Plan de Trabajo

CONTRATO 0424 DE 2018

REALIZAR LA EVALUACIÓN Y ZONIFICACIÓN DE AMENAZA Y

VULNERABILIDAD (FASE 1) EN LOS CORREDORES DE LOS RÍOS
CALI, AGUACATAL, CAÑAVERALEJO, MELENDEZ, LILI Y PANCE
LOCALIZADOS EN EL MUNICIPIO DE SANTIAGO DE CALI, DEL
PROYECTO 7003 - APOYO A LA GESTION DEL RIESGO EN LA
ZONA URBANA DE SANTIAGO DE CALI”

epam s.a. esp

BOGOTÁ D.C., SEPTIEMBRE 10 DE 2018

 PLAN DE TRABAJO

CONTRATO 0424 DE 2018

“Realizar la evaluación y zonificación de amenaza y vulnerabilidad (fase 1) en los corredores de los ríos Cali, Aguacatal, Cañaveralejo, Meléndez, Lili y Pance
localizados en el municipio de Santiago de Cali, del proyecto 7003 - apoyo a la gestión del riesgo en la zona urbana de Santiago de Cali”

TABLA DE CONTENIDO

1 ALCANCE..................................................................................................................... 1

2 DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES A REALIZAR................................................ 1

3 METODOLOGÍA DE LAS ACTIVIDADES A REALIZAR.............................................. 2

4 CRONOGRAMA............................................................................................................ 3

5 RIESGOS PRINCIPALES.............................................................................................. 3

6 PLAN DE CARGAS..................................................................................................... 34

ANEXOS........................................................................................................................... 40

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Productos y actividades principales del contrato...................................................1

Tabla 2. Resumen de los riesgos, consecuencias y medidas de manejo para reducir su
impacto................................................................................................................................ 3
Tabla 3. Especificaciones técnicas de las actividades a realizar.........................................5
Tabla 4. Canales objeto de topobatimetría........................................................................32
Tabla 5. Canales para levantamiento topográfico con LiDAR...........................................32
Tabla 6. Elementos para la clasificación de elementos expuestos....................................33
Tabla 7. Relación de puentes objeto de estudio................................................................34
Tabla 8. Cuadro general de cantidades de obra................................................................34
Tabla 9. Plan de cargas de personal por costos................................................................35
Tabla 10. Plan de cargas de personal según actividades..................................................35

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Localización área de estudio................................................................................4

Figura 2. Cronograma preliminar.......................................................................................38
 PLAN DE TRABAJO

CONTRATO 0424 DE 2018

“Realizar la evaluación y zonificación de amenaza y vulnerabilidad (fase 1) en los corredores de los ríos Cali, Aguacatal, Cañaveralejo, Meléndez, Lili y Pance
localizados en el municipio de Santiago de Cali, del proyecto 7003 - apoyo a la gestión del riesgo en la zona urbana de Santiago de Cali”
 PLAN DE TRABAJO
“REALIZAR LA EVALUACIÓN Y ZONIFICACIÓN DE AMENAZA y VULNERABILIDAD
(Fase 1) EN LOS CORREDORES DE LOS RÍOS CALI, AGUACATAL,
CAÑAVERALEJO, MELENDEZ, LILI Y PANCE LOCALIZADOS EN EL MUNICIPIO DE
SANTIAGO DE CALI, DEL PROYECTO 7003 - APOYO A LA GESTION DEL RIESGO
EN LA ZONA URBANA DE SANTIAGO DE CALI”

INTRODUCCIÓN

En el presente documento se describirán las actividades a realizar para la ejecución del

proyecto “REALIZAR LA EVALUACIÓN Y ZONIFICACIÓN DE AMENAZA y
VULNERABILIDAD (Fase 1) EN LOS CORREDORES DE LOS RÍOS CALI, AGUACATAL,
CAÑAVERALEJO, MELENDEZ, LILI Y PANCE LOCALIZADOS EN EL MUNICIPIO DE
SANTIAGO DE CALI, DEL PROYECTO 7003 - APOYO A LA GESTION DEL RIESGO EN
LA ZONA URBANA DE SANTIAGO DE CALI”, adjudicado a EPAM S.A. E.S.P mediante el
CONCURSO DE MERITOS ABIERTO CVC No. 15 DE 2018.

1 ALCANCE

El estudio en términos generales comprende la modelación hidráulica de ríos y canales

principales de aguas lluvias en el perímetro urbano de la ciudad de Santiago de Cali, para
que, con tránsitos de caudales asociados a diferentes periodos de retorno, se evalúen y
zonifiquen las manchas de amenaza por inundación. Como insumo para este estudio la
CVC aportará el MDT de la topografía de los corredores de los ríos integrada a la
batimetría de sus cauces. La topografía de los corredores de los canales y los mismos
canales deben integrase en un MDT que debe generar esta consultoría, así como integrar
los dos modelos en uno solo para posteriormente realizar las modelaciones hidráulicas de
los ríos y canales.

El área de estudio está integrada por los corredores urbanos de seis ríos de Cali (Cali,
Aguacatal, Meléndez, Cañaveralejo, Lili y Pance), al corredor del Canal Sur y a los
corredores de los canales que entregan a los ríos objeto del estudio (figura 1).

2 PRODUCTOS A REALIZAR

En la tabla 1 se describen las actividades generales a realizar por producto, y los tiempos
de duración de cada una.

Tabla 1. Productos y actividades principales del contrato.

Producto y Duración
Nombre
subproducto (semanas)
Cronograma y plan de trabajo detallado donde se describa las
Producto 1 1
actividades para alcanzar los objetivos del proyecto.
Realización del levantamiento topográfico (con tecnología
LiDAR) y batimétrico de los principales canales de drenaje
Producto 2 pluvial y posterior generación del Modelo Digital de Terreno – 8
MDT- de alta precisión de los corredores urbanos conformados
por dichos canales.
 Subproducto 2.1 Recolectar, analizar, clasificar y adaptar la información existente 3
Construir y/o complementar la red geodésica de puntos de
 Subproducto 2.2 2
apoyo y control para el proyecto.

4
 Producto y Duración
Nombre
subproducto (semanas)
 Subproducto 2.3 Ejecución de la topobatimetría 3
 Subproducto 2.4 Levantamiento topográfico de canales 2
Toma de fotografías aéreas digitales a color, verticales,
fotogramétricas, recientes de 10 cm de resolución para los
 Subproducto 2.5 5
corredores urbanos de los canales abiertos que aportan a los
ríos de Cali.
 Subproducto 2.6 Levantamiento topográfico y procesamiento de datos LIDAR. 5
 Subproducto 2.7 Generación de modelos y mapas 2
Estudio de las inundaciones históricas de cada uno de los seis
Producto 3 corredores urbanos de los ríos tributarios y de los principales 7
canales de aguas lluvia de Santiago de Cali.
Estudio geomorfológico y de dinámica fluvial de cada uno de los
Producto 4 3
seis cauces de los ríos tributarios objeto de la contratación
Modelación hidrológica de las cuencas de los seis ríos tributarios
Producto 5 y de los principales canales de aguas lluvias objeto de la 3
contratación
Modelación hidráulica de los seis ríos tributarios, del Canal
Producto 6 Interceptor Sur, y de los principales canales de aguas lluvia que 2
descargan sus aguas en los seis ríos tributarios
Estimación, análisis, evaluación y zonificación de la amenaza
Producto 7 por inundación fluvial y pluvial en los corredores urbanos de los 2
seis ríos tributarios objeto de la contratación.
Inventario de elementos expuestos en los corredores urbanos de
Producto 8 los seis ríos tributarios y canales principales de aguas lluvias 2
objeto de la contratación con amenaza por inundación.
Estudio de diagnóstico, estimación y evaluación de la
Producto 9 socavación general y local en los distintos puentes que cruzan 2
los ríos objeto de la contratación.
Producto 10 Informe final. 1

3 ESTRUCTURA GENERAL DEL PLAN DE TRABAJO POR PRODUCTO

En la sección 6 se presenta la descripción y metodología de las actividades a realizar por

producto. Contempla los siguientes elementos por producto:

 Nombre del producto

 Identificación y nombre de la actividad
 Identificación y nombre de las tareas de la actividad a realizar
 Descripción y metodología de cada tarea
 Especificaciones técnicas adicionales para su realización contempladas en los
pliegos y que no estén desarrolladas en la descripción anterior.
 Productos a entregar

4 CRONOGRAMA

En archivo Excel denominado Programación CVC se muestran el cronograma del

proyecto. Se han contemplado dos cronogramas:

- Un cronograma preliminar, a 31 de diciembre, teniendo en cuenta que el contrato

se firmó con esta fecha para el término del contrato.

5
 - Un cronograma real, que responde a la iniciación real del contrato (octubre) 1 y a la
duración real de las actividades programadas.

