Calibración del umbral de escorrentía a partir de una lluvia observada y del volumen de escorrentía aportado a un embalse
En este post se pretende obtener un valor medio del umbral de escorrentía de la cuenca vertiente al embalse de La Rambla de Algeciras, a partir de los datos de precipitación horaria observados por el Sistema Automático de Información Hidrológica (SAIH) de la Confederación Hidrográfica del Segura (CHS) los días 8, 9 y 10 de mayo de 2018 y a partir de los datos oficiales de aportación al citado embalse por escorrentía superficial.
Se comprobará la necesidad de aplicar un coeficiente de corrección del umbral de escorrentía superior a la unidad para mayorar los valores proporcionados por el CEDEX (2003), tal y como se propone en la Norma 5.2 – IC drenaje superficial de la Instrucción de Carreteras.
También se analizará la relación existente entre el volumen de aportación al embalse y el umbral de escorrentía.
Características de la cuenca vertiente al embalse
La superficie de la cuenca vertiente al embalse de La Rambla de Algeciras es de 44,9 km2 tal y como se muestra en la imagen siguiente.
Cuenca vertiente al embalse de la Rambla de Algeciras. Fuente: elaboración propia a partir del modelo digital del terreno (MDT)
A continuación se muestra el modelo digital de elevaciones de la cuenca vertiente al embalse de La Rambla de Algeciras procedente del centro de descargas del Centro Nacional de Información Geográfica. Se trata de un modelo digital del terreno de 5 m de resolución.
Modelo digital del terreno de 5 m de resolución. Fuente: centro de descargas del Centro Nacional de Información Geográfica (CNIG)
A partir del modelo digital del terreno se han delimitado cuatro subcuencas vertientes numeradas como 1, 2, 3 y 4 tal y como se muestra a continuación:
Subcuencas vertientes al embalse de la Rambla de Algeciras. Fuente: elaboración propia a partir del MDT
Los datos característicos de las subcuencas, es decir: área, longitud del cauce principal, cota máxima, cota mínima, pendiente y tiempo de concentración, son los siguientes:
Datos característicos de las subcuencas vertientes al embalse de la Rambla de Algeciras. Fuente: elaboración propia
Datos de precipitación
El pluviómetro Caserío Gebas del SAIH de la CHS, cuya ubicación se muestra en la siguiente figura, registró datos los días 8, 9 y 10 de mayo de 2018, los cuales también se muestran seguidamente en formato tabla, a escala horaria:
Ubicación del pluviómetro Caserío Gebas. Fuente: página web de la CHS
Datos de precipitación horaria del SAIH en el pluviómetro Caserío Gebas. Fuente: página web de la CHS
Pluviograma en Caserío Gebas los días 8, 9 y 10 de mayo de 2018. Fuente: elaboración propia a partir de datos de la página web de la CHS
El radar de la Agencia Estatal de Meteorología proporcionó la siguiente información el día 10 de mayo de 2018:
Radar de la Agencia Estatal de Meteorología. Fuente: página web de AEMET
Aportaciones al embalse
La aportación media anual al embalse se estima en 1,25 hm3, lo que supone un caudal medio de 0,040 m3/s, es decir, durante los tres días que dura el episodio pluviológico el volumen aportado por flujo base sería de 0,040 x 86400 x 3 = 10368 m3. No obstante, en días anteriores y posteriores al episodio los datos oficiales de la CHS estiman que la aportación al embalse es nula, por lo tanto, no se tendrá en cuenta en el cálculo la aportación por flujo base, y se considerará que toda la aportación es debida al volumen de escorrentía superficial que se ha generado durante el episodio pluviológico.
Datos diarios oficiales de volumen, incrementos de volumen, aportaciones y desagües del embalse de la Rambla de Algeciras. Fuente: página web de la CHS
En la tabla anterior se aprecia una aportación al embalse de 7000 m3 el día 10 de mayo a las 8:00 h y una aportación de 44000 m3 el día 11 de mayo a las 8:00 h.
Modelo hidrológico. Resultados
Se ha elaborado un modelo hidrológico en HEC-HMS haciendo uso de los datos de precipitaciones y con los datos característicos de las subcuencas vertientes al embalse de la Rambla de Algeciras.
