Universidad De Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Distribución Temporal de la Precipitación en el Valle del Guarco Trabajo de Graduación para obtener el grado de Licenciado en Ingeniería Civil Realizado por Esteban Maroto Bianchini Director de Proyecto de Graduación Ing. Rafael Eduardo Murillo Muñoz, Ph. D. Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Marzo 2011 v Dedico este trabajo a mis padres porque sin su apoyo no estaría donde estoy hoy. Agradezco a Dios por todo. vi Agradecimientos Agradezco a mis padres por todo el apoyo que me han dado siempre, especialmente en los momentos más difíciles. Agradezco a mi director y a mis asesores por la paciencia y la ayuda que me brindaron en todo momento. Agradezco al Instituto Costarricense de Electricidad por el acceso a la información meteorológica. Sin este aporte este trabajo no hubiera sido posible. Gracias a todas las personas del I.C.E. que hicieron posible este trabajo, a Marco Rojas, a Frank Fernández, Berny Fallas, don Luis Acuña y a todas las personas de esa institución que colaboraron de una u otra manera. Agradezco a Tatiana, Alejandro, Priscilla, Diego Lobo y a Beatriz, a mis compañeros y amigos que me brindaron su ayuda cuando la necesité. vii Índice general Capítulo I ................................................................................................................. 1 1. Generalidades ....................................................................................................... 1 1.1 Justificación ........................................................................................................ 1 1.2 Objetivos ............................................................................................................ 2 1.2.1 Objetivo general ............................................................................................... 2 1.2.2 Objetivos específicos ......................................................................................... 2 1.3 Antecedentes teóricos y prácticos del problema ...................................................... 3 1.4 Alcances y limitaciones del Proyecto ...................................................................... 4 Capítulo II ................................................................................................................ 5 2. Caracterización hidrológica ..................................................................................... 5 2.1 Descripción de la cuenca ...................................................................................... 5 2.2 Características morfométricas ............................................................................... 7 2.3 Características climáticas ...................................................................................... 9 2.3.1 Temperatura ................................................................................................... 10 2.3.2 Precipitación .................................................................................................... 16 2.3.3 Brillo solar ....................................................................................................... 19 2.3.4 Humedad relativa ............................................................................................. 20 2.3.5 Viento ............................................................................................................. 21 Capítulo III .............................................................................................................. 23 3. Relación lluvia – escurrimiento y tipos de tormentas ................................................ 23 3.1 Relación lluvia – escurrimiento ............................................................................. 23 3.2 Tipos de precipitación ......................................................................................... 25 Capítulo IV............................................................................................................... 26 4. Metodología ......................................................................................................... 26 4.1 Región de estudio y procesamiento de datos ......................................................... 26 4.2 Características morfométricas .............................................................................. 26 4.3 Mapas generales de la cuenca ............................................................................. 26 4.3.1 Mapa de precipitación promedio anual ............................................................... 28 4.3.2 Mapas de temperatura media, máxima y mínima promedio anual ......................... 28 4.3.3 Mapa de brillo solar .......................................................................................... 28 4.3.4 Mapas de distribución de hietogramas característicos .......................................... 28 4.4 Humedad relativa ............................................................................................... 29 4.5 Viento ................................................................................................................ 29 viii 4.6 Hietogramas característicos ................................................................................. 29 Capítulo V ................................................................................................................ 34 5. Resultados ........................................................................................................... 34 Capítulo VI............................................................................................................. 107 6. Conclusiones y recomendaciones ......................................................................... 107 Bibliografía ............................................................................................................ 120 Anexos .................................................................................................................. 122 Anexo A................................................................................................................. 122 A.1 Mapas generales de la cuenca. .......................................................................... 122 Anexo B ................................................................................................................. 127 B.1 Estaciones meteorológicas y máximos anuales utilizados ...................................... 127 Anexo C................................................................................................................. 143 C.1 Ejemplos de cálculo .......................................................................................... 143 Anexo D ................................................................................................................ 147 D.1 Curvas acumuladas de las tormentas por estación ............................................... 147 Anexo E ................................................................................................................. 175 E.1 Cuadros con valores de hietogramas característicos ............................................. 175 ix Índice de figuras Figura 2.1. Ubicación de la cuenca en estudio. ............................................................. 6 Figura 2.2. Curva hipsométrica de la cuenca en estudio. ............................................... 8 Figura 2.3. Histograma de alturas de la cuenca en estudio. ........................................... 8 Figura 2.4. Mapa de temperatura mínima promedio anual. ........................................... 10 Figura 2.5. Mapa de temperatura media promedio anual. ............................................ 12 Figura 2.6. Mapa de temperatura máxima promedio anual. .......................................... 14 Figura 2.7. Mapa de precipitación promedio anual. ...................................................... 16 Figura 2.8. Mapa de brillo solar promedio anual. ......................................................... 19 Figura 2.9. Variación promedio mensual de la humedad relativa para cuatro estaciones de la cuenca en estudio. ................................................................................................ 20 Figura 5.1. Hietograma característico familia 1 C.D. Sanatorio Durán. ........................... 40 Figura 5.2. Hietograma característico familia 2 C.D. Sanantorio Durán. ......................... 41 Figura 5.3. Hietograma característico familia 1 L.D. Sanatorio Durán. ........................... 42 Figura 5.4. Hietograma característico familia 2 L.D. Sanatorio Durán. ........................... 43 Figura 5.5. Hietograma característico familia 3 L.D. Sanatorio Durán. ........................... 43 Figura 5.6. Hietograma característico familia 1 C.D. San Rafael de Tapantí. ................... 44 Figura 5.7. Hietograma característico familia 2 C.D. San Rafael de Tapantí. ................... 45 Figura 5.8. Hietograma característico familia 3 C.D. San Rafael de Tapantí. ................... 45 Figura 5.9. Hietograma característico familia 1 L.D. San Rafael de Tapantí. ................... 46 Figura 5.10. Hietograma característico familia 2 L.D. San Rafael de Tapantí. ................. 47 Figura 5.11. Hietograma característico familia 1 C.D. El Cañón. .................................... 48 Figura 5.12. Hietograma característico familia 2 C.D. El Cañón. .................................... 48 Figura 5.13. Hietograma característico familia 3 C.D. El Cañón. .................................... 49 Figura 5.14. Hietograma característico familia 1 L.D. EL Cañón..................................... 50 Figura 5.15. Hietograma característico familia 1 C.D. El Humo. ..................................... 51 Figura 5.16. Hietograma característico familia 2 C.D. El Humo. ..................................... 52 Figura 5.17. Hietograma característico familia 1 L.D. El Humo. ..................................... 53 Figura 5.18. Hietograma característico familia 1 C.D. Embalse - El Llano. ...................... 54 Figura 5.19. Hietograma característico familia 2 C.D. Embalse - El Llano. ...................... 55 Figura 5.20. Hietograma característico familia 1 L.D. Embalse - El Llano........................ 56 Figura 5.21. Hietograma característico familia 2 L.D. Embalse - El Llano........................ 57 Figura 5.22. Hietograma característico familia 1 C.D. Villa Mills. .................................... 58 Figura 5.23. Hietograma característico familia 2 C.D. Villa Mills. .................................... 59 Figura 5.24. Hietograma característico familia 1 L.D. Villa Mills. .................................... 60 x Figura 5.25. Hietograma característico familia 2 L.D. Villa Mills. .................................... 61 Figura 5.26. Hietograma característico familia 1 C.D. Tres de Junio. ............................. 62 Figura 5.27. Hietograma característico familia 2 C.D. Tres de Junio. ............................. 63 Figura 5.28. Hietograma característico familia 1 L.D. Tres de Junio. .............................. 64 Figura 5.29. Hietograma característico familia 2 L.D. Tres de Junio. .............................. 65 Figura 5.30. Hietograma característico familia 1 C.D. La Cangreja. ................................ 66 Figura 5.31. Hietograma característico Familia 1 L.D. La Cangreja. ............................... 67 Figura 5.32. Hietograma característico comportamiento 2 L.D. La Cangreja. .................. 68 Figura 5.33. Hietograma característico familia 1 C.D. La Suiza. ..................................... 69 Figura 5.34. Hietograma característico familia 2 C.D. La Suiza. ..................................... 