scs numeros de curva
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CARACTERIZACIÓN PARAMÉTRICA DE LAS CUENCASD. Jesús López García
Dr. Ing.CCP. YACU, S.L.
D. Pedro Delgado MeliánJefe Sección Datos Hidrológicos del CIATF
Santa Cruz de Tenerife29‐30 septiembre 2009
JORNADAS SOBREHIDROLOGÍA DE SUPERFICIE
EN TENERIFE
5
Segunda Jornada:
GUÍA METODÓLOGICACALCULO CAUDALES AVENIDA
OBJETIVO Y METODOLOGÍA. Número de curva1
2
INDICE
INFORMACIÓN BÁSICA
3 PROCESO DE CÁLCULO
JORNADAS SOBRE HIDROLOGÍA DE SUPERFICIE EN TENERIFE
Segunda Jornada (30-sep-09) Autores: J. LOPEZ GARCIA P.DELGADO MELIAN
Ref.: JHSTF-II-05 (1 de 27)
OBJETIVO Y METODOLOGÍA1
La Guía necesita establecer
cómo se comporta hidrológicamente el terreno
de cualquier punto de la isla
cuando recibe la precipitación (pérdidas)
Factores que determinan el comportamientoVegetación
Características del suelo
Uso del suelo
Pendiente del terreno
Los parámetros permitirán caracterizar en pocas cifras el funcionamiento del suelo
1.‐ OBJETIVO
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Segunda Jornada (30-sep-09) Autores: J. LOPEZ GARCIA P.DELGADO MELIAN
Ref.: JHSTF-II-05 (2 de 27)
Pérdidas: Procesos que reducen la precipitación total que emite la atmósfera a una fracción denominada precipitación eficaz, responsable de la escorrentía
IntercepciónAlmacenamiento en depresionesEvaporaciónInfiltración
Métodos de cálculoConceptuales (Horton, Holtan, Philip, Green‐Ampt)Empíricos (SCS)
1.‐METODOLOGÍA
Estimación de pérdidas de precipitación
• Históricamente se han desarrollado numerosos métodos conceptuales para calcular la infiltración (Horton, Philips, Green‐Ampt) que describen matemáticamente las observaciones. Todos se pueden explicar con simplificaciones de la ecuación de Richards.
• Suponen que existe agua acumulada sobre el suelo y que la intensidad de lluvia es constante. Necesitan como mínimo 2‐3 parámetros para deducir la infiltración.
• Los parámetros son muy difíciles de obtener, no tanto por la dificultad de los experimentos que es necesario realizar, sino sobre todo por el amplio rango que pueden tomar dentro de una misma cuenca
Métodos conceptuales
1.‐METODOLOGÍA
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Segunda Jornada (30-sep-09) Autores: J. LOPEZ GARCIA P.DELGADO MELIAN
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• El Soil Conservation Service (SCS) del Departamento de Agricultura de EE.UU. (1960)
un procedimiento muy simple para calcular la infiltración, basado en consideraciones
teóricas simples y datos de más de 1000 cuencas experimentales tomados en la
década de los 50
• El método fue adoptado inmediatamente por la comunidad internacional y se ha convertido en el estandar de cálculo porque
Utiliza solo un parámetro ‐que se puede obtener de mapas temáticos generalmente disponibles‐
Es relativamente realista
No existe ninguna alternativa realista para la modelación matemática.
1.‐METODOLOGÍA
Método del número de curva del SCS
El método del número de curva del SCSFundamento teóricoCálculo de las pérdidas y de la escorrentíaDatos de partidaObtención del parámetro Modificaciones para diferentes condiciones de humedad antecedenteEjemplo de aplicaciónLimitaciones y problemas asociados al método
■ Variante española: El método de P0
1.‐METODOLOGÍA. Método del número de curva del SCS
Estimación de pérdidas de precipitación
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Precipitación
Volumen de
escorrentía directa
• Grupos de suelos• Uso del suelo• AMC
Distribución temporalde la escorrentía(hietograma)
1.‐METODOLOGÍA
Método del número de curva del SCS
El método se basa en una relación de balancede la escorrentía producida por una tormenta
donde
• F Volumen de agua retenido en la cuenca (pérdidas)
• Q Escorrentía directa (exceso de lluvia)
• S’ Retención potencial máxima del suelo
• P Máxima escorrentía posible (precipitación de la tormenta)
1.‐METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
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Por definición, la abstracción inicial es una fracción de S. Por defecto, si no existe experiencia que lo modifique) se recomienda tomar
Ia = 0.2 S
Como la retención del suelo F es la diferencia entre la precipitación eficaz (P‐Ia) y la escorrentía
F = (P ‐ Ia) – Q
Al sustituir en la ecuación inicial, se obtiene la relación final del método
1.‐METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
La mayor dificultad para aplicar el método es la estimación del máximo potencial de retención de la cuenca S
Para ayudar a estimarlo el SCS desarrolló el concepto de
número de curva NC (adimensional).