Modelo hidrológico de las subcuencas vertientes al embalse de la Rambla de Algeciras. Fuente: elaboración propia
El tiempo de desfase de la punta (Tdp o Tlag) que se define como el tiempo que transcurre entre el centroide de la tormenta y el caudal punta, se ha estimado para cada subcuenca como el 60% del tiempo de concentración, es decir:
Tiempo de desfase de la punta de caudal respecto del centroide de la tormenta. Fuente: elaboración propia
Se han realizado cuatro simulaciones hidrológicas con los siguientes valores medios del número de curva (CN) o umbral de escorrentía (Po):
Número de curva y umbral de escorrentía medio que se ha empleado en cada simulación hidrológica. Fuente: elaboración propia
El volumen total de escorrentía aportado para los diferentes valores del umbral de escorrentía, es decir, para las cuatro simulaciones hidrológicas ha resultado ser:
Volumen de aportación al embalse obtenido en función del valor medio del umbral de escorrentía. Fuente: elaboración propia
La relación existente entre el volumen de aportación al embalse y el umbral de escorrentía vendría dado por el ajuste representado en la siguiente gráfica:
Volumen de aportación al embalse de la Rambla de Algeciras en función del valor medio del umbral de escorrentía. Fuente: elaboración propia
El ajuste de una curva exponencial del tipo:
Proporciona un coeficiente de correlación de 0,9915.
El valor medio del umbral de escorrentía que proporciona un volumen de aportación al embalse de la rambla de Algeciras próximo a 50000 m3 es del entorno de 50 mm.
Valores del umbral de escorrentía propuestos por el CEDEX
Para la estimación del umbral de escorrentía inicial (Po,i) por debajo del cual las precipitaciones acumuladas no provocan escorrentía, se ha hecho uso de la capa SIG del umbral de escorrentía (mm) en condiciones de humedad media del suelo, obtenido a partir de los usos del suelo del CORINE LAND COVER 2000 y de acuerdo con la metodología expuesta en la Publicación “Análisis de nuevas fuentes de datos para la estimación del parámetro número de curva: perfiles de suelos y teledetección” Editado por el CEDEX 2003, tal y como muestra la imagen siguiente:
Mapa ráster de la cuenca vertiente al embalse de la Rambla de Algeciras con los valores del umbral de escorrentía para condiciones medias de humedad del complejo suelo-vegetación
El valor medio del umbral de escorrentía para la cuenca vertiente al embalse de la rambla de Algeciras es de 19,1 mm.
Coeficiente de corrección del umbral de escorrentía
Según la orden FOM/298/2016, de 15 de febrero, por la que se aprueba la Norma 5.2 – IC drenaje superficial de la Instrucción de Carreteras, la formulación del método racional para el cálculo de caudales requiere una calibración con datos reales de las cuencas, que se introduce en el método a través de un coeficiente corrector del umbral de escorrentía (β).
Cuando no se disponga de información suficiente en la propia cuenca de cálculo o en cuencas próximas similares, para llevar a cabo una calibración, se puede tomar el valor del coeficiente corrector a partir de los datos de la tabla que se muestra a continuación, y que se corresponden a las regiones de la figura siguiente.
Regiones consideradas para la caracterización del coeficiente corrector del umbral de escorrentía. Fuente: Norma 5.2 – IC drenaje superficial de la Instrucción de Carreteras
Coeficiente corrector del umbral de escorrentía: valores correspondientes a calibraciones regionales. Fuente: Norma 5.2 – IC drenaje superficial de la Instrucción de Carreteras
El coeficiente de corrección se puede obtener como el producto del valor medio de la región del coeficiente corrector del umbral de escorrentía (βm) corregido por el valor correspondiente al intervalo de confianza del cincuenta por ciento (Δ50), por un factor dependiente del período de retorno T (FT) considerado para el caudal de proyecto. Concretamente para la región 72 y para un periodo de retorno de 25 años:
El valor del umbral de escorrentía sería:
Mientras que con la calibración efectuada, el valor del coeficiente corrector del umbral de escorrentía sería:
Es decir, un valor de 2,62 en lugar de 1,80, tal y como propone la Norma 5.2 – IC drenaje superficial de la Instrucción de Carreteras.
En cualquier caso, y a modo de conclusión se aprecia la necesidad de aplicar un coeficiente de corrección del umbral de escorrentía superior a la unidad.