El anterior cronograma está sujeto a aprobación de la interventoría y de la CVC. Él puede

variar en función del tiempo real de las actividades de aerofotogrametría y Lidar, que son
críticos para las demás actividades (ver sección de riesgos).

Adicionalmente, se propone el siguiente cronograma para entrega de productos por ríos

(ver Anexo de Programación, hoja de Cronograma real):

Ríos oct.18 a oct.25 a nov.01 a ene.24 a ene.31 a feb.07 a feb.14 a feb.21 a feb.28 a
oct.24 oct.31 nov.07 ene.30 feb.06 feb.13 feb.20 feb.27 mar.06
Lilí
Meléndez
Cañaveralejo
Aguacatal
Cali
Pance

5 RIESGOS PRINCIPALES

Los principales riesgos del proyecto, que pueden incidir en su desarrollo, son de dos tipos:

 Riesgos exógenos, es decir, aquellos originados en fuentes externas al proyecto,

sobre los que ni la CVC ni el Consultor tienen responsabilidad.

 Los riesgos endógenos, es decir, aquellos originados al interior del proyecto, los
cuales pueden ser manejados mediante acción conjunta de la CVC y el Consultor.

A continuación se resumen los riesgos, las consecuencias y las medidas de manejo para
reducir el impacto del riesgo.

1
El acta de inicio de suscribió con fecha de inicio del 6 de septiembre, pero en realidad, el plan de trabajo va a quedar en
firme a comienzos de octubre, es decir, que sólo se tendrán tres meses de trabajo en 2018 (de un total de 6 meses
previstos en los pliegos).

6
Tabla 2. Resumen de los riesgos, consecuencias y medidas de manejo para reducir su
impacto.

Origen del Riesgo Consecuencias Medidas de manejo

riesgo posibles
Acordar modificación del
Retraso en el permiso de vuelo Retraso en el
cronograma según el tiempo que
por parte de la Aerocivil para la cronograma.
demore la expedición de los
toma de aerofotografías e Mayores costos para
permisos.
imágenes LiDAR. Consultor.
Acordar manejo del stand by.
Inseguridad en la zona de trabajo Pérdidas económicas
Contratar personal de seguridad.
(atracos o robos al personal del para Consultor
Apoyo de la CVC con autoridades
Consultor durante el trabajo de Retraso en el
de policía para lograr su concurso
campo) cronograma
Exógeno
Apoyo de la CVC con las
Demora en el suministro de
Retraso en el entidades municipales (EMCALI y
información básica por parte de
cronograma otras) y nacionales (IGAC) para el
las entidades
suministro de la información
Acordar modificación del
Meteorología desfavorable para
Retraso en el cronograma según la demora
el vuelo de toma de
cronograma. Mayores causada por el mal tiempo
aerofotografías e imágenes
costos para Consultor atmosférico.
LiDAR (lluvias, nubosidad).
Acordar manejo del stand by.
Recorte del tiempo disponible Dificultad de cumplir Acordar manejo del cronograma
para el proyecto (de 6 meses de las actividades en el entre CVC, Interventoría y
los TDR a 4 meses) tiempo real disponible Consultor
Desmejora en la Consultor debe garantizar que el
Cambio de personal por parte del
calidad de los personal nuevo tenga mejor
Consultor
productos experiencia que el cambiado.
Endógeno
Cambios en la estructura de Modificación de la estructura
Mayores costos
precios del mercado, en especial interna de costos del proyecto, sin
directos.
para aerofofogrametría y Lidar. modificar valor total del contrato.
Demora en respuestas de
Retraso en el Apoyo de la CVC, Interventoría y
documentos o solicitudes
cronograma otras.
internas

7
Figura 1. Localización área de estudio.

6 DESCRIPCIÓN Y METODOLOGÍA DE LAS ACTIVIDADES POR PRODUCTO

8
6.1 PRODUCTO 5. MODELACIÓN HIDROLÓGICA DE LAS CUENCAS DE LOS SEIS
RÍOS TRIBUTARIOS Y DE LOS PRINCIPALES CANALES DE AGUAS LLUVIAS
OBJETO DE LA CONTRATACIÓN

Consta de 1 actividad y 12 tareas, así:

Actividad 5.1 Modelación hidrológica de las cuencas de los seis ríos tributarios y de
los principales canales de aguas lluvias objeto de la contratación

Tarea 5.1.1 Delimitación de áreas hidrológicas del estudio

Descripción

Para la delimitación de las cuencas hidrográficas de los seis ríos tributarios y de los
principales canales de aguas lluvias, limitado por el área de contratación, se evaluarán a
partir de la base cartográfica en formato digital del Instituto Geográfico Agustín Codazzi
escala 1:25.000 o una mayor escala o con información de un modelo de elevación digital
MDT o en su defecto manual, utilizando como herramienta el Sistema de Información
Geográfica (Arc Gis 10.1).

Tarea 5.1.2 Caracterización morfométrica de las cuencas.

Descripción

Una vez acordada la delimitación de cada una de las cuencas se procederá a estimar
cada una de las características morfométricas, utilizando como herramienta el Sistema de
Información Geográfica (Arc Gis 10.1). Para esto se tomarán en cuenta las definiciones
contenidas en la parte correspondiente a su cálculo, dentro de los capítulos que se
establecerán en el presente producto.

Las características morfométricas corresponden a la aplicación de procedimientos que, a

través del estudio de la morfología y geomorfología, caracterizan los rasgos propios de las
cuencas hidrográficas en valores numéricos, los cuales permiten comparar en forma
exacta una parte de la superficie terrestre con otra. Estos parámetros están relacionados
con el régimen hidrológico de una cuenca o microcuenca, ya que es una función compleja
de numerosos factores, entre los que predomina el clima y la forma del terreno en el cual
se desarrolla el fenómeno. Las formas de la superficie terrestre, y en particular su
situación en altitud, tienen influencia decisiva sobre los más importantes factores
condicionantes del régimen hidrológico, como precipitación, escorrentía, infiltración y
formación de depósitos y sedimentos. Los valores morfométricos son fundamentales para
documentar la analogía territorial y establecer relaciones hidrológicas de generalización y
expresan en valores simples las características de paisajes complejos.

Para la caracterización morfométrica se verificaron y se dibujaron las divisorias de aguas

y se calcularon las características morfométricas más relevantes. Dichos parámetros
serán revisados por el SIG, con el fin de evitar inconsistencias en las medidas. Entre los
parámetros a estimar son el área, perímetro, longitud del cauce, pendiente media de los
cauces y parámetros de forma.

Tarea 5.1.3 Inventario de cuerpos de agua

9
Descripción

El inventario es el conocimiento detallado de los cuerpos de agua dentro de la cuenca,

referido a su ubicación, usos, funcionamiento y estado actual y grado de afectación en la
cuenca, cabe mencionar que para la realización de este numeral se partirá de información
secundaria recolectada de las subcuencas, corrientes, lagunas, humedales y embalses de
regulación de cada uno de los sistemas hidrológicos definidos.

Tarea 5.1.4 Estimación del índice de capacidad de infiltración y escurrimiento del

suelo.

Descripción

La estimación del índice de capacidad de infiltración y escurrimiento del suelo se

adelantará por medio de un reconocimiento de campo que permita determinar, con ayuda
de información existente: imágenes aéreas, planos temáticos de uso de los suelos,
levantamientos LIDAR y otros documentos recolectados, que contengan la caracterización
de la cobertura vegetal de las cuencas de estudio y el tipo de suelos superficiales de la
cuenca hasta esta sección para evaluar el parámetro CN.

La selección del valor CN en cada caso, se realiza considerando los siguientes cuatro
parámetros:

 Tipo de suelo hidrológico

 Uso y tratamiento del suelo
 Combinaciones hidrológicas de suelo y vegetación, y
 Condiciones de humedad antecedente a la lluvia de diseño,

La clasificación de los suelos en grupos hidrológicos principales se puede realizar

tomando como base el tipo hidrológico a partir de planos de suelos agrícolas. Si no se
dispone de esos planos, se debe hacer uso de un buen criterio. Usualmente en una
misma cuenca se reportan diferentes tipos de suelos. En ese caso se pueden considerar
por separado, indicando el área ocupada por cada uno de ellos y determinar el valor CN
individualmente para luego ponderarlos y obtener un CN representativo.

Para efectuar una buena clasificación y definir la respuesta hidrológica de los diferentes
suelos, en el documento original del S.C.S. se presenta una lista extensa de suelos
agrológicos pertenecientes a los diferentes grupos hidrológicos. En nuestro medio se
deben utilizar criterios más generales, dado que aún no se han elaborados listas de este
tipo. Por lo anterior, lo usual es aplicar criterios conservadores para compensar la falta de
información y evitar errores por defecto.

