El análisis de frecuencias de caudales máximos se utiliza en diseños de puentes pequeños, pontones, box-culverts y alcantarillas. El procedimiento de cálculo tiene los siguientes pasos:
Los métodos más conocidos para cálculo de crecientes son los siguientes:
La aplicación del método requiere de una buena serie histórica diaria de caudales máximos instantáneos.
El análisis de frecuencias de caudales máximos se utiliza en diseños de puentes pequeños, pontones, box-culverts y alcantarillas. El procedimiento de cálculo tiene los siguientes pasos:
Los métodos que se basan en la interrelación lluvia-cuenca-caudal se pueden aplicar en todos los casos. Para su correcta utilización se necesita suficiente información cartográfica, hidrometeorológica, geológica y geográfica de la región donde se localiza la cuenca en estudio.
Para determinar las características de la cuenca vertiente el primer paso consiste en localizar el sitio de interés del estudio en la corriente seleccionada ; luego se delimita su área sobre la mejor cartografía disponible y se miden Area, Longitud de la corriente, Pendiente del cáuce y Pendiente del terreno. Además, se estudian las condiciones del suelo y los cultivos para estimar las condiciones de infiltración.
El aguacero de diseño es el evento que genera la creciente. Su valor es un estimativo basado en estudios de probabilidad y está definido por Frecuencia, Duración, Intensidad y Patrón temporal.
La Frecuencia es una medida de la probabilidad de que el aguacero de diseño sea igualado o excedido por lo menos una vez en un año cualquiera. Así, el aguacero de 100 años tiene una probabilidad del 1% de ser igualado o excedido por lo menos una vez cada año.
La Duración se refiere al tiempo que dura el aguacero de diseño. En cuencas pequeñas este tiempo es aproximadamente igual al Tiempo de Concentración de la cuenca.
La Intensidad media es la relación que existe entre el total de precipitación del aguacero de diseño y la duración del mismo. Si la duración se divide en intervalos, cada intervalo tiene una intensidad propia. Ver Figura No. 3.
El patrón temporal es el hietograma del aguacero de diseño. En cuencas pequeñas se acepta que la intensidad es constante a lo largo del aguacero.
La determinación numérica de la Intensidad se realiza utilizando curvas regionales de Intensidad-Duración-Frecuencia, o curvas IDF. Para este efecto se fijan la Frecuencia y la Duración del aguacero, y se aplica la curva IDF correspondiente.
Entre los métodos que utilizan relaciones lluvia-cuenca-caudal están los siguientes:
Son fórmulas que permiten calcular los caudales de creciente en función de algunas de las características físicas e hidrometeorológicas de cuencas que tienen buena información y pertenecen a una región determinada. Mediante procedimientos de Regionalización pueden utilizarse en cuencas no instrumentadas de la misma región.
El Método Racional se aplica en cuencas homogéneas pequeñas, menores de 10 hectáreas, principalmente para drenajes de carreteras, patios, áreas rurales,etc.
Se representa con la siguiente expresión:
Q = C i A
donde "Q" es el caudal pico de la escorrentía que se genera a la salida de una cuenca de área "A" por efecto de un aguacero de intensidad constante "i", que tiene una duración igual al tiempo de concentración de la cuenca. "C" es el coeficiente de escorrentía; su valor está comprendido entre cero y uno, y depende de la morfometría de la cuenca y de su cobertura.
La fórmula es dimensional, de manera que las unidades deben utilizarse correctamente. Cuando el caudal se dá em m3/s, la intensidad en mm/h y el área en km2, la expresión queda de la siguiente forma:
Q = C i A / 3.6
Las principales dificultades que se encuentran para el uso correcto de la fórmula son dos: La asignación de valores apropiados al coeficiente de escorrentia y la determinación de la intensidad del aguacero.
La selección del coeficiente de escorrentía es subjetiva porque, aun cuando existen tablas y recomendaciones generales, el criterio de ingeniero es definitivo. Por su parte, la intensidad del aguacero se deduce de análisis de intensidad, duración y frecuencia.
La aplicación del Método Racional induce a sobreestimar los caudales de creciente. Por esta razón no se recomienda su uso en cuencas mayores de 1 km2.
Los hidrogramas unitarios, cuando se calculan con buena información, son apropiados para el cálculo de crecientes en obras importantes, como son los aliviaderos de presas de embalse o los puentes grandes.
Un hidrograma unitario es un modelo matemático que representa la respuesta de la cuenca a la acción de una lluvia de exceso unitaria.
La lluvia de exceso es la parte del aguacero que genera escorrentía superficial. Esta lluvia es unitaria cuando representa un volumen unitario de precipitación, por ejemplo 1 mm de lluvia repartida uniformemente sobre el área.
El hidrograma unitario de una cuenca se determina por medio de análisis de lluvias e hidrogramas, o a partir de sus características morfométricas. En este último caso hay estudios realizados por el Soil Conservation Service, SCS, de los Estados Unidos y por investigadores privados como C.O.Clarck, F.M.Snyder, Nash y Taylor, entre los más conocidos.
El Hidrograma Unitario Triangular del SCS ofrece un procedimiento sencillo para el cálculo de crecientes en cuencas pequeñas.
Los siguientes son los pasos que se siguen en la aplicación del método del hidrograma unitario:
- Síntesis de una lluvia de diseño, a partir de un análisis de intensidad-duración-frecuencia de aguaceros de corta duración.
- Determinación de un índice de infiltración característico de la cuenca.
- Cálculo de la lluvia de exceso a partir de la lluvia total de diseño y de la infiltración esperada.
- Determinación del hidrograma unitario de la cuenca.
- Aplicación de la lluvia de exceso al hidrograma unitario.
- Interpretación de los resultados para estimar el caudal pico de creciente.
El método está limitado a cuencas homogéneas.