70 Figura 5.35. Hietograma característico familia 3 C.D. La Suiza. ..................................... 70 Figura 5.36. Hietograma característico familia 1 L.D. La Suiza. ..................................... 71 Figura 5.37. Hietograma característico familia 2 L.D. La Suiza. ..................................... 72 Figura 5.38. Hietograma característico familia 3 L.D. La Suiza. ..................................... 72 Figura 5.39. Hietograma característico familia 4 L.D. La Suiza. ..................................... 73 Figura 5.40. Hietograma característico familia 1 C.D. Cachí. ......................................... 74 Figura 5.41. Hietograma característico familia 2 C.D. Cachí. ......................................... 75 Figura 5.42. Hietograma característico familia 3 C.D. Cachí. ......................................... 75 Figura 5.43. Hietograma característico familia 1 L.D. Cachí. ......................................... 76 Figura 5.44. Hietograma característico familia 2 L.D. Cachí. ......................................... 77 Figura 5.45. Hietograma característico familia 3 L.D. Cachí. ......................................... 77 Figura 5.46. Hietograma característico familia 1 C.D. Tucurrique. ................................. 78 Figura 5.47. Hietograma característico familia 2 C.D. Tucurrique. ................................. 79 Figura 5.48. Hietograma característico familia 3 C.D. Tucurrique. ................................. 79 Figura 5.49. Hietograma característico familia 1 L.D. Tucurrique. .................................. 80 Figura 5.50. Hietograma característico familia 2 L.D. Tucurrique. .................................. 81 Figura 5.51. Hietograma característico familia 3 L.D. Tucurrique. .................................. 81 Figura 5.52. Hietograma característico familia 4 L.D. Tucurrique. .................................. 82 Figura 5.53. Hietograma característico familia 1 C.D. San Antonio de Turrialba .............. 83 Figura 5.54. Hietograma característico familia 2 C.D. San Antonio de Turrialba. ............. 84 Figura 5.55. Hietograma característico familia 1 L.D. San Antonio de Turrialba. ............. 85 Figura 5.56. Hietograma característico familia 2 L.D. San Antonio de Turrialba .............. 86 Figura 5.57. Hietograma característico familia 3 L.D. San Antonio de Turrialba .............. 86 Figura 5.58. Hietograma característico familia 4 L.D. San Antonio de Turrialba .............. 87 Figura 5.59. Hietograma característico familia 1 C.D. Oriente. ...................................... 88 xi Figura 5.60. Hietograma característico familia 2 C.D. Oriente. ...................................... 89 Figura 5.61. Hietograma característico familia 3 C.D. Oriente. ...................................... 90 Figura 5.62. Hietograma característico familia 1 L.D. Oriente........................................ 91 Figura 5.63. Hietograma característico familia 2 L.D. Oriente........................................ 92 Figura 5.64. Hietograma característico familia 1 C.D. Presa Tapantí. ............................. 93 Figura 5.65. Hietograma característico familia 2 C.D. Presa Tapantí. ............................. 94 Figura 5.66. Hietograma característico familia 3 C.D. Presa Tapantí. ............................ 94 Figura 5.67. Hietograma característico familia 1 L.D Presa Tapantí. .............................. 95 Figura 5.68. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 1C ............................. 96 Figura 5.69. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 4C ............................. 97 Figura 5.70. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 5C ............................. 98 Figura 5.71. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 6C y 7C ...................... 99 Figura 5.72. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 2C y 3C .................... 100 Figura 5.73. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 3L ............................ 101 Figura 5.74. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 2L ............................ 102 Figura 5.75. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 1L y 5L..................... 103 Figura 5.76. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 1La, 1Lb y 6L ............ 104 Figura 5.77. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 4L ............................ 105 Figura 5.78. Zona de influencia hietogramas característicos Tipo 7L y 8L..................... 106 Figura A.1. Mapa de la cuenca con la ubicación de las estaciones utilizadas. ................ 123 Figura A.2. Mapa de la cuenca con las curvas de nivel cada 20 m. .............................. 124 Figura A.3. Mapa de la red hidrográfica de la cuenca y el número de orden de los cauces. ............................................................................................................................ 125 Figura A.4. Mapa de la red hidrográfica de la cuenca con el cauce principal. ................ 126 Figura D.1.1. Tormentas acumuladas de la estación Sanatorio Durán. ......................... 147 Figura D.1.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración Sanatorio Durán. 148 Figura D.1.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Sanatorio Durán. 148 Figura D.2.1. Tormentas acumuladas de la estación San Rafael de Tapantí. ................ 149 Figura D.2.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración San Rafael de Tapantí. ................................................................................................................. 150 Figura D.2.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración San Rafael de Tapantí. ................................................................................................................. 150 Figura D.3.1. Tormentas acumuladas de la estación El Cañón. ................................... 151 Figura D.3.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración El Cañón............ 152 Figura D.3.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración El Cañón. ........... 152 xii Figura D.4.1. Tormentas acumuladas de la estación El Humo. .................................... 153 Figura D.4.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración El Humo. ........... 154 Figura D.4.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración El Humo. ........... 154 Figura D.5.1. Tormentas acumuladas de la estación Embalse - El Llano....................... 155 Figura D.5.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración Embalse – El Llano. ............................................................................................................................ 156 Figura D.5.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Embalse – El Llano. ............................................................................................................................ 156 Figura D.6.1. Tormentas acumuladas de la estación Villa Mills. ................................... 157 Figura D.6.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración Villa Mills. .......... 158 Figura D.6.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Villa Mills. .......... 158 Figura D.7.1. Tormentas acumuladas de la estación Tres de Junio. ............................. 159 Figura D.7.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración Tres de Junio. .... 160 Figura D.7.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Tres de Junio. .... 160 Figura D.8.1. Tormentas acumuladas de la estación La Cangreja. ............................... 161 Figura D.8.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración La Cangreja. ...... 162 Figura D.8.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración La Cangreja. ...... 162 Figura D.9.1. Tormentas acumuladas de la estación La Suiza. .................................... 163 Figura D.9.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración La Suiza. ........... 164 Figura D.9.3. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración La Suiza. ........... 164 Figura D.10.1. Tormentas acumuladas de la estación Cachí (Plantel). ......................... 165 Figura D.10.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración Cachí (Plantel).. 166 Figura D.10.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Cachí (Plantel). . 166 Figura D.11.1. Tormentas acumuladas de la estación Tucurrique. ............................... 167 Figura D.11.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración ....................... 168 Figura D.11.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Tucurrique. ...... 168 Figura D.12.1. Tormentas acumuladas de la estación San Antonio de Turrialba. .......... 169 Figura D.12.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración San Antonio de Turrialba. ............................................................................................................... 170 Figura D.12.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración San Antonio de Turrialba. ............................................................................................................... 170 Figura D.13.1. Tormentas acumuladas de la estación Oriente. .................................... 171 Figura D.13.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración Oriente. ........... 172 Figura D.13.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Oriente. ........... 172 Figura D.14.1. Tormentas acumuladas de la estación Sitio de Presa Tapantí. ............... 173 xiii Figura D.14.2. Curvas acumuladas de las tormentas de corta duración Sitio de Presa Tapantí. ................................................................................................................. 174 Figura D.14.3. Curvas acumuladas de las tormentas de larga duración Sitio de Presa Tapantí. ................................................................................................................. 174 xiv Índice de cuadros Cuadro 2.1. Características morfométricas de la cuenca. ............................................... 7 Cuadro 2.2. Direcciones predominantes del viento en cuatro estaciones de la cuenca ..... 21 Cuadro 5.1. Clasificación de tormentas para establecer hietogramas característicos de corta duración .......................................................................................................... 35 Cuadro 5.2. Clasificación de tormentas para establecer hietogramas característicos de larga duración .......................................................................................................... 35 Cuadro 5.3. Resumen de clasificación de tormentas de todas las estaciones. ................. 37 Cuadro 5.4. Cantidad de tormentas de corta y larga duración y tiempos promedio de los hietogramas de corta y larga duración ....................................................................... 39 Cuadro 5.5. Distribución de hietogramas característicos por estación y cantidad de tormentas que presentan determinado comportamiento .............................................. 39 Cuadro 6.1. Fechas en que coincidieron los máximos anuales en distintas estaciones ... 107 Cuadro B.1. Estaciones meteorológicas con medición de humedad relativa. ................. 127 Cuadro B.2. Estaciones meteorológicas con medición de viento. ................................. 127 Cuadro B.3. Estaciones meteorológicas utilizadas para la elaboración de los hietogramas característicos. ....................................................................................................... 128 Cuadro B.4. Máximos anuales estación 73011 Sanatorio Durán. ................................. 