cuales han sido sometidos a pruebas estadísticas de Chi Cuadrado y Smirnov Kolmogorov del programa “SIH” para



verificar si los datos se ajustan a la Distribución Normal. De este análisis se puede afirmar que la estación de Paruro no cumple la prueba de Chi Cuadrado, por lo que no se considera como estación indice.

El detalle de esta evaluación se muestra en los cuadros anexos conjuntamente que el análisis y tratamiento de la información pluviométrica de las estaciones mencionadas.

• Análisis Regional de la Precipitación

Para efectuar este análisis se consideran estaciones índice, que resultan de un proceso previo de segmentación, entre las estaciones analizadas, considerando criterios de homogeneidad espacial de topografía, suelo, vegetación y otros. Luego se utilizó el modelo de regionalización de las precipitaciones medias mensuales utilizando ecuaciones de influencia con factores determinados en base a la ponderación de la influencia altitudinal y geográfica (influencia espacial) similar al criterio del método de los polígonos de Thiessen.

En resumen comprende las siguientes etapas:

- Determinación de los coeficientes de influencia altitudinal y geográfica en función a las estaciones índice consideradas: K’ayra, Acomayo y Livitaca. Estos coeficientes se muestran en el cuadro N° 1- Generación de la precipitación areal (con extensión de registros), sobre la microcuenca y área de los cultivos (cuadros N° 2 al 3). De los datos de precipitación generados se ha determinado la media de los módulos pluviométricos anuales, así como las precipitaciones al 75% de persistencia y precipitaciones efectivas :

• Distribución Estacional de las Precipitaciones

En la estación índice K’ayra, la precipitación media anual para el período señalado, alcanza los 661 mm. En los meses de diciembre a marzo la precipitación es del orden de 453 mm. que representa el 68% de la lluvia que precipita durante el año y el 32% representa al período de transición y seco. Ver cuadro de registros completadas.



En la estación índice Livitaca, la precipitación media anual alcanza 1.056 mm. En el período mas húmedo diciembre a marzo, precipita 754 mm. que representa el 71% de las lluvias anuales y el resto corresponde al período de transición y seco en un 29%.

En la estación índice Acomayo, la precipitación media anual, alcanza los 861 mm. En los meses de diciembre a marzo la precipitación es del orden de 601 mm. que representa el 70% y el 30% restante representa al período de transición y seco

8. Escorrentía

Dentro del ámbito del estudio, no se cuenta con registro alguno de información hidrométrica de ríos y manantiales, por lo que para el análisis directo de la escorrentía, se ha efectuado aforos puntuales en el desfogue de la laguna Huaytaccocha (julio- 2007), utilizando un envase de volumen conocido. Esta información de registro hidrométrico resulta muy reducida para la magnitud del estudio. Por esta razón se ha recurrido a modelos matemáticos de Precipitación – Escurrimiento para la generación de caudales medios mensuales, para el período (1964 – 2006) en el punto de interés de la presa.

8.1 Generación de Información

• Modelo Schöltz – Base Teórica

La estimación de los Caudales Medios Mensuales se desarrolló empleando el método matemático estocástico para la relación Precipitación-Escurrimiento, utilizando el modelo Markoviano del tipo I “Generación de Caudales”, desarrollada en el marco de la Cooperación Técnica en 1980 con apoyo de la Misión Técnica Alemana GTZ. Tiene como base la ecuación fundamental del balance hídrico mensual expresada en mm/mes, el cual se puede describir en la forma siguiente propuesta por Fischer (15, II, p. 601).

(1) CMi = Pi – Di + Gi - Ai (1 )

Donde:

CMi = Caudal mensual (mm/mes)

Pi = Precipitación total mensual sobre la cuenca

(mm/mes)



Di = Déficit de escurrimiento

(mm/mes)

Gi = Gasto de la retención en la cuenca (mm/mes)

Ai = Abastecimiento de la retención (mm/mes)

Este método genera caudales para períodos extendidos, sobre un nivel de probabilidad pre - determinado, tomando como base el Modelo Hidrológico que permite calcular caudales mensuales para el año promedio. Consiste en una combinación de un proceso Markoviano de primer orden con una variable de impulso referida a la precipitación efectiva (Moss y Dawry), ecuación (2).