La relación entre el NC y S es (en mm)
Donde NC puede –teóricamente- tomar valores entre 0 y 100
1.‐METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
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Los suelos se clasifican por sus características de infiltraciónen 4 grupos hidrológicos (A, B, C, y D)
■ A Bajo potencial de escorrentía, gran infiltración aunque estén saturados. Suelos profundos bien drenados o gravas. Texturas arenosas o areno‐limosas.
■ B Tasas de infiltración moderadas cuando están saturados. Suelos moderadamente profundos o profundos de moderadamente a bien drenados con texturas finas a medianas. Limos.
■ C Tasa de infiltración bajas. Suelos con capas que impiden movimiento vertical.Texturas medio finas a finas. Arcillas limosas.
■ D Alto potencial de escorrentía. Capacidad baja de infiltración. Suelos arcillosos expansivos con nivel freático alto o poco espesor o con materiales casi impermeables.
Una vez determinado el grupo de suelo, el número de curva para condiciones medias antecedentes de humedad se obtiene con el tipo de vegetación, el uso del suelo y la condición hidrológica entrando en las con las tablas del SCS
1.‐METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
Clasificación de suelos
Tabla ORIGINAL del SCS
1.‐METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
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1.‐METODOLOGÍA. Fundamentos del método del número de curva del SCS
Nomograma del SCS
AMC‐I Suelo seco sin llegar al punto de marchitez. Se utiliza cuando apenas se ha producido lluvia cuando cae la tormenta de proyecto
AMC‐II Caso medio de avenidas anuales (promedio de las condiciones de humedad que se dan cuando se produce la avenida máxima anual)
AMC‐III Cuando se produjeron lluvias intensas o lluvias ligeras y temperaturas bajas en los 5 días previos a la tormenta y el suelo está prácticamente saturado.
1.‐METODOLOGÍA. Condiciones de humedad antecedente (AMC)
El número de curva que se obtiene de las
tablas es AMC‐II. Si la humedad del suelo en el
estado inicial difiere de AMC‐II, hay que
modificar el número de curva
Condición Descanso Actividad vegetativa
I < 10 mm < 35 mm
II 10 – 30 mm 35 ‐ 55
III > 30 mm > 55 mm
AMC II
AMC I
AMC III
100
100
100 95
87
98
90
78
96 85
70
94
80
63
91 75
57
88
70
51
85 65
45
82
60
40
78
Precip. acumulada en los 5 días previos a la
tormenta
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S= (25400/70)-254=108.86 Ia=0.2S=21.77 Q = (P-02.S)2/(P-0.8S)
Cálculos de infiltración y escorrentía
0
5
10
15
20
25
30
35
1 2 3 4
Tiempo (h)
mm
Precipitación Infiltración Escorrentía
1.‐METODOLOGÍA. Ejemplo de cálculo (NC=70)
• La Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento ha estandarizado un método de cálculo de pérdidas similar al del SCS para la aplicación normada del método racional (5.2‐IC)
• El parámetro Po (umbral de escorrentía) tiene significado físico, y es equivalente a la abstracción inicial Ia del método del número de curva del SCS
• Para pasar de condición de humedad se introdujo un coeficiente corrector de Po que depende de la localización geográfica (no contrastado en Canarias)
• Las tablas de cálculo de Po son muy similares a las del SCS, pero ‐ al contrario que en el método del SCS‐ los valores de Po son tanto menores cuanto más impermeable es el suelo. La pendiente se utiliza como condición hidrológica.