129 Cuadro B.5. Máximos anuales estación 73026 San Rafael de Tapantí. ......................... 130 Cuadro B.6. Máximos anuales estación 73027 El Cañón. ............................................ 131 Cuadro B.7. Máximos anuales estación 73028 El Humo. ............................................. 132 Cuadro B.8. Máximos anuales estación 73029 Embalse – El Llano (río Macho). ............ 133 Cuadro B.9. Máximos anuales estación 73033 Villa Mills. ............................................ 134 Cuadro B.10. Máximos anuales estación 73039 Tres de Junio. .................................... 135 Cuadro B.11. Máximos anuales estación 73041 La Cangreja. ...................................... 136 Cuadro B.12. Máximos anuales estación 73044 La Suiza. ........................................... 137 Cuadro B.13. Máximos anuales estación 73046 Cachí (Plantel). .................................. 138 Cuadro B.14. Máximos anuales estación 73047 Tucurrique. ........................................ 139 Cuadro B.15. Máximos anuales estación 73074 San Antonio de Santa Cruz de Turrialba. ............................................................................................................................ 140 Cuadro B.16. Máximos anuales estación 73079 Oriente. ............................................ 141 Cuadro B.17. Máximos anuales estación 73089 Sitio de Presa Tapantí. ........................ 142 Cuadro C.1. Índices de compacidad ......................................................................... 143 Cuadro E.1. Valores de lluvia en porcentaje cada 10 minutos hietogramas de corta duración. ............................................................................................................... 175 xv Cuadro E.2. Valores de lluvia en porcentaje cada 10 minutos hietogramas de corta duración. ............................................................................................................... 177 Cuadro E.3. Valores de lluvia en porcentaje cada 10 minutos hietogramas de corta duración. ............................................................................................................... 179 Cuadro E.4. Valores de lluvia en porcentaje cada 10 minutos hietogramas de larga duración. ............................................................................................................... 181 Cuadro E.5. Valores de lluvia en porcentaje cada 10 minutos hietogramas de larga duración. ............................................................................................................... 185 Cuadro E.6. Valores de lluvia en porcentaje cada 10 minutos hietogramas de larga duración. ............................................................................................................... 188 xvi Simbología C.D. Corta duración. ºC Grados Celsius. Comp. Comportamiento. E Dirección este. ENE Dirección este – noreste. ESE Dirección este – sur este. Fam. Familia. h Horas. I.C.E. Instituto Costarricense de Electricidad. i-d-f Intensidad – duración – frecuencia. I.G.N. Instituto Geográfico Nacional I.M.N. Instituto Meteorológico Nacional. km Kilómetro. km2 Kilómetros cuadrados. L.D. Larga duración. m Metro. mm Milímetros. min Minutos. m.s.n.m. Metros sobre el nivel del mar. N Dirección norte. NE Dirección noreste. NO Dirección noroeste. N.P. No pertenece. O Dirección oeste. p-d-f Precipitación – duración – frecuencia. PRODUS Programa de Investigación en Desarrollo Urbano Sostenible, Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Costa Rica. S Dirección sur. S.I.G. Sistemas de información geográfica. U.N.A. Universidad Nacional de Costa Rica. xvii Maroto Bianchini Esteban Distribución Temporal de la Precipitación en el Valle del Guarco Tesis Ingeniería Civil – San José, C.R.: E. Maroto B., 2011 xvii, 121, [69]h; ils. Col. – 20 refs. Resumen El comportamiento de la lluvia a través del tiempo y, específicamente, la generación de hietogramas característicos, se ha tratado muy poco a nivel nacional. Debido a los problemas generados por inundaciones en algunas zonas del Valle del Guarco se propone en este trabajo generar hietogramas característicos con duraciones máximas de 24 horas. Se utiliza la cuenca del río Reventazón como unidad de estudio. Para la generación de los hietogramas característicos se va a hacer un análisis de las series anuales máximas que comprenden un período homogéneo de 40 años, desde 1970 hasta 2009. Esta información fue proporcionada por el Instituto Costarricense de Electricidad (I.C.E.). Al utilizar la cuenca como unidad de estudio, se obtienen características físicas y climáticas generales que permiten una mejor interpretación y utilización de los hietogramas característicos. Estos hietogramas representan condiciones promedio de las series máximas anuales analizadas. Esta información generada es una herramienta importante para motivar la utilización de los métodos de área – tiempo para la generación de caudales. Se proporciona también información de diseño útil para mitigar los efectos producidos por las inundaciones en algunos sectores de la cuenca y además, de manera preliminar, se complementa el estudio de intensidades que Murillo (1994) realizó en la cuenca del río Virilla. E.M.B. CARACTERIZACIÓN TEMPORAL LLUVIA, HIETOGRAMAS CARACTERÍSTICOS, CUENCA RÍO REVENTAZÓN, INUNDACIONES 1996 Y 1970. Ing. Rafael Murillo Muñoz, Ph. D. Escuela de Ingeniería Civil. 1 Capítulo I 1. Generalidades La falta de herramientas adecuadas para el diseño hidrológico y los problemas de inundación en algunas zonas del Valle del Guarco son dos de las motivaciones principales para la elaboración de este trabajo. En este capítulo se definen los alcances y los objetivos que delimitan esta investigación. También se va a hacer referencia a algunos trabajos que constituyen un precedente en cuanto a elaboración de herramientas de diseño hidrológico. 1.1. Justificación La cuenca del río Reventazón es una extensa área de drenaje que se caracteriza por tener una red fluvial bien definida. El Valle del Guarco se encuentra contenido en dicha cuenca y alberga centros urbanos importantes como las ciudades de Cartago y Paraíso de Cartago, y las comunidades de Tejar del Guarco, Orosi, Taras, Agua Caliente, Oreamuno, entre otras. En diversos sectores de este valle se presentan problemas de inundación. Las consecuencias que se generan se han ido agravando en los últimos años, debido principalmente al desarrollo urbano desordenado y sin planificación, al mal estado de los diques presentes en algunas zonas, a la deforestación de las cuencas y al vertido de basura en los cauces de los ríos. Con el propósito de mitigar los efectos de las inundaciones se han hecho distintos esfuerzos, sin embargo los resultados obtenidos no han sido satisfactorios. Para esto se han usado tradicionalmente métodos de diseño hidrológico que utilizan información puntual de lluvia. El diseño se realiza tomando en cuenta solamente valores pico de caudal y esto tiene como desventaja que no se puede conocer el comportamiento de la lluvia en el tiempo. El hietograma de tormenta describe la distribución temporal de la lluvia durante un evento dado. Esta herramienta muestra en un gráfico la totalidad de agua que precipita en una tormenta distribuida en intervalos establecidos. 2 Conociéndose el comportamiento de la lluvia en el tiempo se pueden utilizar métodos de diseño de área – tiempo que permiten una modelación más adecuada de las áreas de escurrimiento y se ajustan mejor a la complejidad de los sistemas drenantes actuales. Se espera que los hietogramas característicos sean una herramienta de diseño importante para la construcción de obras de ingeniería como presas, diques, puentes, canales de riego, sistemas de agua potable, entre otros. Además del aprovechamiento desde el punto de vista de diseño ingenieril, hay un beneficio que recae sobre la población del Valle del Guarco: los hietogramas característicos funcionan como un recurso para modelar mejor las zonas de escurrimiento, esto permite mayor efectividad en las obras civiles afectadas directa o indirectamente por las inundaciones. 1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo general • Generar hietogramas característicos en el Valle del Guarco. 1.2.2. Objetivos específicos • Caracterizar la cuenca mediante la obtención de parámetros físicos y climáticos, incluyendo mapas de precipitación promedio de la cuenca. • Generar hietogramas característicos para las estaciones con registro continuo de precipitaciones dentro de la cuenca. • Establecer un tiempo de duración promedio para cada hietograma característico. • Caracterizar zonas de similar distribución temporal de precipitaciones. 3 1.3. Antecedentes teóricos y prácticos del problema Actualmente, no se cuenta con estudios que describan la distribución temporal de la lluvia a través de hietogramas característicos en el Valle del Guarco. Existen datos de precipitación e intensidad puntuales y curvas de intensidad – duración – frecuencia (i-d-f) para la estación 73003 Comandancia de Cartago. Dichas curvas fueron desarrolladas en el informe final de Günter Varson (1992) sobre intensidades de lluvia en centros urbanos. Adicionalmente, en este informe el autor elaboró curvas de intensidad-duración- frecuencia para seis estaciones en todo el país. En el Valle Central únicamente se tomaron en cuenta las estaciones de San José y Aeropuerto. En el proyecto final de graduación Estudio de Intensidades de Lluvia en la Cuenca del Río Virilla (Murillo, 1994), el autor generó mapas de intensidad de lluvia para diferentes periodos de retorno y duraciones, mapas de intensidad de lluvia promedio y hietogramas característicos para la cuenca del río Virilla. Este trabajo es el único encontrado que trató el tema de la distribución temporal de la lluvia. Además de los estudios anteriores se han realizado otros trabajos de caracterización de precipitaciones referidos a estaciones específicas o al clima del Valle Central en términos generales. El Ing. Ramiro Gamboa (1969) obtuvo nomogramas para el cálculo de intensidades a partir de una curva de duración de una hora y periodo de retorno de un año. Finalmente el Ing. Carlos Vargas (1953), en su trabajo de graduación generó curvas de intensidad-duración-frecuencia para la estación San José utilizando un registro de treinta y seis años. Por otro lado, los métodos de diseño que tradicionalmente se han usado en Costa Rica utilizan la información puntual de precipitaciones. Como ejemplo de esto se tiene la metodología basada en el mapa de isoyetas del Servicio Meteorológico Nacional (1967). Este mapa se obtiene a partir del análisis de series anuales y valores puntuales de profundidades de lluvia. Los valores leídos en el mapa se procesan mediante la utilización de gráficos correspondientes a distintos periodos de retorno, para finalmente obtener valores de intensidad utilizables en la fórmula racional con el fin de obtener caudales. Esta fórmula ha sido extensamente utilizada en nuestro país en el diseño de sistemas de alcantarillado pluvial y para el diseño de sistemas de canalización pluvial en carreteras. Existen también métodos indirectos de obtención de hietogramas característicos. Para su elaboración se hace utilización de información puntual de precipitación y de curvas i-d-f. 4 Sin embargo, actualmente, debido a la complejidad de los sistemas drenantes, se hace necesario el modelado de la lluvia distribuida en el tiempo. Debido a esto, son importantes los hietogramas característicos; aunado a lo anterior, es importante también mencionar que los hietogramas característicos son fundamentales para el modelado correcto de una cuenca que incluya los sistemas de alcantarillado pluvial de las zonas urbanas que contenga. 