Tarea 5.1.5 Recolección, análisis y clasificación de series hidrometeorológicas

históricas

Descripción

La identificación de puntos anómalos (outliers) se realizará mediante la utilización de

diagramas de cajas y bigotes con el objeto de identificar datos atípicos y atípicos
extremos superiores o inferiores en la serie de caudales, identificando posibles errores en

10
la toma de datos o la comprobación de la ocurrencia de los mismos, de toda la
información hidrometeorológica disponible en las estaciones de registro existentes en las
cuencas en estudio y cuencas adyacentes, principalmente las series de tiempo de las
precipitaciones y caudales; para este efecto se investigarán las estaciones hidrológicas y
meteorológicas identificadas dentro y/o cerca de la zona del proyecto y cuya información
será recopilada para el presente estudio. Además, estas estaciones serán consultadas en
la red hidrometeorológica del Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales
– IDEAM o de La Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca – CVC.

Tarea 5.1.6 Determinación del programa de cómputo hidrológico

Descripción

En la actualidad existe una gran cantidad de software que ayuda a realizar modelación
hidrológica continua y/o de eventos; así mismo es importante tener en cuenta que cada
uno de ellos tiene una aplicación (para una gama de casos determinada), lo cual debe ser
tenido en cuenta antes de su selección.

La aplicación del modelo lluvia-caudal para definir las crecientes se inicia con un estudio
detallado de los aguaceros que producen los caudales máximos y se complementa con
una caracterización completa de las cuencas aferentes, para luego culminar con la
construcción de los hidrogramas correspondientes.

Para determinar el caudal generado por la lluvia se aplicará el modelo lluvia-caudal del
Soil Conservation Service de los E.U.A., dado que el método racional sobrevalora el
caudal cuando se usa en cuencas rurales con una extensión superior a 100 ha. Para el
efecto, se definen las áreas aferentes, se selecciona el período de retorno del aguacero
de diseño, se calcula el valor de la tormenta con el período de retorno requerido, se
evalúan los tiempos de concentración, se selecciona el Número de Curva CN, el cual es
un concepto similar al coeficiente de escorrentía y, finalmente, se calculan los caudales de
diseño que serán el insumo principal para la modelación hidráulica.

Tarea 5.1.7 Análisis estadístico de la información de las estaciones.

Descripción

Para el análisis estadístico de la información de las estaciones con datos de caudales

máximos anuales en los cauces, se realizará por medio de obtener los caudales máximos
para los diferentes periodos de retorno seleccionados mediante un análisis estadístico,
considerando las diferentes funciones de distribución de probabilidades (Gumbel,
LogNormal, Pearson III, Log-Pearson III,, etc.) aplicadas a las series de caudales
máximos, con el propósito de seleccionar la que mejor represente el comportamiento de
los datos disponibles partiendo de la prueba de bondad con el Chi Cuadrado.

Cuando no se dispongan los datos de caudal del río y/o caños, se realizará un estudio de
identificación y caracterización de la distribución espacial y temporal de la precipitación
máxima en 24 horas en la zona de estudio, de acuerdo a las estaciones meteorológicas
que se encuentren dentro y/o cercanas a cada una de las cuencas y como el modelo
Lluvia - Caudal del Soil Conservation Service requiere, como insumo, el valor de la
precipitación máxima diaria con un período de retorno (5, 10, 25 , 50 y 100 años)
predeterminado. Para la cuenca se producirá una serie de precipitaciones máximas en 24

11
horas. La obtención de las lluvias con diferentes períodos de retorno se logrará mediante
un análisis de frecuencia utilizando las distribuciones Normal, Log Normal, Pearson Tipo
III, Log Pearson tipo III, Valores Extremos y Gumbel, con el propósito de seleccionar la
que mejor represente el comportamiento de los datos disponibles partiendo de la prueba
de bondad con el Chi Cuadrado.

Tarea 5.1.8 Curvas de intensidad frecuencia duración

Descripción

El modelo lluvia escorrentía a utilizar para este parámetro es el hidrograma unitario del
SCS, el cual requiere una lluvia de diseño proveniente de una estación cercana al
proyecto. Como se menciona anteriormente, la estación seleccionada para los cálculos
debe ser una de tipo climatológica principal con datos de lluvia provenientes de un
pluviómetro, por lo que se requiere utilizar metodologías para la construcción de curvas
IDF sintéticas que provean posteriormente un Hietograma de lluvia.

La curva IDF fue calculada a partir de la metodología planteada por Silva 2. Este método
es empleado cuando no se cuenta con información pluviográfica suficiente en la zona y
requiere de datos de precipitación máxima en 24 horas. Cada curva es expresada
siguiente forma:
a T cr K
I= n
=
( d +b ) ( d +b )n
Donde,
I = Intensidad de la lluvia (mm/h).
a, c = Coeficiente particular para cada periodo de retorno.
d = Duración de la lluvia (min).
b, n = Coeficientes de la zona. b ≅ 10 minutos, n ≅0.5.

El valor numérico de n es del orden de 0,5 y, en general, está comprendido entre 0,5 y
0,6. En el presente estudio se propone el valor de n = 0{.5. La magnitud de b, por su
parte, está comprendida entre 5 y 20 minutos.

Este método requiere realizar una conversión adicional, la cual es una relación entre la
precipitación máxima en 24 h y la precipitación máxima en una hora. Para esto, se puede
utilizar la ecuación de Dick y Peschke:
0.25
d
Pd=Pd24 ∙ ( )
1440
Donde,
Pd = Precipitación máxima para una duración d (mm).
Pd24 = Precipitación máxima en 24 horas (mm).
d = Duración del evento (minutos).

Para la serie de datos de precipitación máxima en 24 horas de la estación de medición, se

calcula la probabilidad de excedencia según Weibull, para determinar de esta manera el
valor de K de la ecuación.

2
SILVA MEDINA Gustavo A. Hidrología básica, pág. 171. 1 ed. Bogotá. Universidad Nacional de Colombia, Facultad de
Ingeniería. 1998.

12
Tarea 5.1.9. Cálculo de caudales

Descripción

El cálculo del caudal de aguas lluvias para los diferentes periodos de retorno se debe
llevar a cabo utilizando un método de generación de hidrogramas, para lo cual se
obtienen los hidrogramas de precipitación efectiva, a través del uso de modelos de
infiltración, con el fin de determinar el hidrogramas de escorrentía directa, haciendo uso
del modelo lluvia- escorrentía.

Debido a las limitaciones que se tienen en las mediciones hidrológicas directas, es

necesario implementar modelos lluvia – escorrentía, los cuales proporcionan una
predicción o extrapolación cuantitativa que puede ser útil en la toma de decisiones,
especialmente en cuencas que no han sido calibradas. Para el cálculo de los hidrogramas
se utilizará el modelo del Soil Conservatión Service (S.C.S.) de los Estados Unidos de
América.

Este método se desarrolló empíricamente por el departamento estadounidense de

conservación de suelos, en el año 1972, con el fin de estimar las abstracciones (las
cuales se refieren principalmente a la intercepción, detención superficial e infiltración)
necesarias a la lluvia total que se precipita sobre la cuenca para obtener la precipitación
de excesos, que luego conformará la escorrentía superficial directa sobre la cuenca.

Figura 21. Variables en el método de abstracciones del SCS.

Fuente: Ven T. Chow, Hidrología Aplicada.

Con base en lo anterior, se puede decir que el exceso de precipitación o la escorrentía

superficial directa es siempre menor o igual a la precipitación total; también que existe una
cierta cantidad de precipitación para la cual no ocurrirá escorrentía y, por tanto, si se le
sustrae esta cantidad a la precipitación total, es posible obtener la escorrentía potencial.

La capacidad de infiltración que tiene el suelo va disminuyendo a medida que pasa el

tiempo, debido a lo cual, al momento de separar la parte de la precipitación de excesos en
el hietograma de precipitación total, se sugiere seguir una curva descendente que refleja
la disminución natural de la capacidad de infiltración.

13
Figura 22. Disminución de la capacidad de infiltración.

Fuente: Ven T. Chow, Hidrología Aplicada.

Dicho método parte de un número de curva de escorrentía (CN), a partir del cual se
calculan las pérdidas en la cuenca de una tormenta, donde se incluyen la intercepción, la
detención superficial y la infiltración. El número de curva varía en un rango de 1 a 100 y
depende de la caracterización de cuatro propiedades productoras de escorrentía de una
cuenca hidrográfica.

Primero se clasifica hidrológicamente el suelo y se determina su potencial de

escurrimiento. Según la tasa de infiltración, la distribución de finos y gruesos y
condiciones de drenaje, se puede establecer si el suelo tiene un potencial bajo,
moderadamente bajo, moderadamente alto y alto.