• Debido a su origen común, existe una correspondencia entre ambos parámetros que permite pasar de uno a otro con facilidad siempre y cuando no se haya efectuado corrección por humedad antecedente
Po= (5000/NC) –50NC= 5000 / (Po + 50)
1.‐METODOLOGÍA. Variante española .Método del umbral de escorrentía
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INFORMACIÓN BÁSICA 2
Para facilitar los cálculos en la Guía, se necesita generar una cobertura de números de curva a partir de las siguientes:
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Coberturas disponibles
MDT de GRAFCANRasterPendientes del terrenoPendientesULL. Dpto de Edafología y Geología
VectorialGrupos hidrológicos del SCSSuelos
ULL. Dpto de BotánicaVectorialEspecies forestales y de vegetación natural
Vegetación
Gobierno de Canarias. Consejería de Agricultura
VectorialCultivos agrícolasCultivos
PIOTVectorialEspacios abiertos en zona urbana
Espacios abiertos
GRAFCANVectorialUsos del sueloOcupación del suelo
Cabildo de TenerifeVectorialRed viaria insularCarreteras
PGOUVectorialZonas urbanas y urbanizables
Urbanismo
ORIGENTIPOCONTENIDOCOBERTURA
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2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras:Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras:Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
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Ref.: JHSTF-II-05 (11 de 27)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras:Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras:Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo
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Ref.: JHSTF-II-05 (12 de 27)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Urbanismo e infraestructuras:Células territoriales urbanas, red de carreteras y usos del suelo: Detalle
Agrupación de cultivos agrícolas:
Cobertura de cultivos
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
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Agrupación de cultivos agrícolas: Detalle del Mapa de Cultivos 1:5000
Cobertura de cultivos
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de vegetación dominanteAgrupación de especies de vegetación potencial:
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
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Cobertura de vegetación dominanteAgrupación de especies de vegetación potencial: Detalle Mapa de vegetación (1:25.000)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de vegetación secundariaAgrupación de especies de vegetación potencial
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
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Ref.: JHSTF-II-05 (15 de 27)
Cobertura de vegetación secundariaAgrupación de especies de vegetación potencial
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
(detalle Mapa de vegetación 1:25.000)
BAJA (<50%)
MEDIA (entre el 50 y el 75%)
ALTA (>75%)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Densidades de vegetación:
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Cobertura de pendientes
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura de pendientes
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Detalle
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Cobertura edafológicaTaxonomía de suelos:
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Cobertura edafológicaTaxonomía de suelos: (detalle)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
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Caracterización de suelosConvenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICO
Velocidad de infiltración
• Selección de zonas representativas de los suelos de la isla: 182
• Medidas de infiltración (método del doble anillo): mínimo 3 por zona
• Pruebas de simulación de lluvia (15): en 11 zonas
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
La caracterización de suelos es base necesaria para la elaboración de la cartografía edáfica, definición de las unidades taxonómicas y unidades cartográficas.
Estudios realizados
Caracterización de suelosConvenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICOLa caracterización de suelos es base necesaria para la elaboración de la cartografía edáfica, definición de las unidades taxonómicas y unidades cartográficas.
Caracterización de suelosConvenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICO
Estudios realizados
La caracterización de suelos es base necesaria para la elaboración de la cartografía edáfica, definición de las unidades taxonómicas y unidades cartográficas.
Caracterización de suelosConvenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICO
Propiedades físicas, regímenes térmicos y de humedad de los suelos Estudios realizados
La caracterización de suelos es base necesaria para la elaboración de la cartografía edáfica, definición de las unidades taxonómicas y unidades cartográficas.
Caracterización de suelosConvenio CIATF‐ULL para la CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS DE TENERIFE CON ESPECIAL INCIDENCIA EN SU FUNCIONAMIENTO HÍDRICO
Resultados de las pruebas de campo
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Curvas de infiltración
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Agrupación de unidades taxonómicas: criterios
Clases de infiltración de Landon (1991)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
Agrupación de unidades taxonómicas: criterios
Clases de infiltración de Landon (1991)
2.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
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Clasificación del mapa de suelos: Grupos hidrológicos del SCS
3.‐ INFORMACIÓN BÁSICA
A Bajo potencial de escorrentA Bajo potencial de escorrentííaa
B Tasas de infiltraciB Tasas de infiltracióón moderadasn moderadas
C Tasa de infiltraciC Tasa de infiltracióón bajasn bajas
D Alto potencial de escorrentD Alto potencial de escorrentííaa
PROCESO DE CÁLCULO3
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Preparación de la malla de número de curva:
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO
• Interpretación de coberturas temáticas de la Isla:
- Agrupación y codificación de elementos específicos de cada cobertura
- Equivalencias entre agrupaciones y las categorías del método original del SCS
• Generación de capas raster para cada mapa temático:
- Mismo formato y coordenadas que MDT
- Basadas en códigos numéricos
• Relleno de capa de número de curva mediante consulta (software) a los valores de la tabla oficial del SCS, en función de las asignaciones realizadas a los elementos de cada capa.