1.4. Alcances y limitaciones del Proyecto El estudio se limita a la cuenca del río Reventazón definida hasta la comunidad de Turrialba, en la confluencia de los ríos Reventazón y Guayabo. Se van a determinar hietogramas característicos para distintas estaciones pluviográficas o con registro continuo, además se establecerán duraciones promedio de tormentas típicas hasta 24 horas. Se analizará el periodo de registro comprendido entre los años de 1970 y 2009 inclusive. Se utilizarán las tormentas correspondientes a eventos máximos de las series anuales de precipitación comprendidas en el registro antes mencionado, con duraciones de hasta 24 horas. Las caracterizaciones física y climática de la cuenca comprenden aspectos generales y no se pretende profundizar en ellas. 5 Capítulo II 2. Caracterización hidrológica En este capítulo se describe la cuenca de manera general, sus límites, sus características físicas y sus características climáticas. 2.1 Descripción de la cuenca La cuenca en estudio se encuentra ubicada en la vertiente Atlántica. Tiene orientación suroeste – noreste. Limita al norte con la Cordillera Volcánica Central, con los volcanes Irazú y Turrialba hasta una altura de 3432 m.s.n.m. Por el sur se encuentra la Cordillera de Talamanca, desde Tobosi hasta 10 km al sur de Villa Mills; sus alturas varían entre los 1900 m.s.n.m. hasta los 3491 m.s.n.m. Hacia el oeste se encuentra el Alto de Ochomogo y la línea divisoria de aguas entre los valles Central Oriental y Occidental. Finalmente, hacia el este la cuenca limita con la localidad de Turrialba. Esta cuenca está bastante urbanizada en la parte del Valle del Guarco especialmente. En ella se encuentra la ciudad de Cartago, uno de los centros de población más importante del país y del Valle Central. Hacia Turrialba se encuentran las centrales hidroeléctricas de Cachí y Angostura, ambas pertenecientes al Instituto Costarricense de Electricidad. En la Figura 2.1 se muestra el área que comprende la cuenca y la ubicación de las estaciones utilizadas para generar los hietogramas característicos y los valores mensuales de humedad relativa y viento. La información de cada estación se puede ver en los Cuadros del B.1 al B.3 en los anexos. 6 Figura 2.1. Ubicación de la cuenca en estudio. Fuente: el autor. 7 2.2 Características morfométricas Las características morfométricas son parámetros físicos y de forma característicos de cada cuenca. Influyen fuertemente en la respuesta de la cuenca a eventos de precipitación y en las condiciones de los ríos en general. Para la cuenca en estudio se calcularon las características morfométricas mostradas en el Cuadro 2.1. Cuadro 2.1. Características morfométricas de la cuenca. Índice Valor Área (km2) 1525,7 Perímetro (km) 200,3 Elevación media de la cuenca (m.s.n.m.) 1515 Índice de compacidad 1,44 (Cuenca ovalada) Lado mayor del rectángulo equivalente (km) 81,41 Lado menor del rectángulo equivalente (km) 18,74 Índice de pendiente (%) 18,1 Pendiente de la cuenca (%) 3,77 Pendiente media del cauce principal (%) 3,02 Longitud al centroide (km) 4 Densidad de drenaje (km/km2) 1,2 Número de orden 6 Longitud de cauces tributarios (km) 1835,9 Longitud del cauce principal (km) 95,5 Fuente: el autor. El área y el perímetro fueron obtenidos mediante el uso de sistemas de información geográfica (S.I.G). Se utilizaron las hojas cartográficas digitalizadas en escala 1:50 000 de Pejibaye, Tapantí, Vueltas, Cuericí, Tucurrique, Istarú, Caraigres, Carrillo, Bonilla y Abra, elaboradas por el Instituto Geográfico Nacional. En las Figuras 2.2 y 2.3 se muestran la curva hipsométrica y el histograma de distribución de áreas según el rango de altura. Figura 2.2. Curva hipsométrica de la cuenca en estudio. Figura 2.3. Histograma de alturas de la cuenca en estudio. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 10 20 E le va ci ó n [ m .s .n .m .] Curva hipsométrica 0.02 0.16 0.39 0.63 0.92 1.27 1.70 2.27 2.83 3.34 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 34 00 -3 49 1 33 00 -3 40 0 32 00 -3 30 0 31 00 -3 20 0 30 00 -3 10 0 29 00 -3 00 0 28 00 -2 90 0 27 00 -2 80 0 26 00 -2 70 0 25 00 -2 60 0 P o rc en ta je p ar ci al d e ár ea [ % ] Rango de elevaciones [m.s.n.m.] Histograma de alturas Figura 2.2. Curva hipsométrica de la cuenca en estudio. Fuente: el autor. Figura 2.3. Histograma de alturas de la cuenca en estudio. Fuente: el autor. 30 40 50 60 70 80 90 Porcentaje de área [%] Curva hipsométrica Elevación media 1515 m.s.n.m. 3.34 3.49 2.96 2.68 2.88 2.77 2.99 3.94 4.46 5.26 5.83 6.84 7.96 5.58 5.43 5.36 5.45 3.57 3.68 25 00 -2 60 0 24 00 -2 50 0 23 00 -2 40 0 22 00 -2 30 0 21 00 -2 20 0 20 00 -2 10 0 19 00 -2 00 0 18 00 -1 90 0 17 00 -1 80 0 16 00 -1 70 0 15 00 -1 60 0 14 00 -1 50 0 13 00 -1 40 0 12 00 -1 30 0 11 00 -1 20 0 10 00 -1 10 0 90 0- 10 00 80 0- 90 0 70 0- 80 0 Rango de elevaciones [m.s.n.m.] Histograma de alturas 8 100 3.68 3.65 1.54 0.15 70 0- 80 0 60 0- 70 0 50 0- 60 0 42 0- 50 0 9 De los gráficos anteriores se puede observar que la mayor cantidad de área se encuentra entre las alturas medias y bajas de la cuenca. La elevación media de la cuenca es de 1515 m.s.n.m. Su altura mínima es de alrededor de 420 m.s.n.m, en la confluencia del río Reventazón con el río Guayabo. Su altura máxima es de 3491 m.s.n.m. que corresponde a la cumbre del Cerro Buena Vista (cerro de la Muerte), en la parte suroeste de la Cordillera de Talamanca. Su forma es ovalada, debido a esto y a su extensión no es común que un mismo evento de precipitación la cubra totalmente. Su índice de pendiente y su pendiente media del cauce principal indican que tiene una respuesta promedio de media a alta a un evento de precipitación. Esto es el tiempo que se tarda el agua en verse reflejada como escorrentía en los cauces. Tiene una alta densidad de drenaje lo que hace que sus suelos se erosionen más fácilmente. El número de orden alto indica que es una cuenca cuya red fluvial está bien distribuida y esto aumenta el potencial erosivo de la cuenca también. El río Reventazón se puede clasificar como un río de montaña predominantemente en su parte alta y media. En las Figuras A.2 y A.3 del Anexo A se presentan los mapas con las curvas de nivel de la cuenca cada 20 m de elevación y la red hidrográfica con el número de orden. 2.3 Características climáticas El clima se puede definir como un conjunto de condiciones atmosféricas que caracterizan a una región, y que se han definido a través de la observación cualitativa y cuantitativa a lo largo de un periodo de tiempo determinado. Este apartado pretende hacer una caracterización general del clima de la cuenca sin profundizar en los diversos elementos climáticos incluidos. Es importante mencionar que esta cuenca contiene una gran cantidad de microclimas en espacios relativamente pequeños. Se describen aquí los parámetros de temperatura, precipitación media, brillo solar, humedad relativa y viento. En los mapas mostrados en las Figuras 2.4 a 2.8 se muestra solamente la ubicación de las estaciones que se utilizaron para la elaboración de los hietogramas característicos. 10 2.3.1 Temperatura Temperatura mínima promedio anual En la Figura 2.4 se muestra el mapa con la distribución de temperaturas promedio mínimas de la cuenca. Figura 2.4. Mapa de temperatura mínima promedio anual. Fuente: Atlas Climatológico I.M.N. (1998). 11 La temperatura mínima promedio anual oscila entre menos de 6 ºC en las partes más altas de la cuenca, hasta 20 ºC alrededor de Turrialba. Se puede apreciar en la Figura 2.4 que las temperaturas mínimas de hasta menos de 6 ºC se dan en la parte norte y sur – sureste. Estas regiones corresponden a los Volcanes Turrialba e Irazú y a la Cordillera de Talamanca respectivamente. Luego la temperatura mínima promedio de la cuenca varía desde 12ºC en la parte correspondiente al Alto de Ochomogo y la ciudad de Cartago (parte oeste), incrementándose conforme se avanza hacia la parte este y noreste hasta 20 ºC cerca de Turrialba. 12 Temperatura media promedio anual La temperatura media promedio anual oscila entre menos de 8 ºC y 24 ºC. En la Figura 2.5 se puede apreciar la distribución de temperatura media a través de la cuenca. Figura 2.5. Mapa de temperatura media promedio anual. Fuente: Atlas Climatológico I.M.N. (1998). 13 Se puede observar de la Figura 2.5 que las temperaturas medias menores de la cuenca se dan en la parte norte y sur – suroeste. Las laderas de los Volcanes Irazú y Turrialba y de la Cordillera de Talamanca presentan un comportamiento similar entre sí, aumentando desde las cimas hacia abajo hasta los 16 ºC. Finalmente, la temperatura media se incrementa desde los 20 ºC en el Alto de Ochomogo, siguiendo una franja hacia el noreste y el este, hasta los 24 ºC cerca de Turrialba. 14 Temperatura máxima promedio anual En la Figura 2.6 se puede apreciar la distribución de temperaturas máximas sobre la cuenca. Figura 2.6. Mapa de temperatura máxima promedio anual. Fuente: Atlas Climatológico I.M.N. (1998). 15 La temperatura máxima promedio anual oscila entre menos de 12 ºC y 30 ºC en las partes más bajas de la cuenca. Se puede observar de la Figura 2.6 que las temperaturas máximas promedio más bajas se dan en las cumbres de los Volcanes Irazú y Turrialba y la Cordillera de Talamanca, en los Cerros Sakira, Zacatales, Asunción, La Muerte o Buena Vista y Cuericí. Aquí se presentan valores de 14 ºC o menos. Hay un comportamiento muy marcado en la franja central de la cuenca y hacia el este y noreste. La temperatura se incrementa desde 22 ºC en la parte oeste de la cuenca, cerca del Alto de Ochomogo, hasta 30 ºC cerca de Turrialba. Hay una transición creciente muy marcada en cuatro rangos de temperatura desde los 22ºC hasta los 30ºC. 16 2.3.2 Precipitación Se presenta a continuación en la Figura 2.7 el mapa de precipitación promedio anual de la cuenca en estudio. Figura 2.7. Mapa de precipitación promedio anual. Fuente: PRODUS (2010). 17 Esta cuenca se encuentra influenciada por los regímenes climáticos de las Vertientes Pacífica y Atlántica. En el periodo de diciembre a abril se da un incremento del flujo Alisio y predominan las tormentas de tipo orográfico. En el periodo de mayo a noviembre predominan las tormentas de tipo convectivo, con duraciones de hasta 6 horas e intensidades fuertes (Chacón, 1983). En los meses de julio y agosto se da un aumento de nuevo en el flujo Alisio y se da un aumento de las tormentas orográficas. En la mayor parte de la cuenca la precipitación promedio anual varía entre 2000 mm y 3000 mm. Esta banda de precipitación afecta al valle de Turrialba, La Suiza, Tucurrique y hasta Cachí. Afecta también el Valle de Orosi y la parte sur de la cuenca, alrededor de Villa Mills y el Cerro de la Muerte. A partir de Turrialba, el nivel de lluvia promedio empieza a aumentar conforme se avanza hacia el noroeste por las faldas del Volcán Turrialba, con valores que alcanzan los 4000 mm anuales. De Turrialba hacia el sur de la cuenca se incrementa la precipitación hasta los 4000 mm y luego sigue una franja que oscila entre los 1500 mm y 2000 mm, para luego incrementarse de nuevo hasta un máximo de más de 7000 mm anuales. Esto sucede cerca de la estación 73026 Sitio de Presa Tapantí, entre los 1900 m.s.n.m. y 2000 m.s.n.m. Cerca de esta altura es donde las masas de aire provenientes del Caribe descargan la mayor cantidad de humedad debido al efecto orográfico de las montañas. Conforme las masas de aire siguen subiendo hacia el Cerro de la Muerte en dirección sur la precipitación promedio disminuye hasta los 2000 mm. Esto se debe probablemente a que la mayor parte de humedad ya se ha descargado en las montañas de Tapantí y en zonas aledañas. En la parte oeste y noroeste de la