Igualmente, el método incluye una clasificación del suelo según su uso y tratamiento. El
uso del suelo pertenece a la cobertura de la cuenca asociado a los cuerpos de agua (tipo
de vegetación, tierras en descanso, usos no agrícolas, cuerpos de agua y superficies
impermeables). Por otro lado, el tratamiento del suelo aplica principalmente a los usos
agrícolas y las prácticas mecánicas y de manejo que se utilicen.

La tercera propiedad productora de escorrentía es la condición hidrológica del suelo, es

decir, al porcentaje del área cubierta con pasto natural y la intensidad de pastoreo. Dicha
condición debe ser establecida visualmente y debe ser catalogada como pobre (<50% de
área cubierta y alta intensidad de pastoreo), aceptable (50% – 75% de área cubierta y
media intensidad de pastoreo) y buena (>75% de área cubierta y baja intensidad de
pastoreo).

Por último, se debe contar con la condición de humedad antecedente según las
condiciones de la precipitación total en los 5 días previos a la tormenta de análisis. Esto
puede ser seca (AMC I) con una precipitación acumulada de 0 a 3,6 cm y menor potencial
de escorrentía, promedio (AMC II) con una precipitación acumulada entre 3,6 y 5,3 cm y
húmeda (AMC III) con más de 5,3 cm.

Una vez establecidas estas propiedades, es posible determinar el número CN siguiendo

los cuadros guía de esta metodología. El número CN permite, entonces establecer la
escorrentía directa a partir de las siguientes expresiones:

14
 2
[ CN ((P /R)+2 )−200 ] ; P ≥ R∗
Pe =
CN [ CN ( ( P/ R )−8 ) +800 ] ( 200
CN )
−2 ; R=2.54

Dónde: P: Profundidad de precipitación en cm.

Pe: Profundidad de exceso de precipitación en cm.

Debido a las distintas condiciones del suelo y coberturas, se puede ponderar el valor de
CN respecto al área:
CN bosques∗A bosques +CN Cultivos∗A Cultivos +CN urbana∗A urbana
CNcomp=
Atotal

Las pérdidas iniciales de la lluvia se estiman a partir de la ecuación de hipótesis que

define el método del SCS:
Fa Pe
=
S P−I a
Donde Ia se refiere a las pérdidas iniciales antes del encharcamiento, que a su vez se
definen como:
25400
I a=0. 2 · S=0 .2 · (
NC
−254 )
El tiempo de concentración se define como el tiempo mínimo en el cual la totalidad de la
cuenca está aportando flujo de escorrentía al punto de descarga, determinado por el
tiempo transcurrido desde que el agua que se encuentra en el punto más alejado llega
hasta el punto de control.

El tiempo de rezago corresponde al tiempo comprendido entre el centroide del hietograma

de precipitación efectiva y el pico del hidrograma de escorrentía directa correspondiente.
La experiencia del SCS ha mostrado la siguiente relación típica para estimar el tiempo de
rezago en una cuenca:
tl =0.6·t c
Donde tl = tiempo de desfase de la hoya hidrográfica en horas y t c es el tiempo de
concentración.

El hidrograma unitario de una cuenca es el hidrograma de escurrimiento directo,

producido por 1 unidad (mm, cm, etc.) de lluvia en exceso, que cae con una intensidad
uniforme sobre toda la cuenca durante un tiempo determinado; es un hidrograma típico de
la cuenca, que se relaciona con las características de la cuenca (área, forma, pendiente,
etc.) que son relativamente constantes.

El hidrograma unitario está basado en el supuesto de que precipitaciones de

características similares (en duración, intensidad, distribución, etc.) generan hidrogramas
unitarios parecidos. Por lo tanto, las ordenadas del hidrograma son proporcionales al
volumen de escurrimiento directo.

Si no se cuenta con registros simultáneos de lluvia y escurrimientos, el hidrograma

unitario se realiza a partir de alguna de las características fisiográficas de la cuenca. Para
esta situación se utilizan los denominados hidrogramas unitarios sintéticos, como el
hidrograma Unitario Adimensional del Servicio de Conservación de Suelos (SCS).

15
El SCS de los Estados Unidos propone usar el hidrograma unitario adimensional de la
figura mostrada a continuación, basado en la combinación de hidrogramas unitarios en
diferentes cuencas en Estados Unidos para diferentes condiciones climatológicas y áreas
de drenaje. Para definir el hidrograma unitario adimensional se calcula el caudal pico (qp)
y el tiempo al pico (tp) con las expresiones:

0.208∗A
q p= t p=√ t c +0.6∗t c
tp
Dónde: q pes el caudal pico, en m3/s/mm.
A es el área de la cuenca, en km2.
t ces el tiempo de concentración, en horas.
t pes el tiempo pico, en horas.

Figura 23. Hidrograma Unitario Adimensional del SCS.

Fuente: Ven T. Chow, Hidrología Aplicada.

La forma del hidrograma unitario queda definida al multiplicar los valores de las ordenadas
y las abscisas, que aparecen en la tabla del modelo, por q p y t p. Para la elaboración del
hidrograma se escoge un valor de t/tp y con la tabla se obtiene q/qp. Una vez obtenido
este valor y conociendo qp se halla el valor de q, de la relación t/tp , conocido tp se
despeja el valor de t. Este procedimiento se repite las veces que sea necesario para hallar
los valores de q y t, con lo cual se puede obtener la forma del hidrograma unitario.

Tarea 5.1.10 Modelación hidrológica

Descripción

Con los datos obtenidos se realizar la modelación hidrológica por medio del software
HEC-HMS para obtener los hidrogramas para los diferentes periodos de retorno,
analizando el comportamiento de cada subcuencas, para lo cual se emplearán diferentes
escenarios seleccionados con la entidad que son asociados a distintos períodos de

16
retorno, a la simultaneidad de eventos, a la probabilidad de ocurrencia y a las condiciones
de frontera y así determinar los caudales máximos de las crecientes correspondientes a
los diferentes periodos de retorno.

Tarea 5.1.11 Escenarios

Descripción

Para la creación de los escenarios de modelación se realizará un taller con los expertos
en hidrología e hidráulica por parte del consultor para desarrollar los posibles escenarios,
los cuales se serán presentados en otro taller al Interventor del contrato, el Supervisor de
la CVC y el personal de ingeniería que determine la Dirección Técnica Ambiental de la
CVC, el cual se tendrá como objetivo recomendar, reformar, proponer, observar, los
distintos escenarios propuestos y una vez definidos se debe realizar un acta donde se
indique los escenarios para los cálculos de los caudales.

Tarea 5.1.12 Simultaneidad de eventos

Descripción

Para los eventos simultáneos se analizará los siguientes factores que pueden ser de
importancia para el desarrollo de esta actividad:

- Factores de simultaneidad entre hietogramas. La probabilidad de ocurrencia simultánea

de lluvias extraordinarias sobre la totalidad del área de una cuenca grande es baja,
como los mayores escurrimientos se presentan, en un momento dado, únicamente
sobre cierta región de la misma, esta condición debe tenerse en cuenta para la
definición de caudales para los diferentes periodos de retorno.
- Factores de simultaneidad entre hidrogramas con el fin de analizar la simultaneidad
entre dos cauces.
- Simultaneidad entre hietogramas e hidrogramas con el fin de determinar si
existe desfasamiento y de cuánto tiempo entre las precipitaciones máximas y caudales
máximos.

Productos a entregar de la actividad

a) Informe del estudio de hidrología en donde se describen los procesos para la

determinación de todos los parámetros, generación de escenarios, cálculo de caudales y
soportes técnicos.

• Memorias de cálculo.
• Planos de las áreas de las cuencas y subcuencas y áreas aferentes a los ríos y
canales.

b) Informe de modelación hidrológica para los diferentes escenarios establecidos y

diferentes periodos de retorno.