Con la información básica y los Caudales para el Año Promedio se toman los valores del caudal actual Qt como valor dependiente, el caudal anterior Qt-1 y la precipitación efectiva PEt como valores independientes. Con estas variables se realiza una regresión múltiple para obtener los parámetros estadísticos B1, B2, B3, S y r, los mismos que dan origen a la ecuación (8) siguiente:

Qt = B1 + B2 x Qt –1 + B3 x PEt + Z x S 1 – r²(2)

Donde:Qt : Caudal del mes actual (m³/s)Qt-1 : Caudal del mes anterior (m³/s)PEt : Precipitación efectiva (mm)B1, B2 y B3 : Parámetros estadísticosS : Desviación de los residuosr : Coeficiente de correlaciónZ : Número aleatorio con media igual a cero y desviación estándar igual a uno (0, 1)

h. Generación de Caudales (Desarrollo de la Metodología)

La metodología descrita, consiste en:

- Cálculo de los parámetros fisiográficos e hidrológicos de las microcuencas en estudio Estimación de los coeficientes de escorrentía y agotamiento, PE, etc. para las microcuencas consideradas en el estudio - Generación de caudales mensuales para el año promedio mediante las ecuaciones de balance hídrico, en microcuencas



- Cálculo de los coeficientes de la ecuación de extensión Marcoviana de I orden, mediante ecuaciones de regresión triple, para las microcuencas - Cálculo de valores aleatorios Z (media = 0 y desv. std = 1).- Estimación de la Precipitación Efectiva II (hidrológica) mensualizada para las microcuencas - Generación de caudales en las microcuencas para periodos extendidos en mm (ver cuadros - Generación de caudales en las microcuencas para periodos extendidos en m3/s

El resumen de caudales y volúmenes generados por escorrentía al 75% de persistencia en la microcuenca Huaytaccocha se observan en el siguiente cuadro, teniendo el detalle en los cuadros N° 13 y 14:

9 Análisis de Eventos Extremos

9.1 Caudales Máximos

Las máximas avenidas en la microcuenca de la laguna Huaytaccocha se ha evaluado mediante el método de Math Mac, usando precipitaciones máximas de 24 hr de la estación CO Anta, corregidas por un factor altitudinal y ajustada a una distribución Log Pearson Tipo III. Cuadros N° 16 y 17

Q max = 10-3 * C * P * A 0.58 * I 0.42 (3)

Siendo:C : Coeficiente de escorrentíaP : Precipitación máxima en 24 horas (mm)A : Área de la cuenca (ha)I : Pendiente del curso principal (m/Km.)

Ajuste a la Distribución Log-Pearson tipo III:

Log Q = X + K * S (4)

Siendo:



Q : Caudal (m³/s)X : Media de logaritmos de los caudales.S : Desviación estándar de los logaritmos de los caudales.K : Factor de frecuencia, que depende del sesgo (G) y del nivel de Probabilidad de excedencia.

Después de haber realizado el análisis de máximas avenidas, se ha adoptado al promedio de los caudales máximos para obtener el caudal de diseño de acuerdo al periodo de retorno establecido (T=1000 años), vida útil (25 años) y un riesgo de falla (R= 22%); cuyo resultado obtenido alcanza a 3,90 m³/s.

Tránsito de Avenidas Laguna en Estudio

Con la finalidad de encontrar el desplazamiento de las ondas de una crecida, es necesario conocer el tránsito de avenidas, para determinar el caudal de diseño de las obras hidráulicas de evacuación y/o aliviaderos.

El objetivo de realizar el tránsito de avenidas nos conlleva a encontrar la atenuación por embalse y en consecuencia conocer el caudal de diseño del vertedor.

Para el desarrollo del tránsito de avenidas en el embalse de la laguna Huaytaccocha, se han emplearon los métodos semianalíticos, tomando como insumo principal el Hidrograma de Entrada. Asimismo con el objeto de conocer la variación de los volúmenes de embalse en función a la altura, se ha desarrollado la ecuación volumétrica del vaso en función a la altura:

V = 589.7088 h4 - 13229.0209 h3 + 113935.0228 h2 - 226650.5644 h + 134393.5209

Donde :

V = Volumen del embalse en m3H = Altura del Embalse en m.

R2 = 0.9999 (Factor de correlación muy alto)

Del análisis desarrollado, el caudal transitado para una longitud de vertedor de 5,50 m, no varía mucho con respecto al caudal máximo de diseño, por lo que es conveniente asumir este caudal para el dimensionamiento del aliviadero de la presa (3,90 m3/s).

10 Estudio de Operación de Embalses



Generalidades

La Operación del Embalse de las lagunas represadas, considera elementos principales como los caudales generados, la precipitación, demanda de agua de proyecto (riego, consumo humano y animal), pérdidas de agua por evaporación y las pérdidas por infiltración, asumidas como un porcentaje del almacenamiento.