cuenca es donde se dan los menores valores de precipitación promedio anual. Hay un núcleo alrededor del Alto de Ochomogo que comprende las zonas de Tobosi, Coris y la parte oeste de las laderas del Volcán Irazú, hasta Tierra Blanca. El valor promedio anual de lluvia en esta zona es de 1500 mm o menos. En el caso de la parte noroeste de la cuenca los valores bajos de precipitación se pueden deber al efecto de sombra de lluvia que produce el macizo del Volcán Irazú al interferir en el curso de los vientos Alisios del noreste principalmente. Se nota como la precipitación disminuye desde las faldas orientales del Volcán Turrialba hasta las faldas occidentales del Volcán Irazú y hacia el centro del Valle Central Oriental, donde se encuentra la ciudad de Cartago. Para el caso de la parte oeste de la cuenca, alrededor de las localidades de Tobosi, Coris y Bermejo, los valores de precipitación promedio anual 18 bajos se pueden deber a la débil influencia del viento Alisio, que llega con poca humedad a esa zona, y al efecto de sombra de lluvia que producen los cerros de la Fila Ventolera que dividen al Valle Central en Occidental y Oriental. Los vientos provenientes del Valle Central Occidental llegan más secos debido a la barrera orográfica que producen estos cerros. La parte del Valle del Guarco donde están las ciudades de Cartago y Paraíso se ve afectada tanto por la influencia de los vientos provenientes del Valle Central Occidental, que entran por el cañón del río Grande de Tárcoles, como por los vientos Alisios. En esta zona urbana central los valores de precipitación promedio anual oscilan entre 1500 mm y 2000 mm. Los vientos Oestes también afectan la cuenca en forma de vaguadas de altura que generan temporales que se pueden extender por días y pueden afectar extensas zonas de la cuenca produciendo inundaciones. Las corrientes de viento que se infiltran por el cañón del río Grande de Tárcoles y entran por el Alto de Ochomogo llegan al Valle del Guarco con poca humedad y a esto se puede deber el bajo promedio anual de lluvia. Caso similar ocurre con los vientos Alisios, que han descargado la mayor parte de su humedad en la parte noreste y sureste de la cuenca. En la parte noroeste de las faldas del Volcán Irazú se observa un aumento muy localizado de la precipitación hasta los 4000 mm. Esto se debe probablemente a la descarga por orografía de las masas de aire provenientes del Valle Central Occidental. Murillo (1994) estableció en su trabajo de graduación núcleos de alta precipitación en la parte noreste de la cuenca del río Virilla, cerca de la localidad de Tres Ríos, debido al frente de brisa que se forma por el choque de los vientos Alisios y los vientos provenientes del Océano Pacífico y que entran por el cañón del río Grande de Tárcoles. Esto sucede entre los meses de mayo a noviembre y es probable que afecte la parte noroeste de la cuenca en estudio, donde se encuentra el núcleo de precipitación más intenso (4000 mm), y podría afectar la parte oeste del Valle del Guarco. Sin embargo al no contar con información de la variación mensual de la lluvia promedio no se puede establecer con certeza el desplazamiento del frente de brisa hacia el Valle del Guarco. Tampoco se hizo un estudio de distribución espacial de la lluvia y esto dificulta la identificación del desplazamiento del frente de brisa. 19 2.3.3 Brillo solar En la Figura 2.8 se muestra la distribución del brillo solar promedio diario sobre la cuenca. Figura 2.8. Mapa de brillo solar promedio anual. Fuente: Atlas Climatológico I.M.N. (1998). 20 Los valores que se presentan en la Figura 2.8 son promedios diarios al año. En esta cuenca hay tres zonas bien definidas de horas sol al año. Se puede observar que en la parte este, noreste, central y suroeste se presentan en promedio entre 4 h y 5 h de sol directo al día. Hacia el sureste de la cuenca las horas sol disminuyen hasta 3 h ó 4 h diarias. Se presenta una zona de 5 h a 6 h diarias de sol directo en la parte oeste de la cuenca, esto es cerca de Ochomogo, Cartago, Tobosi y parte de las faldas occidentales del Volcán Irazú. 2.3.4 Humedad relativa Se analizaron 4 estaciones de la cuenca que cuentan con un registro continuo de 2004 a 2009 inclusive. En el Cuadro B.1 del Anexo B se muestran las estaciones utilizadas. En la Figura 2.9 se observa el comportamiento promedio mensual de las diferentes estaciones. Figura 2.9. Variación promedio mensual de la humedad relativa para cuatro estaciones de la cuenca en estudio. Fuente: el autor. Las estaciones de Oriente, Terrena de Guatuso y Cachí (Plantel) presentan comportamientos muy similares. El valor mínimo se da en el mes de abril y el máximo en noviembre. Según Chacón (1983) los valores promedio de lluvia del periodo de mayo a noviembre son mayores a los valores para el periodo de diciembre – abril. Esto explica 60 65 70 75 80 85 90 95 100 E n e F e b M a r A b r M a y Ju n Ju l A g o S e t O ct N o v D ic H u m e d a d r e la ti v a [ % ] Humedad relativa promedio mensual Cachí (Plantel) Oriente C. la muerte Terrena de Guatuso 21 porque la humedad relativa es mayor entre los meses de mayo a noviembre. Los valores de humedad relativa son mayores para la estación de Oriente porque ésta se encuentra ubicada en una zona de mayor precipitación promedio anual que las otras estaciones. La estación de Cerro de la Muerte tiene un comportamiento similar, sin embargo los valores de humedad son marcadamente menores al resto de estaciones en los meses de febrero y marzo. Esta estación es la única de las cuatro estudiadas que se encuentra en la parte alta de la cuenca. Entre los meses de febrero y marzo se da una ausencia marcada de precipitaciones en esa zona. Esto podría ser una de las causas de la humedad relativa tan baja que se presenta en ese periodo. 2.3.5 Viento Se cuenta con datos de cuatro estaciones con registros desde 2006 a 2009 inclusive. Si bien es cierto este periodo es muy corto para definir un comportamiento característico del viento, por lo menos da una aproximación del comportamiento en esas estaciones. En la Figura 2.1 se puede observar la ubicación de las estaciones utilizadas. En el Cuadro B.2 del Anexo B se presenta la lista de estaciones utilizadas. En el Cuadro 2.2 se presentan las direcciones predominantes por mes para cada estación. Cuadro 2.2. Direcciones predominantes del viento por mes en cuatro estaciones de la cuenca. Campamento Pacayas San Pablo de Cot Tierra Blanca Enero N – S ENE NE E Febrero S ENE NE – ENE E – ENE Marzo N – NE -------- NE – ENE E Abril N E NE – ENE E Mayo N – S -------- NE E Junio S ENE NE ENE Julio N -------- NE ENE Agosto S N – ENE NE E – ENE Septiembre S E NE -------- Octubre S ESE N NO Noviembre N – S ENE NE – ENE E Diciembre S ENE NE – ENE ENE Fuente: el autor. En la Figura 2.1 se observa que las estaciones utilizadas se encuentran ubicadas en la parte norte de la cuenca (Tierra Blanca, San Pablo de Cot y Pacayas) y en la parte este 22 (campamento). Hay una clara predominancia de vientos con componente este y noreste en las tres estaciones de la parte norte de la cuenca durante todo el año. Es clara la influencia del flujo Alisio. En el caso de la estación de Campamento las direcciones predominantes tienen componentes norte y sur. Es probable que esto sea un fenómeno local que se deba a la topografía de la región. La depresión formada por el cañón del río Reventazón en las cercanías de la estación podría desviar los vientos con componente noreste generando vientos con componente norte. Es probable también que las montañas hacia el sur de la estación provoquen un reflujo del viento dándole a este un componente sur. Fenómenos de mesoescala como la brisa valle – montaña y viceversa también podrían afectar. La influencia del flujo Alisio afecta la cuenca especialmente entre los meses de diciembre a abril y entre julio y agosto. A pesar de que no se cuenta con más información de dirección del viento se sabe que la mayoría de precipitaciones por orografía y una gran parte de la humedad se dan por la influencia del flujo Alisio. También se sabe que los Vientos Oestes afectan a la cuenca en forma de vaguadas de altura. Debido a esto se producen temporales que pueden durar varios días y que pueden también producir inundaciones. Prueba de esto son los eventos ocurridos en febrero de 1996 y abril de 1970. En el capítulo VI se habla en detalle sobre lo ocurrido en esas fechas. Hay una influencia de vientos provenientes del Pacífico que entran al Valle Central Occidental por el cañón del río Grande de Tárcoles y que producen precipitaciones en la época lluviosa, entre mayo y noviembre. Murillo (1994) estableció la presencia de frentes de brisa debido a la convergencia de los vientos Alisios con estos vientos provenientes del Pacífico. Determinó zonas de alta precipitación asociadas a estos frentes en el cantón de Tres Ríos. No se descarta que esta zona de convergencia se pueda desplazar afectando principalmente la parte oeste de la cuenca del Reventazón, sin embargo no se cuenta con promedios mensuales de lluvia ni estudios de distribución espacial de la lluvia para asegurar esto. 23 Capítulo III 3. Relación lluvia – escurrimiento y tipos de tormentas En este capítulo se va a explicar brevemente la relación que hay entre la lluvia y el escurrimiento de esta en la cuenca. Hay una importante relación aquí entre el hietograma de tormenta y el hidrograma de caudal. Se va a explicar también de manera general los distintos tipos de precipitación que hay. 3.1 Relación lluvia – escurrimiento Cuando el agua de lluvia cae sobre la superficie de una cuenca sigue una serie de trayectorias hasta que llega a los cauces de los ríos y posteriormente sale de la cuenca. Una vez que la lluvia hace contacto con la superficie se infiltra. Cuando las capas superiores del suelo se saturan el agua empieza a escurrir sobre la superficie. En este proceso se llenan las depresiones del terreno y el agua escurre por las laderas hacia los cauces. A lo largo del trayecto del agua hacia los cauces más cercanos continúa el proceso de infiltración y se da la evaporación en pequeñas cantidades. Cuando finalmente el agua llega a un cauce se produce el escurrimiento en corrientes. Al flujo sobre el terreno, junto con el escurrimiento en corrientes se le llama escurrimiento superficial. La parte del agua llovida que se infiltró previamente escurre dentro de la tierra en dos formas: flujo subsuperficial y flujo subterráneo. El flujo subsuperficial es el que escurre en capas cercanas y subyacentes a la superficie, más o menos en forma paralela a esta. El flujo subterráneo corresponde al agua que se ha infiltrado por debajo del nivel freático y puede tardar hasta años en salir de la cuenca (Aparicio, 1989). El flujo superficial es el que más rápido de los tres llega a las corrientes de agua y hasta la salida de la cuenca. De esta manera está relacionado con un evento de precipitación en particular y se dice que proviene de la precipitación en exceso o efectiva, o sea el agua de lluvia que no se infiltra sino que escurre (Aparicio, 1989). Los escurrimientos subterráneo y subsuperficial son los responsables de mantener el flujo base, que es el agua que fluye por el cauce de los ríos durante todo el año, incluso en la época seca. Lo más importante en la relación lluvia – escurrimiento es la rapidez con que una cuenca responde a una tormenta, pues esto es lo que determina la magnitud de las crecientes en los cauces (Aparicio, 1989). Esta rapidez depende de la geomorfología de la cuenca y de los tipos de suelos y estratos subyacentes principalmente. 