17
6.2 PRODUCTO 6. MODELACIÓN HIDRÁULICA DE LOS SEIS RÍOS TRIBUTARIOS,
DEL CANAL SUR, Y DE LOS CANALES DE AGUAS LLUVIAS QUE
DESCARGAN SUS AGUAS EN LOS SEIS RÍOS TRIBUTARIOS

Consta de 1 actividad y 4 tareas, así:

Actividad 6.1. Modelación hidráulica de los seis ríos tributarios, del Canal
Interceptor Sur, y de los principales canales de aguas lluvia que descargan sus
aguas en los seis ríos tributarios

Los análisis y estudios hidráulicos tienen como objetivo principal determinar las
condiciones hidrodinámicas (profundidad y velocidad) de los flujos en el cauce y la
planicie de inundación para los eventos hidrológicos correspondientes a los periodos de
retorno seleccionados. En primera instancia se deben seleccionar los tramos de los
cauces, canales pluviales que pueden contribuir a generar las inundaciones en la zona
objeto del estudio. Luego, se deberá realizar un estudio hidráulico básico y una
modelación hidráulica de los cauces y las planicies adyacentes. Los hidrogramas de
caudales y niveles en las fronteras de los cauces que contribuyen a las inundaciones,
obtenidos previamente del estudio hidrológico, servirán como condiciones de borde para
la modelación hidráulica. Los estudios hidráulicos comprenden las siguientes actividades:

Tarea 6.1.1 Recolección, análisis, clasificación y adaptación de información

existente de segundo orden

Descripción

Se realizará la recolección y análisis de toda la información de tipo hidráulico, registros de

aforos líquidos, incluyendo niveles de agua, velocidades del flujo y caudales en las
diferentes estaciones hidrométricas existentes en los cauces de la zona de estudio, series
de niveles y caudales horarios o diarios, curvas de calibración nivel-caudal, determinación
de caudales a banca llena, usos del suelo y cobertura vegetal en la llanura de inundación,
estimación de la rugosidad tanto del cauce como de la planicie.

Además, las estaciones hidrológicas identificadas dentro y/o cerca de la zona del proyecto
y cuya información será recopilada para el presente estudio, serán consultadas en la red
hidrometeorológica del Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales –
IDEAM o de la Corporación Autónoma Regional del Valle del Cauca – CVC.

De acuerdo al análisis y procesamiento de la información recopilada, se establecerá si se

requiere o no diseñar y ejecutar un programa de mediciones de campo para fines de
complementar y actualizar la información existente.

Tarea 6.1.2 Determinación de los coeficientes de rugosidad o de oposición al flujo

(número de Manning)

Descripción

18
Con el fin de representar lo mejor posible la resistencia hidráulica del río se adelantará un
trabajo de campo consistente en analizar la granulometría del material del lecho, los
posibles obstáculos en el propio cauce, las condiciones de las laderas, la presencia de
vegetación y todos los demás parámetros que influyen en este parámetro, el cual se
expresa mediante el coeficiente de rugosidad de Manning y de la observación de una
imagen de satélite geo-referenciada, de los apuntes y fotos de campo, tablas tomadas de
Chow (2004) e imágenes de Barnes (1967) y proceder o a estimar los valores de la n de
Manning para cada sector.

El coeficiente de resistencia se determinará con la siguiente expresión, similar a la de

Cowan (Ochoa, Tomás. 2002):

n=( n0 +n1 + n2 +n 3 +n 4 + n5 +n 6 ) m1⋅m2

n0 - Valor de n para un río recto y prismático que considera sólo la textura del lecho
n1 - Valor de n por efectos del relieve del lecho creado por las microformas
n2 - Valor de n debido al tamaño y a la forma de la sección transversal
n3 - Valor de n debido a las irregularidades de la sección transversal
n4 - Valor de n debido a las variaciones de tamaño y forma de la sección
n5 - Valor de n asociado a las obstrucciones al flujo
n6 - Valor de n por vegetación
m1 - Factor correctivo relacionado con el transporte de sedimentos
m2 - Factor correctivo por la presencia de curvas o meandros en planta

Tarea 6.1.3 Selección del modelo hidráulico

Descripción

Los modelos bidimensionales, son aplicables en la hidráulica fluvial cuando los

fenómenos de avenidas o crecientes ocurren, ya que en un cauce es habitual que el
comportamiento hidráulico no se restrinja a la centrolínea unidireccional de un canal
principal (entre bancas o eje ecológico principal), sino que se desborde ocupando las
márgenes y la llanura de inundación; es por eso que las simplificaciones de los modelos
1D no permiten captar adecuadamente el comportamiento de los flujos secundarios
perpendiculares a la dirección de avance del canal principal, ya que dejan de lado las
zonas de recirculación, presentes también al emplazar estructuras trasversales al cauce,
(Bladé, 2009); (Herrero y Isidro, 2009). Existen otras situaciones que también son más
adecuadas para la modelización bidimensional como son:
- La confluencia de dos cauces
- El cruce de dos corrientes de agua
- El flujo en un cauce ancho e irregular
- Los flujos alrededor de estructuras
- Derivación de flujo en cauces trenzados
- Cauces compuestos
- Curvas pronunciadas o los entornos urbanos

Las ecuaciones de Saint Venant bidimensionales se obtienen a partir de las leyes físicas
de conservación de la masa y de la cantidad de movimiento, junto con la primera y
segunda leyes de la termodinámica, donde se estable que fluido es isotrópico llegando así
a las ecuaciones de promediadas de Reynolds y Navier-Stokes (3D), las cuales
descomponen las velocidades instantáneas del flujo en un promedio temporal más sus

19
fluctuaciones, (Launder y Spalding, 1974, Ferziger y Perić 2002; Pope, 2001), Como se
mencionó a la hora del cálculo de flujos complejos, el valor de las variables cambia poco
en una misma vertical, permitiendo simplificar las ecuaciones Navier-Stokes a dos
dimensiones mediante un promedio vertical de las ecuaciones tridimensionales, (Bladé,
2009; Launder y Spalding, 1974; Ferziger y Perić 2002; Pope, 2001) . Para poder hacer
esta simplificación se consideran las hipótesis siguientes:
- La profundidad de la lámina de agua h debe ser considerablemente menor, con
relación a las otras dimensiones (x, y).
- La Distribución hidrostática de presiones en la vertical, es decir que se debe cumplir
que la curvatura de las líneas de corriente sea pequeña, haciendo que componentes de
la velocidad y aceleración en el eje z sean despreciables.
- Pendiente de canal debe ser baja.

Los modelos hidrodinámicos del mercado

La selección del modelo hidráulico requiere del conocimiento de las condiciones

geométricas e hidráulicas del flujo, caracterizando el tramo de estudio y las implicaciones
que este tiene a la hora de ser usado como herramienta de toma de decisiones. Es
pertinente establecer cuáles son los requerimientos de la herramienta que guarde
similitudes y analogías que permitan entender el objeto cognitivo o de estudio, para lograr
la mayor certidumbre en los resultados a obtener.
Por ende, es preciso por parte del modelador tener el conocimiento del planteamiento
físico y matemático de las ecuaciones de gobierno, para un adecuado análisis de
resultados y una posterior selección de alternativas de solución al problema, donde
deberá sopesar los costos de implementación, la información disponible y su estado, la
complejidad del entorno y el tiempo que se destine para estudiar el fenómeno ya que de
estos últimos dependerá el modelo, la profundidad del análisis y realizar una correcta
calibración bajo un modelo estable.
Actualmente es muy común que los problemas alrededor de la hidráulica fluvial se traten
con modelos matemáticos por ser más económicos y versátiles que otras modelaciones
como la física o la análoga, llevando así una inercia en el desarrollo de códigos, que
permitan tener un volumen mayor de datos con ecuaciones más complejas. Es por lo que
institutos científicos públicos y privados, universidades y afines, alrededor del mundo
centran sus estudios en desarrollar programas que puedan representar de forma
aproximada, los complejos procesos fluviales. Como se ha apuntado, estos modelos,
unidimensionales o bidimensionales, son muy cómodos de utilizar, dependido de interfase
de interacción con el usuario en las etapas de pre proceso, proceso y post proceso,
dependiendo si es un código abierto, de uso libre o comercial, donde hay que ver si sus
esquemas numéricos están en constante evolución y desarrollo; lo último de pende de la
acogida de una comunidad investigativa grande, un musculo financiero adecuado e
inversiones de mercadeo que lo distribuyan y acrediten.

Por lo tanto, se deben establecer criterios de selección de un modelo de simulación

hidráulico, acorde el objeto cognitivo. A continuación, se proponen los siguientes (Pena,
2011):

1. La selección del código tiene que ir de la mano de un protocolo de modelación

matemática, que no es más que una serie finita de pasos ordenados, que enmarquen el
proceso de modelación en una secuencia lógica, de acciones orientadas a la obtención
de un resultado de calidad deseada (Domínguez, 2011). En las etapas a establecer se
escoge el modelo, acorde a los tiempos estipulados para la ejecución de la tarea, ya

20
 que puede que ya este programado, si es comercial hay que evaluar el costo de las
licencias y cuantos módulos y número de elementos son habilitados para el usuario ó si
el mismo esté disponible a través de la Internet y sea un código abierto (Open Source)
o de uso libre, pero con retenciones a la estructura del código. Si no existen códigos
desarrollados, o los existentes no se ajustan al modelo, hay que plantear una etapa
dispendiosa y de gran conocimiento físico y de programación y es la de la formulación,
codificación y verificación numérica del código a desarrollar. Esta es la etapa más
decisiva a la hora de seleccionar un modelo.

