Dimensionamiento de obras hidráulicas en zonas altoandinas: caso canal de derivación Rumichaca

Abstract

En la presente tesis se aborda la comparación y el impacto en el diseño de obras hidráulicas y en los costos de construcción al usar de tormentas diseño del SCS (Soil Conservation Service). Ahora conocido como Natural Resources Conservation Service, (NRCS), que es la Agencia Gubernamental de los Estados Unidos de América. Además, se emplea tormentas de diseño específicas para los Andes centrales del Perú, utilizando datos de la estación meteorológica San Cristóbal, administrada por el SENAMHI (Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología). La estación San Cristóbal se encuentra en el distrito de Yauli, provincia de Yauli, región Junín, a 4 680 m.s.n.m. y en la vertiente del océano Atlántico, muy próxima a la divisoria continental de aguas. Presenta registros de precipitación horaria entre agosto/2006 a julio/2016, con un vacío de registros entre agosto 2008 a julio 2009. Se verificó la consistencia de la precipitación registrada en la estación San Cristóbal mediante comparación gráfica y análisis de doble masa con estaciones cercanas: La Oroya y Tanta, las cuales se encuentran a menos de 50 km de distancia de la estación San Cristóbal y tienen una diferencia de elevaciones de menos de 500 m con la estación San Cristóbal. En el registro disponible de la estación San Cristóbal se identificaron 5 292 tormentas, bajo el criterio de que dentro de un evento de tormenta los periodos de precipitación nula o cero no deben prolongarse por más de una hora a la vez. Del total de eventos identificados 12% corresponden a eventos con magnitud mayor a 5 mm, y solo 0,4% de los eventos mayores a 15 mm. Es a partir de esta reducida población de eventos sobre la que se realiza el análisis por ser los de mayor magnitud, relacionados a los mayores caudales de escorrentía. Se utilizó el diagrama de bloques alternos de la precipitación normalizada en intensidad y en duración para comparar los hietogramas de las tormentas seleccionadas registradas en la estación San Cristóbal y los hietogramas de las tormentas de diseño del SCS (ahora conocido como NRCS) denominadas Tipo I, Tipo IA, Tipo II y Tipo III, de uso común en nuestro país. De dicha comparación se encontró que los hietogramas normalizados de las tormentas registradas no se ajustan a ninguno de los hietogramas del NRCS, si no que parecen mantener un comportamiento intermedio entre ambos. Se propone un hietograma de tormenta de diseño para la estación San Cristóbal, elaborado en base a las envolventes de los hietogramas de las tormentas registrados, el cual se considera que es aplicable para tormentas entre 12 y 24 horas, para periodos de retorno hasta 10 años. Aplicando el hietograma propuesto de la estación San Cristóbal al diseño de un canal de derivación en la quebrada Rumichaca (L = 1717 m), se obtuvo un caudal que representa el 60% del correspondiente al caudal obtenido si se usara de la tormenta tipo II del SCS. Esto repercute en las dimensiones de las estructuras hidráulicas y en el presupuesto generando costos directos de construcción resultando un ahorro de 0,72 M-US$ (6,11 M-US$ frente a 5,39 M-US$), es decir se genera un ahorro del 11,8 %.

This thesis addresses the impact on the design of hydraulic works and the costs of construction using the SCS storms (Soil Conservation Service, now known as NRCS, governmental agency of the United States of America), and specific design storms for the central Andes of Peru. This project was developed using data from the San Cristobal meteorological station, managed by the Peruvian National Service of Meteorology and Hydrology (SENAMHI). The San Cristobal station is located in Yauli district, Yauli province, Junin region, at 4,680 m a.s.l. in the Atlantic Ocean watershed, very close to the continental divide. It presents hourly rainfall records between August, 2006 and July, 2016, with missing data between August, 2008 and July, 2009. Consistency of the rainfall data registered in the San Cristobal station was verified based on double mass analysis developed with data from nearby stations La Oroya and Tanta, which are less than 50 km away, and have an elevation difference of less than 500 m with the San Cristobal station. Available records from the San Cristobal Station show 5,592 storm events. These events were defined based on the criteria that one storm event is followed by a period of at least an hour of no precipitation. The analysis was carried out on the storm events that had the largest precipitation, and, therefore, the highest runoff flows. From the total defined storm events, 12% correspond to events with cumulative precipitation greater than 5 mm, and 0.4% correspond to events with cumulative precipitation greater than 15 mm. The alternate block diagram of normalized rainfall intensity and duration was used to compare the hyetographs of the selected storm events recorded at the San Cristobal station, and the SCS design storm hyetographs (Type I, Type IA, Type II and Type III), commonly used by designers in Peru. As a result, it was found that the standardized hyetographs of the recorded storm events do not fit any of the SCS hyetographs, but instead, they fall in between the hyetographs Type I and Type II. A design storm event hyetograph for the San Cristobal Station is proposed, based on the envelopes of the hyetographs of the recorded storm events, which is applicable to storm events with durations ranging between 12 and 24 hours, and return periods of up to 10 years. The proposed San Cristobal station storm event hyetograph was used in the design a bypass channel along the Rumichaca Creek (1,717 m longitude), situated at the same elevation and under similar conditions. Based in the analysis, a flow that represents 60% of the flow corresponding to the type II SCS storm hyetograph was obtained, which affects the dimensions and construction cost of hydraulic structures. As a result, savings of direct construction cost were on the order of 11.8%.