24 Hietograma de tormenta e hidrograma de caudal Ahora corresponde hablar sobre las partes inicial y final de este proceso de escurrimiento de la lluvia: el hietograma de tormenta y el hidrograma de caudal. El hietograma es un gráfico de lluvia contra el tiempo que muestra la distribución temporal de una determinada tormenta. De esta manera explica la parte inicial del proceso de escurrimiento del agua sobre una cuenca, la caída de la precipitación sobre la cuenca. Existen métodos directos e indirectos para obtener hietogramas de tormentas. Entre los métodos indirectos están el Método del Hietograma Triangular y métodos derivados de curvas de intensidad – duración – frecuencia. Como método directo se cita el análisis de series parciales o anuales de precipitación. El método del hietograma triangular aproxima un hietograma suponiendo una distribución triangular de la lluvia, dados una precipitación total de tormenta, una duración de tormenta y un coeficiente de retardo. Este coeficiente de retardo se estima a partir de mediciones de distintas tormentas e indica el momento en que una tormenta alcanza el pico de intensidad a lo largo de su duración. A partir de curvas de intensidad – duración – frecuencia se pueden utilizar métodos como el del bloque alterno. Este método consiste en obtener incrementos diferenciales de precipitación a partir de una curva i-d-f para una duración dada y luego reordenarlos alrededor del pico de la tormenta, distribuyendo los incrementos menores a ambos lados del pico de la tormenta. El método directo citado anteriormente consiste en la identificación de patrones temporales de comportamiento con base en series anuales o parciales de lluvia. En este trabajo se pretende hacer uso de este último método para la obtención de los hietogramas característicos. Finalmente el agua de lluvia que llega a los cauces de los ríos puede ser explicada mediante el hidrograma de caudal. El hidrograma de caudal es un gráfico que relaciona el volumen de agua que pasa por determinada sección de un cauce en el tiempo. 25 3.2 Tipos de precipitación Se pueden distinguir tres tipos básicos de precipitación: convectiva, ciclónica y orográfica. Precipitación convectiva Este tipo de precipitación está asociada a nubes de gran desarrollo vertical. Ejemplo de esto son los cumulonimbus, que son nubes que internamente están formadas por aire cálido y húmedo, con carácter ascendente formando grandes desarrollos verticales. Se forman celdas convectivas cuando se calienta la superficie del terreno intensamente, este calor superficial hace ascender las masas de aire cargadas de humedad. En este proceso las masas de aire se van enfriando hasta alcanzar el punto de rocío, posteriormente se produce la lluvia. Las precipitaciones que se generan pueden ser en forma de granizo y usualmente están acompañadas de tormentas eléctricas, aunque no necesariamente (Barry y Chorley, 1987). Entre las principales características de estas tormentas están su corta duración y el área relativamente pequeña que cubren. Una tormenta de este tipo usualmente dura entre media y una hora (Barry y Chorley, 1987), y puede cubrir un área de 20 km2 a 50 km2. Sin embargo se sabe que hay tormentas de origen convectivo que pueden durar hasta 6 horas (Chacón, 1980). Precipitación ciclónica Esta precipitación está asociada a sistemas de baja presión. Las características de la precipitación van a depender del tipo de sistema de baja presión y de su estado de desarrollo (Barry y Chorley, 1987). El mecanismo esencial es el ascenso de masas de aire debido a convergencia horizontal de corrientes en un centro de baja presión. Precipitación orográfica Este tipo de precipitación se da por el efecto de barrera producido generalmente por sistemas montañosos. En Costa Rica el sistema montañoso con dirección noroeste – sureste divide al país en dos y funciona como barrera orográfica. Los vientos Alisios arrastran las masas de aire cargadas de humedad provenientes del Caribe y las hacen ascender por las laderas de las montañas. En este proceso de ascenso se da la condensación y a determinadas alturas se empiezan a dar precipitaciones. 26 Capítulo IV 4 Metodología Se describe el procedimiento empleado para la elaboración de este trabajo. 4.1 Región de estudio y procesamiento de datos El área de estudio comprende la cuenca del río Reventazón hasta la confluencia de este con el río Guayabo. El Programa de Investigación en Desarrollo Urbano Sostenible (PRODUS) facilitó las hojas cartográficas digitalizadas en escala 1:50 000 de Pejibaye, Tapantí, Vueltas, Cuericí, Tucurrique, Istarú, Caraigres, Carrillo, Bonilla y Abra. La cuenca queda contenida entonces entre las coordenadas 9º 30` y 10º 30` latitud norte y 83º 30` y 84º 15` longitud oeste. El procesamiento de datos para el ajuste de los hietogramas característicos y para la obtención de los índices morfómetricos se realizó con hoja electrónica de cálculo. La generación y el análisis de los mapas se realizaron mediante sistemas de información geográfica (S.I.G.). Se utilizó el paquete informático ArcGIS de ESRI®. 4.2 Características morfométricas Se obtuvieron del S.I.G. los siguientes valores: área y perímetro de la cuenca, áreas parciales entre curvas de nivel, longitud al centroide, longitud de cauces tributarios y longitud del cauce principal. La elevación media de la cuenca se obtuvo directamente de la curva hipsométrica. El resto de características que se presentan en el Cuadro 2.1 se obtuvieron de forma analítica o se extrajeron de los mapas generados. En el Anexo C se muestran los ejemplos de cálculo y las ecuaciones utilizadas. 4.3 Mapas generales de la cuenca Se utilizó el paquete informático ArcGIS de ESRI®, que es un sistema de información geográfica (S.I.G.). El mapa básico a partir del cual se obtuvieron los demás es el de contorno de la cuenca. Este mapa se generó a partir de las curvas de nivel proporcionadas por PRODUS. 27 Generación del mapa base de contorno de la cuenca Lo primero que se hace es cargar en el G.I.S. la información de cada hoja cartográfica que se va a utilizar. Con la instrucción “Merge” se une la información de las distintas hojas cartográficas y se genera una capa que contiene la información de todas las hojas cartográficas a utilizar. A partir de la información de curvas de nivel se genera un modelo de elevación digital de la cuenca. El S.I.G, a través de interpolaciones entre curvas de nivel genera un modelo en tres dimensiones del área en estudio. Se genera ahora un archivo tipo “Raster” a partir del archivo obtenido en el paso anterior. En este paso es cuando se afina el modelo y se procede a corregir defectos ocasionados por errores en las curvas de nivel. Para esto se usa la extensión “Hidrology Modeling” del S.I.G. Una vez hecho esto se generan los archivos de dirección de escurrimiento y acumulación de aguas empleando la herramienta “Hidrology Modeling”. Con estos modelos y con la extensión “Hidrology Modeling” se genera el archivo de contorno de la cuenca. Se utiliza la instrucción “Watershed”. El resultado de este paso es un archivo tipo “Raster”. Finalmente el archivo obtenido en el paso anterior se convierte en un polígono con la herramienta “3D Analyst”. El archivo resultante es un archivo tipo “Shape” y es más conveniente para extracción de información y para la visualización en los mapas. Mapas de red hidrográfica y curvas de nivel Para generar el mapa con la red hidrográfica de la cuenca se digitalizaron los ríos con el S.I.G. Se generó una capa con esta información y se superpuso sobre el mapa de contorno de la cuenca. Este mapa se presenta en el Anexo A. El mapa de curvas de nivel se generó de manera similar al de la red hidrográfica. Con el contorno de la cuenca se recortó una capa con la información de las curvas de nivel. Luego se sobre puso esta capa a la cuenca. En el Anexo A se muestra el mapa que contiene las curvas de nivel de la cuenca. 28 Mapas con ubicación de las estaciones Los mapas con la ubicación de las estaciones se generaron ubicando las estaciones de acuerdo a sus coordenadas utilizando el S.I.G. Estos mapas se pueden ver en el Anexo A. 4.3.1 Mapa de precipitación promedio anual Este mapa fue obtenido de PRODUS. Para su confección se utilizaron estaciones del I.C.E. y se utilizó un periodo de registro de 10 años, de 1976 a 1985 inclusive. 4.3.2 Mapas de temperatura media, máxima y mínima promedio anual Para su generación se utilizaron las fotos de los mapas de temperatura media, máxima y mínima promedio anual contenidos en el Atlas Climatológico Interactivo del I.M.N. (I.M.N, 1998). El primer paso fue referenciar las figuras del I.M.N. con el S.I.G. para hacerlas coincidir con un sistema de coordenadas. Luego, haciendo uso de la herramienta “Editor” se generaron archivos tipo “shape” con la información de los mapas del I.M.N. Para esto se utilizó el archivo de contorno de la cuenca previamente generado. De esta forma se puede observar la variación en los valores de temperatura dentro de la cuenca. 4.3.3 Mapa de brillo solar Para la obtención de este mapa se siguió una metodología igual a la usada para los mapas de temperaturas. Se utilizó la información del Atlas Climatológico Interactivo del I.M.N. (I.M.N, 1998). 4.3.4 Mapas de distribución de hietogramas característicos Para la elaboración de estos mapas se partió del contorno de la cuenca. Se generaron Polígonos de Thiessen para determinar el área de influencia de cada estación. Lo primero que hay que hacer es cargar el archivo tipo “Shape” que contiene la información de las estaciones. Luego se utiliza la extensión “Thiessen” del S.I.G. La salida de este proceso es un archivo tipo “Shape” que contiene las áreas de influencia de todas las estaciones. Se seleccionan las áreas afectadas por determinado tipo de hietograma característico según sea el caso y se generan nuevos polígonos. Para esto se utiliza la instrucción “Export Data”. Cuando se tienen los diferentes polígonos según el tipo de 29 hietograma y el área de influencia se puede seleccionar cuáles mostrar en los distintos mapas. 4.4 Humedad relativa Los datos de humedad relativa se obtuvieron del I.C.E. Se utilizó un periodo de 6 años de registro desde 2004 hasta 2009 inclusive. Para completar la información faltante se utilizaron los valores promedio del registro. En el Cuadro B.1 del Anexo B se encuentran las estaciones utilizadas. El procesamiento de los datos se realizó con hoja electrónica de cálculo. 4.5 Viento Los datos de viento se obtuvieron del I.C.E. Se cuenta con el registro de cuatro estaciones que comprende el periodo de 2006 a 2009 inclusive. En el Cuadro B.2 del Anexo B se encuentra la lista de estaciones utilizada. 