Este estudio de Operación, está basado en la ecuación (3) fundamental de la hidrología mostrada a continuación:

±V = VP + VQa – VE – VQe – VDr (4)

Donde±V : Cambio de almacenamiento m3

VP : Volumen generado por la Precipitación m3VQa : Volumen generado por el escurrimiento superficial m3E : Volumen generado por la evaporación en el espejo m3VQe : Volumen generado por la infiltración m3VDr : Volumen de agua requerido por los cultivos m3

Operación de Embalse de las Lagunas

En el cuadro N° 15, se muestra el desarrollo de la simulación dinámica de la operación del embalse en la laguna Huaytaccocha para la campaña agrícola, iniciando con el total de sus capacidades de almacenamiento, en función del rendimiento hídrico de las microcuencas, para la altura efectiva de 6,10 m, a partir del actual nivel de espejo de agua. De acuerdo a la operación simulada para los diferentes meses, los volúmenes son positivos, lo que garantiza la disponibilidad hídrica para todos los meses, especialmente durante la época crítica de máxima demanda. La operación empieza con el cierre de las válvulas el 30 de abril de cada año, regulando los caudales desde mayo hasta diciembre en función a las necesidades del riego. El cierre de las válvulas e inicio del llenado de la presa para la siguiente campaña se da el 30 de noviembre, volviéndose a abrir nuevamente a fines de abril.

Interpretación de los Resultados de la Operación del Embalse de la Laguna en Estudio

En el cuadro Nº 15, los volúmenes finales después de la época critica son positivos, lo que significa que cuando el embalse está lleno al principio del período de uso o demanda, no se seca aún durante la época seca (30/abril – 30/noviembre); por lo que se puede concluir que la demanda de riego de campo quedará satisfecha, siempre que el embalse se encuentre lleno, al



principio del inicio de la campaña de riego (30/abril).

10 Calidad de Agua

De acuerdo a las directivas de la FAO (1976), la fuente tiene clasificación C1S1, interpretándose de baja salinidad y bajo en sodio, pudiéndose usar en el riego sin ningún inconveniente.

11. Demanda de Agua

La demanda de agua para fines de riego se ha calculado en base a la cédula de cultivos propuesta y a la varables climatológicas de la zona, definiendo un módulo de riego ponderado de 0,49 l/s/ha para una eficiencia de riego del proyecto de 66% (riego por aspersión), la misma que se pretende alcanzar con el mejoramiento del sistema de riego y la implementación de sistemas presurizados a nivel parcelario.

12. Balance Hídrico

Según los cálculos de la demanda de agua y oferta hídrica no existe déficit deduciendo que las fuentes hídricas satisfacen las necesidades de agua, tal como se muestra en el siguiente cuadro:

(*) Oferta hídrica mínima, mes de estiaje (**) Se esta considerando un módulo de riego de 0,49 l/s/ha.(***) Se considera un caudal de 3 l/s para consumo humano y/o animal.

13. Conclusiones y Recomendaciones

- Los análisis que se muestran en este estudio son de carácter probabilístico, los cuales necesitan ser contrastados con mediciones de campo durante un período de tiempo.- Las precipitaciones en el ámbito del proyecto presentan variaciones notables en su volumen durante el año. Estas variaciones, generalmente son estacionales, resaltando la época húmeda con precipitaciones que comienzan en el mes de diciembre hasta marzo (76%), continuando una época de transición que son los meses de abril y noviembre; llevándose a cabo la época seca desde mayo a octubre.- La oferta global o rendimiento hídrico estimada, considerando los dos períodos: lluvioso y estío, es suficiente



para cubrir la demanda de agua para riego de 141 ha. y consumo humano.- Los caudales generados, están referidos al 75% de persistencia, el cual es utilizado en el balance hídrico.- Considerando la escasa información hidrológica con que cuenta la zona de estudio es recomendable efectuar aforos de ingreso y salida en la laguna Huaytaccocha, el cual permitirá un adecuado conocimiento de la oferta. De ser posible, se deberá instalar equipos mínimos como pluviómetros, termómetros, evaporímetros, reglas de control de la variación de los niveles de agua en los ríos, etc., que nos permita contar con registros necesarios para realizar este tipo de estudios y afinar la metodología empleada.

GLOSARIO DE TERMINOS

SENAMHI : Servicio Nacional de Meteorología e HidrologíaINRENA : Instituto Nacional de Recursos NaturalesESTACION MAP : Estación Meteorológica PrincipalESTACION CO : Estación Climatológica OrdinariaESTACION CP : Estación Climatológica Principal


TEXTO HIDROLOGIA

Documents

Transcript of TEXTO HIDROLOGIA