El objetivo es calcular el número de curva del SCS, en condiciones AMC‐II, a partir de la información disponible sobre vegetación, cultivos, pendientes suelos (edafología) y planificación urbanística, generando una malla perfectamente superponible con el MDT
Coberturas de partida y agrupaciones
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Interpretación de coberturas
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3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Interpretación de coberturas
Ejemplo: Capa de cultivos: 37 elementos y 8 categorías homogéneas
Montes18 Montes
Urbano o Viales17 Urbano o Viales
Erial
Cultivo no presente
Abandono Reciente
Abandono Prolongado16 Erial Pastos
Millo
Leguminosas
Cereal varios15 Cereales, Leguminosas o Pastizales
A. Viña‐Papa
A. Viña‐Hortalizas
A. Templados‐Papa
A. Citricos‐Papa
A. Citricos‐Ornamental
A. Citricos‐Hortalizas14 Asociación de
cultivos: leñosos y hortalizas u ornamentales
Montes18 Montes
Urbano o Viales17 Urbano o Viales
Erial
Cultivo no presente
Abandono Reciente
Abandono Prolongado16 Erial Pastos
Millo
Leguminosas
Cereal varios15 Cereales, Leguminosas o Pastizales
A. Viña‐Papa
A. Viña‐Hortalizas
A. Templados‐Papa
A. Citricos‐Papa
A. Citricos‐Ornamental
A. Citricos‐Hortalizas14 Asociación de
cultivos: leñosos y hortalizas u ornamentales
Cód. y Agrupación Cultivo
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Interpretación de coberturas
Equivalencias a tabla del SCS
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3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Generación de capas raster
Tratamiento de la capa de urbanismo:ºLa información urbanística se refunde en una sola cobertura raster• Las células territoriales hacen de tapiz de fondo
3. URBANISMO
• Donde no hay usos urbanísticos, la cobertura queda en blanco
• El refundido (GIS) da como resultado una cobertura raster con códigos
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Generación de capas raster
Tratamiento de la capa de urbanismo:ºLa información urbanística se refunde en una sola cobertura raster• Las células territoriales hacen de tapiz de fondo
3. URBANISMO
• Donde no hay usos urbanísticos, la cobertura queda en blanco
• El refundido (GIS) da como resultado una cobertura raster con códigos
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3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Generación de capas raster
Tratamiento general de las coberturas:
COBERTURA TERRITORIAL
Esquema básico :
• La cobertura de vegetación (tapiz de fondo) da el valor por defecto
• En caso de superposición de contenidos prevalece el valor de la capa superior.
PENDIENTE
SUELOSUELO
PENDIENTE
SUELO
COBERTURA TERRITORIAL
NÚMERO DE CURVA
Determinación de la condición hidrológica a partir de 2 variables:
• Pendiente:‐ Fuerte (>= 3%) ‐ Suave: (<3%)
• Densidad de vegetación:‐ Alta (>=75%)‐ Media (50‐75%)‐ Baja (<=50%)
Desdoblamiento de la cobertura de vegetación en 5 matrices individuales‐ Código de vegetación dominante : CVD‐ Código de vegetación secundaria: CVS‐ Densidad de vegetación dominante (%): DVD
‐ Densidad de vegetación secundaria (%): DVS‐ Ocupación de la vegetación (%): OCU
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Relleno de la capa del número de curva
Condicionantes del cálculo del numero de curva:
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3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Relleno de la capa del número de curva
Proceso de consulta a la tabla oficial (SCS)• Caso general:
• Caso particular: cobertura de vegetación
1. Se lee el código de la celda2. Con el código se deduce la clase asignada del SCS (nº fila)3. Se lee el NC de la fila: inicial de la clase o incrementada, según los casos:
a) El NC no está ligado a la pendienteSe aplica la categoría base correspondiente
en la tabla del SCS con incremento 0
b) El NC depende de la pendiente
Se asigna código a la pendiente y un incremento de fila sobre la base:
c) El NC depende de pendiente y densidad de vegetación
Se asigna código a la pendiente y a la densidad de vegetación
y un Incremento de fila sobre la base:
El NC final se obtiene ponderando NCD y NCS con las densidades de vegetación
Si NCS = 0 NC = NCDSi NCS > 0 y NCD>0 NC = (NCD*DVD) + (NCS*DVS) / ((DVD+DVS)
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Relleno de la capa del número de curva
Lee capa de suelos
¿Celda activa?
Calcula NC con pendiente y tipo de
suelo
Lee capa de urbanismo y pendiente
¿Valor capa urbanismo nulo?
Esquema lógico: cálculo del número de curva en una celda genérica
Lee capa de cultivos
¿Código 9 ó 12 a 16
Lee capas de vegetación
¿Código 1 ó 3 a 8
Calcula NC con pendiente, densidades dominante/ secundaria y tipo de suelo
Calcula NC con tipo de
suelo
Asigna valor nulo
Escribe NC en cobertura
Sí
Sí
Sí
Sí
No
No
No
No
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Malla de números de curva para cálculo
Matriz de datos que utilizan los modelos matemáticos
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Resultado final
3.‐ PROCESO DE CÁLCULO: Resultado final
Número de curva del SCS (AMC‐II)
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