4.6 Hietogramas característicos Se usaron 14 estaciones con registro de precipitación continuo del I.C.E. En el Cuadro B.3 del Anexo B se muestran las estaciones utilizadas. Primero se determinó el periodo en que la mayor cantidad de estaciones tenía un registro continuo de precipitación. Se determinó que lo mejor era usar un periodo de 40 años desde 1970 hasta 2009 inclusive. Una vez hecho esto se hizo un listado con los días en que se presentaron los máximos de precipitación de cada año para todas las estaciones. Con esta información se empezó a buscar y organizar las bandas de cada una de las estaciones. Se agruparon por estaciones y se verificó que todos los máximos anuales se encontraran. Para sustituir los máximos faltantes o los de las bandas que estaban dañadas se utilizaron bandas con el máximo inferior siguiente del mismo año, o en su defecto con un máximo de una banda de otro año pero de la misma estación. Lectura de bandas pluviográficas Con la información organizada se digitalizó cada banda correspondiente al máximo anual de cada estación. Para digitalizar las bandas se utilizó un escáner. Se colocó la banda sobre la pantalla del escáner y se tomaron una o dos imágenes dependiendo de la duración de la tormenta. Las tormentas de menor duración se podían digitalizar en una 30 sola imagen pero las de mayor duración no porque el largo de la banda excede el largo de la pantalla del escáner. Una vez que las bandas fueron digitalizadas se cargaron en el programa informático AutoCAD para hacer la lectura. Se les dio escala y se procedió a trazar una polilínea con la instrucción “Polyline” para extraer los incrementos de precipitación cada 10 minutos. Esta información se digitó en una hoja electrónica de cálculo y se obtuvieron los hietogramas para cada tormenta máxima anual de cada estación graficando los datos de lluvia cada 10 minutos. De esta forma se obtuvieron cuarenta hietogramas para cada estación. Los totales de precipitación obtenidos de la lectura de las bandas se compararon con los totales registrados por el I.C.E. y se hicieron los ajustes necesarios. Es importante destacar que hay un margen de error en la lectura de las bandas y que se debe principalmente al factor de escala, a la distorsión de la imagen y a fallas en el funcionamiento del los pluviógrafos. Luego de la lectura de todas las bandas se encontró que este error puede llegar a ser hasta 4% del total llovido. Inicialmente se tomaron como patrón los valores registrados por el I.C.E, sin embargo como esas lecturas fueron hechas de forma visual directamente de las bandas también están sujetas a errores. Por este motivo para cada caso en particular se hizo el análisis correspondiente para determinar el total de cada tormenta. Una vez leída la banda se hizo una revisión visual y si la diferencia entre el total leído y el total registrado por el I.C.E. era de 2% del total o menor se ajustaba el valor leído con el total del I.C.E. Si la diferencia era mayor se tomó el valor leído como válido. En el caso de las estaciones que se encuentran automatizadas no fue necesaria la lectura de las bandas. Se obtuvo del I.C.E. la información tabulada cada 10 ó 5 minutos, se digitó en la hoja electrónica de cálculo y se elaboraron los hietogramas. Ajuste de los hietogramas característicos Una vez que se procesó y ajustó la información de las tormentas se procedió a generar los hietogramas característicos para cada estación. En cada estación se generaron dos o más hietogramas característicos según la duración y el comportamiento de las tormentas en el tiempo. Clasificación de las tormentas Se clasificaron las tormentas de cada estación en dos grupos generales: tormentas de larga duración y tormentas de corta duración. Los criterios que se utilizaron para la 31 división en estas dos categorías fueron la duración y el comportamiento en el tiempo. Se elaboraron gráficos de lluvia acumulada contra tiempo en minutos para hacer la separación de las tormentas en cada estación. Cada estación tiene distribuciones temporales diferentes en sus tormentas debido a factores geográficos y climáticos como el viento y los distintos microclimas que se presentan en la cuenca. No hay un tiempo único y definido válido para todas las estaciones a la hora de separar las tormentas en corta y larga duración. La mayoría de las tormentas de larga duración en todas las estaciones van desde 15 horas hasta 24 horas. Las tormentas de corta duración se extienden desde 3 horas hasta 13 horas aproximadamente. Para cada estación se hizo el análisis en particular y se clasificaron las tormentas. Una vez que se hizo esta clasificación general se analizaron los grupos de tormentas de corta y larga duración separadamente. Se identificaron patrones temporales de comportamiento de las tormentas. Se agruparon las tormentas que presentaron patrones de comportamiento similares y se elaboraron los hietogramas característicos para cada grupo presente en cada estación. Estos hietogramas se analizaron para encontrar comportamientos similares entre distintas estaciones de la cuenca. Más adelante en esta sección se explica en detalle este proceso. Recortes en la duración de las tormentas En algunas tormentas fue necesario hacer recortes en la duración. Esto se hizo para ajustar las tormentas a comportamientos específicos y para eliminar partes de la tormenta en las cuales la intensidad de la lluvia es tan baja que no tiene fines prácticos incluirla para el diseño. Se hicieron recortes siguiendo los siguientes criterios: Criterio 1 Algunas tormentas presentan al inicio o al final tramos en que cae muy poca precipitación en mucho tiempo, o sea su intensidad es muy baja. Esto afecta la duración y no aporta precipitación significativa al cuerpo de la tormenta. En algunos de estos casos se hicieron recortes de hasta 2% de la precipitación total. Criterio 2 Hay otras tormentas de corta duración en las cuales después de caer la mayor cantidad de agua (95% o más), transcurridas tres horas o más sin lluvia, presentan un pequeño remanente. En este caso se puede recortar ese remanente que representa hasta un 5% 32 del total de lluvia. Se puede aplicar este criterio cuando esta pequeña cantidad de lluvia cae antes del cuerpo de la tormenta, siempre espaciados por tres horas o más sin lluvia. Es muy importante tomar en cuenta el periodo que transcurre entre el cuerpo de la tormenta y el remanente para poder realizar el recorte. Para este trabajo se ha fijado en tres horas. Este criterio es arbitrario pero se ha consultado con meteorólogos del I.C.E. para fijar el tiempo. Elaboración de los hietogramas característicos La determinación de los distintos comportamientos característicos se hizo de manera visual. Se analizaron por separado las tormentas de corta y larga duración. Se utilizaron los gráficos de lluvia acumulada en porcentaje contra tiempo en minutos elaborados previamente y se confeccionaron nuevos gráficos para cada estación en los cuales se mostraron los valores de precipitación acumulada contra tiempo acumulado, ambos valores en porcentaje. De esta manera se pudo observar los distintos comportamientos en el tiempo de las tormentas. Para complementar esto se sobrepusieron en un histograma de lluvia cada 10 minutos las distintas tormentas. Mediante inspección visual de los gráficos anteriores y desplazando las tormentas sobre el eje de la duración de los histogramas se identificaron los distintos comportamientos característicos. Esto último se hizo para hacer coincidir patrones temporales que puedan estar desplazados en el tiempo. Se tomaron en cuenta tres cosas importantes: la duración de cada tormenta, su intensidad y su distribución temporal, esto último quiere decir la forma que presenta el histograma de precipitación cada 10 minutos. Estos tres elementos deben ser lo más homogéneos que se pueda en cada grupo de tormentas. Cuando se determinaron los distintos comportamientos característicos se sacaron los promedios de precipitación de todas las tormentas que se clasificaron dentro de un mismo grupo. Al estar las tormentas superpuestas se promediaron los intervalos en los cuales hay lluvia, cada 10 minutos. De esta manera se obtuvo un hietograma resultante pero con una duración que no es representativa. Esto porque al desplazar las tormentas sobre el eje horizontal de los histogramas para hacer coincidir patrones de comportamiento similares, la duración del hietograma promediado resultante es mayor que la de las tormentas individuales que lo conforman. Lo que se hizo entonces fue promediar las duraciones de todas las tormentas que se agruparon como un mismo tipo para obtener un único tiempo. Con base en este tiempo promedio se seleccionó la parte del hietograma en la cual la mayor cantidad de tormentas que lo forman coincidieron. Esta parte del 33 hietograma debe reflejar lo mejor posible el comportamiento de las tormentas individuales que pertenecen a ese grupo. De esta forma se ajustó un solo hietograma característico para el grupo de tormentas, de acuerdo a un tiempo promedio y con intensidades promedio. El hietograma se muestra en porcentaje de lluvia cada 10 minutos. Cuando se obtuvieron todos los hietogramas característicos de todas las estaciones se buscaron comportamientos que se repitieran en distintas estaciones y se procedió a hacer una clasificación para determinar luego las zonas de la cuenca que se vieron afectadas por distintos hietogramas característicos. 34 Capítulo V 5 Resultados En esta sección se presentan los hietogramas característicos obtenidos para cada estación. En el Cuadro B.3 del Anexo B se encuentra la lista de estaciones utilizadas para la elaboración de los hietogramas. En los Cuadros del B.4 al B.17 se muestran los máximos anuales de precipitación utilizados. Se indica entre paréntesis el máximo anual que se utilizó para sustituir datos faltantes en caso de que fuera necesario. En el Anexo D se muestran los gráficos con las curvas acumuladas de todas las tormentas por estación y de los hietogramas característicos obtenidos para cada estación. En el Anexo E se muestran los valores tabulados de los hietogramas característicos obtenidos para todas las estaciones. Se muestra además de forma preliminar las zonas de influencia de los distintos tipos de hietogramas característicos sobre la cuenca. Se hizo un análisis para cada estación por separado. Se dividieron las tormentas en dos categorías principales: corta duración y larga duración. Luego estas categorías se subclasificaron en diferentes tipos de acuerdo a la distribución temporal de las tormentas. En los Cuadros 5.1 y 5.2 se muestran los criterios utilizados para la clasificación de los diferentes tipos de hietogramas característicos obtenidos. 35 Cuadro 5.1. Criterios utilizados para la clasificación de hietogramas característicos de corta duración. Tipos de tormentas corta duración Tipo 1C El 70% o más de la lluvia precipita antes del 50% del tiempo de duración de la tormenta. Presenta forma de campana sesgada hacia la izquierda y decrece hacia la derecha. Tipo 2C El 70% o más de la lluvia precipita antes del 50% del tiempo de duración de la tormenta. Presenta forma de campana sesgada hacia la izquierda y decrece hacia la derecha pero tiene dos máximos en vez de uno en la parte superior de la campana. Tipo 3C Más del 85% de la lluvia precipita después del 50% del tiempo de duración de la tormenta. Presenta forma de campana sin sesgo pero desplazada hacia la derecha. Tipo 4C El 70% o más de la lluvia está concentrada hacia el centro de la duración de la tormenta. Presenta forma de campana sin sesgo. Tipo 5C Presenta una forma de dos campanas consecutivas, donde la lluvia de la tormenta se divide aproximadamente igual entre las dos campanas. La separación entre las dos campanas es de entre 12% y 30% del tiempo de la tormenta. Tipo 6C Presenta una forma de dos campanas consecutivas, donde la lluvia de la tormenta se divide aproximadamente igual entre las dos campanas. La separación entre las dos campanas es menor que la Tipo 5C, apenas alcanza a 8% de la duración de la tormenta. Tipo 7C La forma del hietograma presenta tres máximos entre los que se intercalan zonas de poca lluvia. Cada máximo tiene forma aproximada de campana. Fuente: el autor Cuadro 5.2. Criterios utilizados para la clasificación de hietogramas característicos de larga duración. Tipos de tormentas larga duración Tipo 1L Presenta forma de campana sesgada hacia la izquierda y decrece hacia la derecha. Aproximadamente el 60% de la lluvia precipita antes o al cumplirse el 50% del tiempo de la tormenta Tipo 1La Tiene forma de campana sesgada a la izquierda pero inicia con una intensidad muy alta. Aproximadamente 30% de la lluvia precipita antes o al cumplirse el 5% de la duración de la tormenta. Decrece hacia la derecha. Tipo 1Lb Más del 85% de la lluvia de la tormenta precipita al cumplirse el 50% del tiempo de la tormenta. El 10% restante de lluvia precipita hacia el final de la tormenta. Ambos porcentajes de lluvia están distribuidos hacia los extremos y su forma es poco regular. Tipo 2L El 70% o más de la lluvia precipita después del 50% del tiempo de duración de la tormenta. Presenta forma de campana sesgada hacia la derecha y decrece hacia la izquierda. 