2. Dimensionalidad de la ejecución del modelo, que va acorde a lo descrito en las

secciones anteriores, y lo define la complejidad del sistema hidráulico, el nivel de
detalle y la información disponible, el tiempo establecido y el acceso a elementos
computacionales idóneos para la tarea, ya que el aumento de dimensionalidad (1D, 2D
y 3D), incrementará los costos de ejecución.

3. Capacidad del modelo en determinar las variaciones temporales, es decir si permite

análisis en flujo permanente o no permanente, ya este último permite ajustarse mejor a
los comportamientos de ríos de montaña con pendientes y velocidades altas, recrear
mejor los cambios de régimen, establecer mejor el comportamiento de para la
delineación de las planicies de inundación en sistemas loticos, lenticos en sus planicies
de inundación y estructuras de almacenamiento y atenuación de crecientes como
embalses, debido a que el almacenamiento en dichos altera la forma y el caudal pico
del hidrograma de crecientes a medida que el flujo pasa a través de él. Cabe
mencionar que los modelos de uso libre, código abierto y comercial solucionan las
mismas ecuaciones de gobierno, puesto que su diferencia va estar dada en la admisión
de otros módulos, como por ejemplo el trasporte de sedimentos, contaminantes, entre
otros.

4. La precisión y confiabilidad del modelo, tiene relación directa con el método numérico y
la formulación matemática, es decir la habilidad de las ecuaciones discretizadas para
definir aproximar correctamente el fenómeno, donde mayor complejidad no se traduce
a mayor precisión. Cabe mencionar que la confiabilidad de un modelo no depende de
este si no de los conocimientos del modelador, donde claro está que si dicho modelo
tiene una gran acogida y casos exitosos de implementación permite dar un parte de
seguridad del mismo.

5. Versatilidad de la plataforma computacional, referente a la facilidad que ofrece el

paquete computacional para el ingreso de información a la hora de implementar un
modelo. Esta parte operativa enfatiza en los niveles de proceso y post proceso en las
labores de introducción de datos, operación de archivos y manejo de resultados.
Normalmente algunos paquetes tienen módulos CAD simples para facilitar la
implantación del dominio computacional bien sea por secciones topobatimétricos
generando complemento con programas externos o implementadoalgoritmos de
generación de malla que ayuden al usuario facilitando tareas.

6. Interfase gráfica o GUI (Graphical User Interface) de salida, son módulos acoplados al
programa mismo o externos que permiten el análisis de la información resultante del
proceso, como niveles de lámina de agua, velocidades, caudales, entre otros, a lo largo
del dominio definido. Algunos integran Sistemas de información Geográficos simples
(SIG), que entregan la información a paquetes más robustos para análisis más
complejos

21
Los modelos de inundación pueden tener diferentes formas de clasificación, como las
descritas, donde prevalece las diferencias en el tipo de malla, en el método y el modelo
numérico de aproximación, en las posibilidades de conexión con otros modelos o la
facilidad de conexión con herramientas de Sistemas de Información Geográfica (SIG) u
otras, en la facilidad de uso o de aprendizaje, en la velocidad de cómputo, en las
condiciones de contorno, en la cantidad y calidad de presentación de resultados, etc.

De acuerdo a lo anterior, se seleccionará el modelo matemático bidimensional HEC-RAS

2D aplicado en la región, que permite representar adecuadamente las diferentes
características topográficas y batimétricas de las corrientes de estudio (incluyendo el
cauce principal y la llanura de inundación) y simular los procesos hidrodinámicos, en el
cual se entregará una descripción detallada de los principios en los que se basa el
procesamiento automático de información, así como una descripción de los datos de
entrada y salida del proceso (Modelación hidráulica, en medio físico y magnético). Los
datos entregados deberán permitir a la Interventoría la revisión de las simulaciones.

Tarea 6.1.4 Modelación hidráulica

Descripción

Los modelos hidrodinámicos se clasifican como modelaciones matemáticas, los cuales

constituye un método cognoscitivo en el que el objeto de estudio o cognitivo (río,
humedales, quebradas, entre otros) es reemplazado con otro, llamado modelo (imagen
matemática) que cumple con relación al primero unas condiciones de analogía y
semejanza, es decir que hay una equivalencia entre los resultados del modelo y el tramo
del objeto de estudio (Domínguez, 2011), lo anterior se implementa mediante un algoritmo
lógico – numérico, ejecutado por un ordenador, permitiendo así estudiar la cualidades del
proceso original (Domínguez, 2011; Pena, 2011).

Partiendo de lo anterior, los modelos hidrodinámicos guardan esa analogía y semejanza

con los cuerpos de agua superficial tanto loticos como lenticos y que permiten estimar la
delimitación de la amenaza de inundación en áreas adyacentes a los mismos y
susceptibles a este fenómeno, relacionando los caudales circundantes (producto del
modelo hidrológico establecido) al eje ecológico principal y planicies de inundación, que
asocian a su vez un campo de alturas de lámina de agua y un campo de velocidades.
(Ashley et al., 2005). Dichos modelos cuando se usan para la gestión del riesgo de
inundación y en general el entendimiento hidrodinámico del tramo de simulación, se
establece una serie de aproximaciones sucesivas mediante la modificación del dominio
computacional (diferentes áreas de inundación), variaciones en el refinamiento de malla y
geometría, relacionando lo anterior a diferentes periodos de retorno y planteamiento de
escenarios futuros, asociados con cambios en las variables ambientales y geométricas del
medio. (Ven T Chow, 1994; Ashley et al., 2005; Middelkoop et al., 2004; Gonzalo, 2011;
Pena, 2011).

Dichos modelos matemáticos pueden clasificarse en primera instancia según tres

criterios, (Domínguez, 2011), como se menciona a continuación:

 El primer criterio se base en la capacidad del modelo en tener presente la

incertidumbre del proceso, diferenciándolos en modelos determinista, el cual sus
valores de entrada y parámetros definirán un conjunto finito de valores de salida,

22
 asumiendo un control del proceso de análisis y su aplicación al problema directo. Caso
contrario son los modelos estocásticos, que a cierto conjunto de datos de entrada le
corresponden diferentes conjuntos de salida con una probabilidad de ocurrencia, por lo
que la variable de estado es de carácter aleatorio
 El segundo criterio se centra en la capacidad del modelo en determinar las
variaciones temporales (evolución) del proceso de análisis, de ser así estaríamos
hablando de un modelo dinámico o no estacionario, en los que el tiempo es una
variable independiente. Si el modelo carece de esa propiedad hablamos de un modelo
estático o estacionario.
 El tercer criterio analiza el número de dimensiones en las que se soluciona la variable
de estado y los parámetros del modelo. Si la estructura del modelo matemático solo
tiene presente los cambios en una dimensión, como es el caso del tiempo, estaremos
hablando de modelos aglutinados, mientras que, si las soluciones tienen en cuenta dos
o más dimensiones, estableciendo los cambios de las variables en el tiempo en una
coordenada o dos, definiendo esto como modelos distribuidos.

Centrando el interés a modelaciones de la propagación de avenidas en ríos la estructura

del modelo se centra en resolver las ecuaciones del flujo variable en lámina libre o
ecuaciones de Saint Venant, las cuales se deducen las ecuaciones de las leyes físicas de
conservación de un fluido (Bladé, 2009). Dichos modelos parten de la simplificación del
problema y eso repercute en las ecuaciones de gobierno que tienen una precisión
adecuada y minimizan el costo computacional, ya que dichas ecuaciones parten de las
establecidas por Navier – Stokes, las cuales describen el movimiento instantáneo y las
variables medias del teorema de Reynolds y su discretización es tridimensional a lo largo
del dominio de estudio. Las simplificaciones se centran primordialmente en integrar la
profundidad de las ecuaciones Reynolds, eliminado la dimensión vertical, obteniendo las
ecuaciones en dos dimensiones (2D); el siguiente paso es llevarlas a una dimensión (1D),
siendo ecuaciones más simples que pueden representar el movimiento de la onda en no
permanente.

Los modelos desarrollados por lo general tienen una relación en la permanencia de los
caudales modelados en función del tiempo (permanente y no permanente), dado la
discretización del esquema numérico que utilicen, dando una versatilidad de los mismos
en el segundo criterio de selección descrito, ya que los análisis pueden simplificar el
problema (permanente) o aproximando al mismo, al momento de una modelación de
crecientes, ya que las corrientes con una pendiente y velocidad alta, como es el caso de
las corrientes lóticas o de montaña, pueden conservar la consistencia en pequeños
intervalos de tiempo, (Pena, 2011; Bladé, 2009).

Paralelamente, el tercer criterio de selección es el que mayor incidencia tiene a la hora de

diferenciar este tipo de modelos, en donde el objetivo final es la resolución conjunta de las
ecuaciones de gobierno en 1D o 2D, encontrando el balance entre la lógica del problema
a describir, su precisión y costo.

