Mapa de caudales máximos en cuencas de la zona centro de la vertiente del pacífico (subregión hidrológica 5a4 IILA)

Abstract

La caracterización y estimación de las crecidas de un río son indispensables para garantizar el correcto desempeño y seguridad de infraestructura hidráulica. Nuestro país, en tanto se ubica en una de las zonas con la mayor actividad relacionada a fenómenos hidroclimáticos extremos, requiere de herramientas y métodos desarrollados para nuestro contexto y situaciones hidrológicas. En tal virtud, el objetivo principal de la presente investigación es el desarrollo y aplicación de técnicas que permitan estimar caudales máximos naturales, para diferentes probabilidades de ocurrencia, en puntos estratégicos de los principales ríos de la zona centro de la vertiente del Pacifico, los cuales se ubican en la región denominada 5a4 en el “Estudio de la hidrología del Perú” (IILA et al., 1982). Las referidas estimaciones plasmadas en mapas permiten el dimensionamiento de infraestructura hidráulica y el control de riesgos asociados a los caudales máximos. Es importante mencionar que la presente contribución se distingue de la habitual forma de estimar caudales máximos en cuencas con pocas o sin estaciones de aforo, complementando información existente con bases de datos satelitales, aplicando modelos conceptuales que representen procesos físicos y que permitan validar la información generada. La presente tesis se distribuye como sigue. En el capítulo 1 se presentan los aspectos generales de la investigación que comprende la introducción, problema de investigación y objetivos; asimismo, se describe el área de estudio especificando sus características fisiográficas y aspectos de hidrología e hidrografía; finalmente, se hace una breve revisión de conceptos importantes enfatizando aspectos usados en la metodología para el desarrollo de la investigación. En el capítulo 2 se presentan los datos y la metodología que se empleó en el presente trabajo, la primera sección comprende la descripción de los datos relevantes del ´área de estudio tales como la información hidrometeorológica convencional e información sobre estimaciones satelitales de variables climáticas. La segunda sección comprende la descripción detallada de los métodos y el procedimiento desde la recolección de información hasta la generación de mapas de caudales máximos. En el capítulo 3 se presenta la discusión y los resultados del procedimiento el cual inicia con la selección y recolección de registros de estaciones hidroclimáticas en la zona de estudio. Subsecuentemente, los registros fueron evaluados mediante diversas técnicas para verificar la confiabilidad, consistencia y homogeneidad de los datos. Debido a la limitada cantidad de estaciones de aforo disponibles en la zona de estudio, la evaluación de caudales máximos en diversos puntos de la red fluvial requirió aplicar técnicas de extrapolación de datos observados. Para tal efecto, se priorizó el uso de modelos hidrológicos calibrados en forma tal que puedan reproducir adecuados resultados en puntos aforados y reproducirlos a puntos no aforados con un buen nivel de confiabilidad. Por otro lado, la baja densidad de registros pluviométricos y ausencia de registros de variables climáticas requeridas para desarrollar un modelo que relacione las precipitaciones con las descargas, requirieron el uso de diversas bases de datos y productos satelitales con el fin de optimizar, en espacio y tiempo, los registros disponibles de precipitación y suplir las limitaciones de información relativa a las variables climáticas. Entonces se eligieron los datos con estimaciones satelitales de lluvia y evapotranspiración que mejor representen los datos observados conformando una nueva base de datos compuesta de registros convencionales y satelitales. Posteriormente, se seleccionaron puntos de análisis al interior de las cuencas y adecuaron las subcuencas generadas por estos puntos al modelo GR2M para simular caudales mensuales, considerando adecuada una superficie de cuenca mayor a 300 km2. Los registros de caudales máximos en puntos aforados que pasaron la etapa de evaluación se ajustaron a funciones de distribución con la finalidad de determinar su ley de frecuencia. Asimismo, para los puntos no aforados, apoyándonos en los caudales simulados obtenidos de la etapa de modelamiento y a través de un análisis regional a nivel de cuenca se establecieron relaciones entre las curvas de frecuencia de caudales máximos mensuales y máximos diarios. Así se obtuvieron aproximaciones confiables de la probabilidad de ocurrencia de caudales máximos diarios en puntos no aforados, a partir de los cuales se construyeron mapas para los periodos de retorno de 2, 5, 10, 25, 50 y 100 años. Finalmente la tesis concluye con el capítulo 4 donde se presentan las conclusiones generales de la investigación y el trabajo futuro recomendado.

The river’s floods characterization and estimation are indispensable to guarantee the correct performanceand and safety of hydraulic infrastructure. Our country, while located in one of the areas with the highest activity related to extreme hydroclimatic phenomena, requires tools and methods developed for our context and hydrological situations. In this virtue, the main objective of this research is development and application of techniques that allow estimating natural maximum flows, for different probabilities of occurrence, in strategic points of main rivers in the central area of Pacific slope, located in the region named 5a4 in the ”Study of Hydrology of Peru” citep IILA1982. The referred estimations contained in maps allow the sizing of hydraulic infrastructure and the control of risks associated with the maximum flow rates.

It is important to mention that present contribution is different from the usual way of estimating maximum flows in watersheds with few or no gauging stations, complementing existing information with satellite databases, applying conceptual models that represent physical processes and that allow validating the generated information.

The present thesis is distributed as follows. In the chapter 1 general aspects of the investigation that includes the introduction, research problem and objectives are presented; also, the study area is described specifying its physiographic characteristics and aspects of hydrology and hydrography; finally, a brief review of important concepts is made emphasizing aspects used in the methodology for the development of the research.

In the chapter 2 data and methodology that was used in the present work are presented, the first section includes a description of the relevant data of study area such as conventional hydrometeorological information and information about satellite estimations of climatic variables. The second section includes detailed description of methods and procedure from the information collection to the generation of maximum flow maps.

In the chapter 3 the discussion and the results of the procedure are presented, which begins with selection and collection of hydroclimatic stations records in the study area. Subsequently, the records were evaluated using various techniques to verify the data reliability, consistency and homogeneity.

Due to the limited number of gauging stations available in the study area, the maximum flow evaluation at various points in the fluvial network required the application of extrapolation techniques in observed data. For this purpose, the use of hydrological models calibrated in such way that they can reproduce adequate results in gauged points and reproduce them at ungauged points with a good level of reliability was prioritized.

On the other hand, the low density of rainfall records and absence of climatic variables records required to develop a model that relates precipitation and discharge, required the use of various databases and satellite products in order to optimize, in space and time, the available records of precipitation and supply the limitations of information related to climatic variables. The data was then chosen with satellite rainfall and evapotranspiration estimates that best represent the observed data, forming a new database composed of conventional and satellite records. Subsequently, analysis points were selected within the basins and the sub-basins generated by these points were adapted to the GR2M model to simulate monthly flows, considering a basin area greater than 300 km textsuperscript 2 adequate.

The maximum flows records in gauged points that passed the evaluation stage were adjusted to distribution functions in order to determine their frequency law. Likewise, for ungauged points, based on the simulated flows obtained from the modeling stage and through a regional analysis at the basin level, relationships were established between the frequency curves of maximum monthly and maximum daily flows. Thus, reliable approximations of the probability of occurrence of maximum daily flows in ungauged points were obtained, from which maps were constructed for the return periods of 2, 5, 10, 25, 50 and 100 years.

Finally the thesis concludes with the chapter 4 where general conclusions of the investigation and recommended future work are presented.