36 Continuación Cuadro 5.2. Criterios utilizados para la clasificación de hietogramas característicos de larga duración. Tipo 3L En algunos casos la lluvia se concentra hacia el centro pero en general su intensidad es bastante uniforme a lo largo de toda la tormenta. Las curvas acumuladas de los hietogramas de este tipo son bastante rectas y forman un ángulo aproximado de 45º con el eje horizontal. Tipo 4L Tiene forma de campana sin sesgo y la mayor parte de la lluvia se concentra hacia el centro de la tormenta. Tipo 5L Aproximadamente el 90% de la lluvia precipita al cumplirse el 70% del tiempo. Hasta este punto el hietograma presenta intensidades uniformes aumentando hacia el centro del hietograma. El 10% se distribuye al final con una intensidad baja y uniforme. Tipo 6L La forma del hietograma presenta tres máximos entre los que se intercalan zonas de poca lluvia. Cada máximo tiene forma aproximada de campana. Tipo 7L La forma del hietograma presenta cuatro máximos entre los que se intercalan zonas de poca lluvia. Cada máximo tiene forma aproximada de campana. Tipo 8L La lluvia de la tormenta se distribuye aproximadamente igual acumulándose hacia los extremos del hietograma. Fuente: el autor En cada estación se analizaron 40 tormentas máximas anuales. Algunas de ellas conformaron comportamientos de corta o larga duración o no encajaron en ningún comportamiento. En el Cuadro 5.3 se muestra el resumen de los distintos tipos de hietogramas característicos de corta y larga duración obtenidos por estación, sus duraciones promedio, su clasificación según los Cuadros 5.1 y 5.2, la cantidad de tormentas que presentaron el comportamiento de dicho hietograma característico y los porcentajes que representan esas tormentas del total de 40 tormentas por estación. Las tormentas que no pertenecen a ningún tipo de hietograma característico se clasifican como N.P. 37 Cuadro 5.3. Resumen de clasificación de tormentas de todas las estaciones. Estación Categoría según duración Duración [min] Tipo de hietograma Número de tormentas Total de tormentas Porcentaje del total de tormentas Sanatorio Durán C.D. 410 1C 15 26 57,7 450 2C 3 11,5 N.P. -------- 8 30,8 L.D. 1000 1La 6 14 42,9 1210 4L 6 42,9 1340 2L 2 14,2 San Rafael de Tapantí C.D. 350 4C 16 29 55,2 420 1C 3 10,3 370 5C 6 20,7 N.P. -------- 4 13,8 L.D. 1440 3L 8 11 72,7 1010 6L 3 27,3 El Cañón C.D. 520 1C 8 23 34,8 480 3C 7 30,4 650 7C 2 8,7 N.P. -------- 6 26,1 L.D. 1360 3L 13 17 76,5 N.P. -------- 4 23,5 El Humo C.D. 430 5C 9 26 34,6 340 4C 12 46,2 N.P. -------- 5 19,2 L.D. 1400 3L 11 14 78,6 N.P. -------- 3 21,4 Embalse - El Llano C.D. 380 4C 17 31 54,8 420 5C 7 22,6 N.P. -------- 7 22,6 L.D. 1440 3L 6 9 66,7 900 5L 2 22,2 N.P -------- 1 11,1 Villa Mills C.D. 570 1C 12 25 48,0 640 5C 5 20,0 N.P. -------- 8 32,0 L.D. 1260 1L 4 15 26,7 1260 2L 7 46,6 N.P. -------- 4 26,7 Tres de Junio C.D. 460 4C 6 17 35,3 530 5C 9 52,9 N.P. -------- 2 11,8 L.D. 1400 3L 13 23 56,6 1440 1L 7 30,4 N.P. -------- 3 13,0 La Cangreja C.D. 440 1C 25 37 67,6 N.P. -------- 12 32,4 L.D. 1240 2L 2 3 66,7 1200 1Lb 1 33,3 38 Continuación cuadro 5.3. Resumen de clasificación de tormentas de todas las estaciones. Estación Categoría según duración Duración [min] Tipo de hietograma Número de tormentas Total de tormentas Porcentaje del total de tormentas La Suiza C.D. 470 5C 6 15 40,0 480 4C 4 26,7 420 6C 2 13,3 N.P. -------- 3 20,0 L.D. 1440 2L 6 25 24,0 1440 1L 11 44,0 1150 4L 4 16,0 1350 7L 4 16,0 Cachí (Plantel) C.D. 450 1C 6 21 28,6 450 6C 4 19,0 300 4C 8 38,1 N.P. -------- 3 14,3 L.D. 1440 3L 11 19 57,8 1320 6L 4 21,1 1330 4L 4 21,1 Tucurrique C.D. 380 5C 3 17 17,6 320 7C 3 17,6 340 1C 7 41,3 N.P. -------- 4 23,5 L.D. 1440 2L 5 23 21,7 1440 3L 5 21,7 1350 5L 6 26,2 1440 8L 4 17,4 N.P. -------- 3 13,0 San Antonio de Turrialba C.D. 560 4C 6 8 75,0 400 1C 2 25,0 L.D. 1440 3L 10 32 31,2 1440 6L 6 18,8 1330 1L 7 21,9 1440 8L 6 18,8 N.P. -------- 3 9,3 Oriente C.D. 470 1C 6 28 21,4 330 4C 10 35,7 350 6C 5 17,9 N.P. -------- 7 25,0 L.D. 1440 3L 8 12 66,7 1440 2L 3 25,0 N.P. -------- 1 8,3 Sitio de Presa Tapantí C.D. 400 4C 13 24 54,2 340 7C 2 8,3 470 1C 6 25,0 N.P. -------- 3 12,5 L.D. 1440 1L 13 16 81,3 N.P. -------- 3 18,7 Fuente: el autor. 39 En el Cuadro 5.4 se presentan la cantidad total de tormentas de corta y larga duración tomando en cuenta todas las estaciones. El número que no está entre paréntesis representa el total de tormentas que presentaron alguno de los tipos de comportamientos descritos en los Cuadros 5.1 y 5.2. Los datos entre paréntesis representan el total de tormentas de corta o larga duración analizadas; estos suman 560 que es el número total de tormentas analizadas. Finalmente se presenta el tiempo promedio tomando en cuenta todos los hietogramas característicos de corta y larga duración por separado. Cuadro 5.4. Cantidad de tormentas de corta y larga duración y tiempos promedio de los hietogramas de corta y larga duración. Cantidad total de tormentas C.D. Cantidad total de tormentas L.D. Total tormentas 255 (327) 208 (233) Tiempo promedio [min] 435 1334 Fuente: el autor En el Cuadro 5.5 se presenta la cantidad de estaciones que tienen determinado tipo de hietograma característico y el total de tormentas de todas las estaciones que se ajustan a determinado tipo de hietograma. Cuadro 5.5. Distribución de hietogramas característicos por estación y cantidad de tormentas que presentan determinado comportamiento. Comportamientos corta duración Tipo 1C Tipo 2C Tipo 3C Tipo 4C Tipo 5C Tipo 6C Tipo 7C Cantidad de estaciones 10 1 1 9 7 3 3 Cantidad de tormentas 90 3 7 92 45 11 7 Comportamientos larga duración Tipo 1L Tipo 1La Tipo 1Lb Tipo 2L Tipo 3L Tipo 4L Tipo 5L Tipo 6L Tipo 7L Tipo 8L Cantidad de estaciones 5 1 1 6 8 3 2 3 1 2 Cantidad de tormentas 42 6 1 25 85 14 8 13 4 10 Fuente: el autor 40 Se muestran a continuación los hietogramas característicos de todas las estaciones. En el Cuadro 5.3 se pueden observar la cantidad de tormentas que conforman cada hietograma característico. 5.1 73011 Sanatorio Durán Hietogramas corta duración Hay 26 tormentas de corta duración. Se encontraron dos comportamientos característicos. Hay 8 tormentas que no se ajustan a ninguno de los comportamientos y representan 30,8% del total de tormentas. Tipo 1C Tiene 15 tormentas que representan 57,7% del total. Figura 5.1. Hietograma característico Tipo 1C Sanatorio Durán. Fuente: el autor. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 1C Sanatorio Durán 41 Tipo 2C Tiene 3 tormentas que representan 11,5% del total. Figura 5.2. Hietograma característico Tipo 2C Sanatorio Durán. Fuente: el autor. 0 2 4 6 8 10 12 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 2C Sanatorio Durán 42 Hietogramas larga duración Hay 14 tormentas. Se encontraron tres comportamientos característicos. Tipo 1La Tiene 6 tormentas que representan 42,9% del total. Figura 5.3. Hietograma característico Tipo 1La Sanatorio Durán. Fuente: el autor. 0 2 4 6 8 10 12 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 5 2 0 5 4 0 5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 0 7 2 0 7 4 0 7 6 0 7 8 0 8 0 0 8 2 0 8 4 0 8 6 0 8 8 0 9 0 0 9 2 0 9 4 0 9 6 0 9 8 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 1La Sanatorio Durán 43 Tipo 4L Tiene 6 tormentas que representan 42,9% del total. Figura 5.4. Hietograma característico Tipo 4L Sanatorio Durán. Fuente: el autor. Tipo 2L Tiene 2 tormentas que representan 14,2% del total. Figura 5.5. Hietograma característico Tipo 2L Sanatorio Durán. Fuente: el autor. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 3 9 0 4 2 0 4 5 0 4 8 0 5 1 0 5 4 0 5 7 0 6 0 0 6 3 0 6 6 0 6 9 0 7 2 0 7 5 0 7 8 0 8 1 0 8 4 0 8 7 0 9 0 0 9 3 0 9 6 0 9 9 0 1 0 2 0 1 0 5 0 1 0 8 0 1 1 1 0 1 1 4 0 1 1 7 0 1 2 0 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 4L Sanatorio Durán 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 3 9 0 4 2 0 4 5 0 4 8 0 5 1 0 5 4 0 5 7 0 6 0 0 6 3 0 6 6 0 6 9 0 7 2 0 7 5 0 7 8 0 8 1 0 8 4 0 8 7 0 9 0 0 9 3 0 9 6 0 9 9 0 1 0 2 0 1 0 5 0 1 0 8 0 1 1 1 0 1 1 4 0 1 1 7 0 1 2 0 0 1 2 3 0 1 2 6 0 1 2 9 0 1 3 2 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 2L Sanatorio Durán 44 5.2 73026 San Rafael de Tapantí Hietogramas corta duración Hay 29 tormentas de corta duración. Se encontraron tres comportamientos característicos. Hay 4 tormentas que no se ajustan a ningún comportamiento y representan 13,8% del total de tormentas. Tipo 4C Tiene 16 tormentas que representan 55,2% del total. Figura 5.6. Hietograma característico Tipo 4C San Rafael de Tapantí. Fuente: el autor. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 2 0 0 2 1 0 2 2 0 2 3 0 2 4 0 2 5 0 2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0 3 0 0 3 1 0 3 2 0 3 3 0 3 4 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 4C San Rafael de Tapantí 45 Tipo 1C Tiene 3 tormentas que representan 10,3% del total. Figura 5.7. Hietograma característico Tipo 1C San Rafael de Tapantí. Fuente: el autor. Tipo 5C Tiene 6 tormentas que representan 20,7% del total. Figura 5.8. Hietograma característico Tipo 5C San Rafael de Tapantí. Fuente: el autor. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 1C San Rafael de Tapantí 0 2 4 6 8 10 12 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 2 0 0 2 1 0 2 2 0 2 3 0 2 4 0 2 5 0 2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 0 3 0 0 3 1 0 3 2 0 3 3 0 3 4 0 3 5 0 3 6 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 5C San Rafael de Tapantí 46 Hietogramas larga duración Hay 11 tormentas de larga duración. Se encontraron dos comportamientos característicos. Tipo 3L Tiene 8 tormentas que representan 72,7% del total. Figura 5.9. Hietograma característico Tipo 3L San Rafael de Tapantí. Fuente: el autor. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 3 9 0 4 2 0 4 5 0 4 8 0 5 1 0 5 4 0 5 7 0 6 0 0 6 3 0 6 6 0 6 9 0 7 2 0 7 5 0 7 8 0 8 1 0 8 4 0 8 7 0 9 0 0 9 3 0 9 6 0 9 9 0 1 0 2 0 1 0 5 0 1 0 8 0 1 1 1 0 1 1 4 0 1 1 7 0 1 2 0 0 1 2 3 0 1 2 6 0 1 2 9 0 1 3 2 0 1 3 5 0 1 3 8 0 1 4 1 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 3L San Rafael de Tapantí 47 Tipo 6L Tiene 3 tormentas que representan 27,3% del total. Figura 5.10. Hietograma característico Tipo 6L San Rafael de Tapantí. Fuente: el autor. 5.3 73027 El Cañón Hietogramas corta duración Hay 23 tormentas de corta duración. Se encontraron dos comportamientos característicos. Se menciona un tercer comportamiento que representa un porcentaje muy bajo del total de tormentas (8,7%). Seis tormentas no pertenecen a ninguna familia y representan el 26,1% del total de tormentas. 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 0 2 7 0 3 0 0 3 3 0 3 6 0 3 9 0 4 2 0 4 5 0 4 8 0 5 1 0 5 4 0 5 7 0 6 0 0 6 3 0 6 6 0 6 9 0 7 2 0 7 5 0 7 8 0 8 1 0 8 4 0 8 7 0 9 0 0 9 3 0 9 6 0 9 9 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 6L San Rafael de Tapantí 48 Tipo 1C Tiene 8 tormentas que representan 34,8% del total. Figura 5.11. Hietograma característico Tipo 1C El Cañón. Fuente: el autor. Tipo 3C Tiene 7 tormentas que representan 30,4% del total. Figura 5.12. Hietograma característico Tipo 3C El Cañón. Fuente: el autor. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0 3 8 0 4 0 0 4 2 0 4 4 0 4 6 0 4 8 0 5 0 0 Ll u v ia [ % ] Tiempo [min] Hietograma Tipo 1C El Cañón 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 0