Teniendo en cuenta que existe una variedad de procesos según el tipo de modelo, la
selección depende de la escala espacial y temporal de la modelación. En cuanto a la
escala temporal, entre más grande sea el paso de tiempo es más sencilla la descripción
de los procesos hidrológicos. Al contrario, la modelación de los procesos a un paso de
tiempo corto, necesita una descripción de los procesos más complejos (Gnouma 2006).
La selección del modelo está condicionada principalmente a los objetivos del estudio y a
la disponibilidad de la información. Otros criterios que inciden en la selección del modelo

23
son: los recursos económicos, técnicos, computacionales y el tiempo disponible para
llevar a cabo el estudio

Para desarrollar el proceso de modelación hidráulica, el cual se incluirá: esquematización

del sistema fluvial (cauces y planicie), implementación en el modelo, análisis de
sensibilidad, calibración, verificación y modelación de alternativas de protección y manejo
de inundaciones para diferentes escenarios hidrológicos. Una vez calibrado y verificado el
modelo hidráulico, se procede a realizar las diferentes simulaciones que permitirán
generar las condiciones hidrodinámicas en los cauces y en la planicie, especialmente los
niveles y velocidades del agua y la extensión de las áreas inundadas, para los diferentes
eventos hidrológicos asociados a los periodos de retorno preestablecidos. Se va
determinar la velocidad, dirección, profundidad del flujo y tiempo de permanencia en el
cauce y las llanuras de inundación. El desarrollo del proceso va a incluir:

Esquematización: Consiste en definir y precisar la representación del sistema fluvial en el

modelo. En él se seleccionan tanto el espaciamiento como las secciones transversales del
cauce y la planicie que mejor representan la batimetría y la topografía, respectivamente,
se define el tamaño de las celdas de la malla computacional para representar
convenientemente la topografía de toda el área de estudio. Para ello primero se definen
las longitudes de los cauces a modelar y se delimita de manera precisa la extensión del
área a modelar. Es conveniente señalar aquí la necesidad de ubicar los extremos o
fronteras.

También se definen en la etapa de esquematización las condiciones hidrodinámicas en

las fronteras del modelo; igualmente se definen los valores de la rugosidad de los cauces
y de la llanura de inundación, la viscosidad turbulenta o alguna ecuación para
determinarla, según los recursos disponibles en el mismo modelo.

 Implementación del modelo. La implementación del modelo consiste en suministrar al

modelo la siguiente información:

1. Información física esquematizada anteriormente según los requerimientos y

herramientas disponibles en el mismo.
2. Definir la topografía en el modelo hidráulico mediante el modelo digital de terreno
(MDT).
3. Incluir dentro en el modelo todas las estructuras hidráulicas (alcantarillas, puentes,
sifones invertidos, diques, etc., que afecten los flujos principales) que se
consideren de influencia para el flujo de caudales.
4. Los valores de los parámetros físicos (rugosidad, viscosidad turbulenta en todos
los tramos y celdas del modelo.
5. Las condiciones hidrodinámicas en las fronteras del modelo, generalmente las
hidrógrafas de caudales en las fronteras superiores de los diferentes cauces en el
área de estudio, y la curva de calibración nivel-caudal o las hidrógrafas de niveles
en las fronteras inferiores o de salida del modelo.
6. Finalmente se seleccionan los parámetros numéricos del modelo. Principalmente
el intervalo de tiempo computacional y el espaciamiento máximo en los cauces.
Estos parámetros se establecen teniendo en cuenta diferentes aspectos, tales
como, el grado de detalle o resolución requerido en los resultados del modelo, el
tiempo computacional (no debe ser excesivamente grande) y especialmente,
garantizar la estabilidad numérica del modelo y la precisión de los resultados. En
este sentido, cada modelo matemático define, dependiendo del tipo de esquema

24
 numérico adoptado para resolver las ecuaciones hidrodinámicas, las condiciones
que deben cumplirse para garantizar su estabilidad numérica; por ello, siempre
debe chequearse el estricto cumplimiento de las mismas. Una vez concluido este
proceso se realizan la primeras corridas o simulaciones en el modelo, siguiendo,
preferiblemente y en su orden, las etapas de análisis de sensibilidad, calibración,
verificación y explotación o aplicaciones del modelo para generar finalmente los
niveles de agua y las condiciones hidrodinámicas para los eventos hidrológicos de
interés del estudio, es decir, las crecientes correspondientes a los diferentes
periodos de retorno seleccionados.

 Análisis de sensibilidad: Previo a la calibración del modelo, se hace un análisis de

sensibilidad que consiste en identificar los parámetros más sensibles ante cambios
pequeños en sus valores; con esto se logra ser más eficiente en la calibración. En esta
etapa se busca encontrar los parámetros que tienen mayor peso o relevancia en la
calibración del modelo (IDEAM 2017). Los cuales se realizarán las pruebas con
cambios en los datos de entrada, y establecer qué tanto cambia los niveles de agua,
las profundidades, las velocidades del flujo y los caudales que te arrojando el modelo
hidráulico.

 Calibración del modelo: En esta etapa se evalúa la capacidad del modelo para
representar el o los fenómenos de interés; para esto, se emplean los datos históricos y
la información previamente procesada. En esta tarea se evalúan los criterios con el
objeto de evaluar el desempeño del modelo comparando valores observados y
simulados (IDEAM 2017). Por lo tanto el objetivo de la calibración es, reproducir los
procesos hidrodinámicos (niveles, velocidades, caudales, profundidades) en el sistema
para una condición dada real, (disponiendo de datos e información de campo) a través
del ajuste o modificación de los parámetros físicos y numéricos dentro de rangos
físicamente válidos. Para fines de calibración y ajuste de los parámetros físicos y
numéricos del modelo se utiliza la información y los registros disponibles de crecientes
e inundaciones históricas (niveles de agua, caudales, áreas inundadas).

 Verificación del modelo: El termino validación no necesariamente denota el

establecimiento de la verdad. Preferiblemente denota el establecimiento de legitimidad
típicamente dada en términos de argumentos, métodos y convenciones (Merriam
1963). La validación permite corroborar el desempeño del modelo en un contexto
espacio – temporal diferente al de la calibración; ésta puede ser espacial (en un punto
diferente de donde se calibró), temporal (empleando series con un periodo de tiempo
diferente al calibrado) y espacio – temporal (en un punto y en un periodo diferente a los
empleados en la calibración); en todos los casos anteriores, se corre el modelo ya
calibrado (IDEAM 2017). En síntesis, el modelo se calibrará y verificará para todos los
periodos y condiciones hidrológicas que se consideren importantes en el estudio.

 Aplicaciones del modelo: Una vez calibrado y verificado el modelo hidráulico, se

procede a realizar las diferentes simulaciones que permitirán generar las condiciones
hidrodinámicas en los cauces y en la planicie, especialmente los niveles y velocidades
del agua y la extensión de las áreas inundadas, para los diferentes eventos
hidrológicos asociados a los periodos de retorno preestablecidos. Para cada periodo de
retorno se introducen al modelo las hidrógrafas de caudales correspondientes.

También se debe realizar la modelación hidráulica entre los empalmes de dos caudales
sean de ríos o canales, considerando el efecto de remanso en dicho empalme, esto

25
 con el objeto de además de considerarlo en la modelación, sirva para aportar la
información necesaria en las recomendaciones finales.

 Condiciones de frontera: Se realizará la definición de las condiciones de frontera para

las cuencas en estudio, en especial la condición de frontera en los diferentes sitios de
entrega de los canales y ríos a los ríos Cauca, Canal Sur y Rio Jamundí y Rio Cali
considerando el efecto de remanso, en las fronteras de inicio se deberá definir los
caudales que llegan a estos puntos de acuerdo a los resultados del modelo hidrológico.

 Elaboración de los mapas de inundaciones: Con ayuda de la herramienta del Sistema

de Información Geográfica (Arc Gis 10.1), se definirán los límites de inundación y las
representaciones graficas de la mancha. La representación gráfica de la mancha de
inundación, además de la extensión se realizarán los mapas de la profundidad de la
lámina y velocidades de flujo.

Productos a entregar de la actividad

Cantidad de obra: 47,87 km de los 6 ríos de Cali y el canal Interceptor Sur, y 44,09 km de
los canales principales que descargan sus aguas en los anteriores.

El informe de modelación hidráulica constará de:

• Informe de la modelación hidráulica de ríos y canales pluviales principales

• Memoria de cálculo

• Mapas de cada rio y sus canales con información SIG para cada uno de los periodos
analizados indicando el límite del área de inundación, su profundidad y velocidad del
flujo, agrupadas en los rangos escogidos.

26
6.3 PRODUCTO 9. ESTUDIO DE DIAGNÓSTICO, ESTIMACIÓN Y EVALUACIÓN DE
LA SOCAVACIÓN GENERAL Y LOCAL EN LOS DISTINTOS PUENTES QUE
CRUZAN LOS RÍOS OBJETO DE LA CONTRATACIÓN.

Consta de 1 actividad y 2 tareas, así:

Actividad 9.1 Estudio de diagnóstico, estimación y evaluación de la socavación

general y local en los distintos puentes que cruzan los ríos objeto de la
contratación

Tarea 9.1.1 Cálculo de la socavación general

Descripción

Con la información de la profundidad de socavación existente, los cortes transversales,

fotos (información suministrada por la CVC), se clasificarán los puentes de acuerdo a la
magnitud de la socavación encontrada.

Aquellos que presenten una socavación alta, se les debe determina la profundidad de
cimentación de la estructura, mediante medición en sitio con perforación o investigación
del proyecto de construcción del puente (información secundaria), con esta información se
determinará que puentes se encuentran afectados por una socavación riesgosa y se
deberá recomendar para cada caso, el tipo de obra que permita un control de la
socavación.

Para la determinación la profundidad de cimentación de la estructura de las estructuras en

riesgo se calculará manteniendo la configuración del cauce y en general las condiciones
actuales del área de estudio, esta Consultoría realizará la modelación hidráulica, los
cuales se estimaran los parámetros necesarios para estimar la socavación de la corriente
en cada uno de los puentes, para así valorar los efectos que esta trae en el
comportamiento hidráulico y en especial en la socavación del cauce (socavación general)
y en la socavación en los puentes (socavación local) (Ver tabla 4 relación de puentes).

Cálculo de la socavación general

La erosión general o socavación general consiste en el descenso generalizado del fondo

del canal como consecuencia de una mayor capacidad de la corriente para arrastrar y
transportar el material del fondo durante el paso de una avenida y de la diferencia entre la
capacidad de transporte que se tiene entre dos secciones consecutivas al pasar una
avenida. La socavación en el tramo, definido por esas secciones, ocurrirá siempre que el
volumen de sedimento transportando en la sección de aguas abajo, en un tiempo dado
sea mayor que el que entre al tramo por la sección aguas arriba en el mismo periodo.

Para la estimación de la socavación general se emplearon las metodologías de Lischtvan

– Lebediev descrita en el documento "Socavación en Cauces Naturales" de J.A. Maza A y
por la Metodología de Maza Álvarez descrita en el Manual de drenaje Vial.

Cabe destacar que las variables hidráulicas utilizadas para el cálculo de la Socavación
General fueron tomadas directamente de los resultados del modelo hidráulico.

27
La estimación de la magnitud de socavación en lugares de ponteadero contempla los
siguientes aspectos:

- Determinación del caudal del cauce correspondiente a un evento máximo probable

para un periodo de retorno de 100 años.
- Modelación de la corriente en el sitio de ponteadero, con la definición de secciones
transversales de acuerdo con la magnitud del cauce. La geometría de cada modelo
hidráulico y sobre la batimetría realizada. A partir de esta modelación hidráulica, se
obtiene el valor de la altura de la lámina de agua para el caudal calculado.

a.1. Lischtvan – Lebediev

A continuación, se presenta las ecuaciones para la metodología Lischtvan - Lebediev,

tanto para suelos granulares como para suelos cohesivos:

 Suelos granulares:
1
α .H 5

( )
1+x
3
0
ys=
0 . 68 β⋅d 0. 28
m

 Suelos cohesivos:
1
α.y

( )
5 1+x
3
0
ys=
0 . 6⋅βγ 1 .18
d
Dónde:
y s : Profundidad del flujo después de ocurrida la socavación. (m)
y 0 : Profundidad inicial existente en una línea vertical predeterminada de la sección
medida desde el nivel del agua cuando pasa la creciente, hasta el nivel del cauce antes
del proceso de socavación. (m)
d m : Diámetro medio de las partículas del material granular, en mm. El valor proviene
de la curva granulométrica hallada para cada cauce.
γ d : Peso volumétrico seco del material cohesivo, (t/m3).
β : Coeficiente de paso, que depende de la frecuencia con que se repite la avenida
que se estudia, obtenido de la tabla I del libro "Socavación en Cauces Naturales" de J.A.
Maza A.
α : Coeficiente con valor:
Qd
α=
μ . Be . H 5
3
m

Qd : Caudal de diseño correspondiente a un periodo de retorno de 100 años en m3/s.

B e Ancho efectivo de la superficie libre del cauce, en m. Es el ancho total del cauce
:
menos los obstáculos. (m)
μ : Coeficiente de contracción, obtenido de la tabla III del libro "Socavación en
Cauces Naturales" de J.A. Maza A.
A : Área de la sección hidráulica en el momento que inicia el evento de diseño. (m2)

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 y m : Profundidad media de Flujo entre la superficie del agua al pasar el caudal de
diseño y el perfil del fondo original.
A
y m=
Be
a.2. Maza Álvarez

A continuación se presenta las ecuaciones para la metodología Maza Álvarez, tanto para
suelos granulares como para suelos cohesivos:

 Suelos cohesivos:
y0d . 725
5780⋅α⋅y

( )
5
66 . 28+ y 0d . 725
0 3
ys=
β⋅γ
d 1 .18
Dónde:
y s : Profundidad del flujo después de ocurrida la socavación. (m).
y 0 : Profundidad inicial existente en una línea vertical predeterminada de la sección
medida desde el nivel del agua cuando pasa la creciente, hasta el nivel del cauce antes
del proceso de socavación. (m).
γ d : Peso volumétrico seco del material cohesivo, en T/m3.
β : Coeficiente de paso, que depende de la frecuencia con que se repite la avenida
que se estudia, obtenido de la tabla I del libro "Socavación en Cauces Naturales" de
J.A. Maza A.
α : Coeficiente con valor:
Qd
α=
Be. y 5
3
m

Qd : Caudal de diseño correspondiente a un periodo de retorno de 100 años en m3/s.

B e Ancho efectivo de la superficie libre del cauce, en m. Es el ancho total del cauce
:
menos los obstáculos. (m)
μ : Coeficiente de contracción, obtenido de la tabla III del libro "Socavación en
Cauces Naturales" de J.A. Maza A.
A : Área de la sección hidráulica en el momento que inicia el evento de diseño. (m2)
y m : Profundidad media de Flujo entre la superficie del agua al pasar el caudal de
diseño y el perfil del fondo original.
A
y m=
Be

Tarea 9.1.2 Cálculo de la socavación local

Descripción del cálculo de socavación local

Este tipo de socavación local ocurre cuando el puente obstruye el flujo. En el presente
proyecto es evidente que se debe analizar cada uno de los puentes objeto del contrato del
cauce por cuanto es el único que tiene contacto con el agua para la creciente de diseño
de 100 años.

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Cabe destacar que las variables hidráulicas utilizadas para el cálculo de la Socavación
Local fueron tomadas directamente de los resultados del modelo hidráulico.

b.1. Ecuación de HIRE

Esta ecuación está basada en datos de campo sobre el río Mississippi obtenidos por el
Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos - USACE. La ecuación de Hire
es la siguiente:
 K 
y s  4y1 1 K 2 * F r1
0 .3 3

 0 .5 5 

Dónde:
ys= Profundidad de socavación, (m)
y1= Profundidad del flujo en la pata del puente, medido en la sección transversal
aguas arriba del puente (m)
K1= Factor de corrección por la forma del puente
K2= Factor de corrección por ángulo de ataque del flujo, (m) ver tabla 10.1 del manual
del usuario del HEC – RAS
Fr1 = Número de Froude respecto a la velocidad y profundidad del flujo adyacente a la
pata del estribo.

b.2. Ecuación de Froehlich

Esta ecuación permite calcular la socavación en los estribos con la condición de lecho
activo. La ecuación de Froehlich tiene la siguiente forma:

y s  2 .2 7 * K 1 *K 2 * ( L ` ) 0 .4 3 * y 0 .5 7
a *Fr 0 .6 1
 y a

Dónde:
ys= Profundidad de socavación, (m)
K1= Factor de corrección por la forma del estribo,
K2= Factor de corrección por ángulo de ataque del flujo, (m)
L´= Longitud del estribo proyectada normal al flujo, (m)
ya= Profundidad media del flujo en la sección de aproximación, (m)
Fr = Número de Froude en la sección de aproximación, Fr=Ve/ (g*ya)2
Ve= Velocidad media para el flujo de aproximación Ve=Qe/Ae, (m/s)
Qe= Caudal obstruido por el estribo y el talud en la sección de aproximación (m3/s)
Ae= Área del flujo en la sección obstruida por los estribos, (m2)

Productos a entregar en la actividad

Informe que contenga la metodología empleada y los resultados obtenidos

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