Manual de utilización para HMS, Apuntes de Hidrología

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Manual de utilización del

programa HEC-HMS

Manual de utilización del programa HEC-HMS (v 3.3.0)

HEC-HMS está indicado para la modelación de los procesos hidrológicos más habituales que se dan en una cuenca. Este manual quiere ser una ayuda para los usuarios noveles. Dado que este programa es de distribución gratuita, surgen algunos problemas de utilización si no se conocen las pautas de trabajo a seguir. Además no es un programa pensado para trabajar en red, y esto hace que aparezcan más problemas si no se siguen los pasos expuestos en este manual. Gracias a la experiencia con los alumnos de la Escuela de Ing. de Caminos de Barcelona del curso 2003-2004 se han detectado la mayoría de errores de utilización y configuración del programa. Todos ellos se exponen detalladamente en este manual para que no supongan una pérdida de tiempo para los nuevos usuarios.

1. Configuración del equipo

Los ordenadores más recientes tienen como sistema operativo Windows XP o Vista. HEC-HMS se desarrolló para Windows 95 y 98. Por lo tanto, al instalar el programa en cualquier PC con una versión Windows superior a estos dos, se debe activar compatibilidad con Windows 95 ó 98. La mayoría de ordenadores ya están configurados así pero existen algunos que no, por lo que deberá verificarse antes de ejecutar el programa. Lo mejor es comprobarlo antes de empezar.

 En el icono de acceso directo del programa, hacer “click” con el botón derecho del ratón. Aparece un menú flotante, ir a “Propiedades” y hacer “click” (figura 1).  Aparece un menú con varias pestañas. Hacer “click” en la que se titula “Compatibilidad”. La casilla “ Ejecutar este programa en el modo de compatibilidad para:” debe estar ACTIVADA. Y en el menú desplegable seleccionar “Windows 95” o “Windows 98/Me”. Al final, la pantalla debe quedar como la figura 2. Luego se pulsa “Aplicar” y “Aceptar”

Una vez comprobada la compatibilidad del programa se debe cambiar la configuración regional del equipo. Este paso se debe realizar SIEMPRE.

Figura 1 Figura 2

Figura 6

2. Como resultado del paso 1 aparece el formulario de la figura 6. Es el paso clave a realizar si no se quiere tener el error 2 del anejo de Problemas con HMS. Al dar un nombre al proyecto nuevo, se crea una carpeta con dicho nombre en donde se guardarán todos los datos referidos a ese proyecto (C:\hmsproj[Nombre del nuevo proyecto]

IMPORTANTE: Trabajad SIEMPRE en la unidad “C:\” y NUNCA en disquete, o en memoria externa tipo pen drive, porque como el proyecto crece acabaréis sin memoria y tendréis que volver a empezar todo el trabajo de nuevo.

Para llevarse el trabajo a casa, copiad la carpeta que ha creado el programa con el nombre del proyecto en cualquier dispositivo de memoria externa. Al día siguiente volved a copiar la carpeta en la unidad C:\ y abrid el proyecto desde HEC-HMS y NO desde la carpeta del proyecto.

3. Una vez creado, el proyecto se carga automáticamente para trabajar con él. En este momento se deben cambiar los atributos del proyecto para que el programa tenga las opciones con las que trabajamos habitualmente. Para ello: Tools > Project Options (aparece el formulario de la figura 7).

En el modelo hidrológico de Andorra, a partir de una IDF sintética y con la ayuda del método de los bloques alternados se obtiene la precipitación bruta de las cuencas a tratar. Para realizar el paso a precipitación neta se deberá aplicar alguno de los métodos que evalúe las pérdidas por infiltración, evapotranspiración, retención en depresiones o interceptación. En el caso del estudio realizado se ha aplicado el método de pérdidas del SCS sin evapotranspiración.

Una vez obtenida la lluvia neta, se debe realizar una transformación lluvia- escorrentía mediante un hidrograma unitario. A falta de tener como dato el hidrograma unitario real de la cuenca se debe escoger uno sintético. Por sencillez de definición y a falta de más datos, se ha utilizado el hidrograma unitario sintético propuesto por el SCS. Los hidrogramas obtenidos a la salida de las cuencas circulan a través de cauces. Por lo tanto, se debe aplicar un método que evalúe la propagación y laminación de dichos hidrogramas. El método utilizado en el estudio es el de Muskingum.

Figura 7

Por tanto como se enseña en la figura 7 se marcan en el menú tools>project options las opciones:

Pestaña “ Defaults ”: Aquí se deciden los métodos a utilizar para realizar la modelización del proceso Lluvia-Escorrentía.

i. Todo en sistema métrico internacional ii. “Loss”: SCS curve No. iii. “Transform”: SCS Unit Hydrograph iv. “BaseFlow”: None v. “Routing”: Muskingum vi. “Precipitation”: Specified Hyetograph vii. “Evapotranspiration”: No Evapotranspiration

Al crear un nuevo proyecto surge la necesidad de crear un Basin Model, un Meteorologic Model y un Control Specifications como se especifica en los apartados 3, 4 y 5 que siguen.

3. Basin Model

Para crear un nuevo Basin Model: (figura 8) pulsar Components > Basin Model >New (figura 8). Aparecerá entonces el formulario de la figura 9 donde se dará un nombre al modelo de cuencas y su descripción. Al apretar “OK” se visualiza la pantalla de la figura 10 con la que de manera gráfica se definirán los parámetros necesarios para la modelización de las cuencas.

En la barra de “Elements” de la figura 10 se observan siete elementos que permiten la representación esquemática de una cuenca para su modelización. Para poner cualquiera de estos elementos en el tablero de dibujo se debe seleccionar el icono y clickear en el punto donde se quiere colocar el elemento que aparece hasta el tablero de dibujo. Para que aparezcan los formularios que permiten rellenar los datos de cada elemento basta con hacer dobleclick encima de ellos.

Figura 8 Figura 9

Iconos de la Barra “Elements” Creation Tools

1. Subbasin Creation Tool

La cuenca a modelar se divide en diferentes subcuencas. Para realizar la representación en el modelo de ellas se hace uso de los elementos “Subbasin”. Al hacer dobleclick encima de un elemento subbasin aparece un formulario donde se pueden definir los parámetros que caracterizan a éste, como por ejemplo el área.

2. Reach Creation Tool

Los hidrogramas resultantes a la salida de las subcuencas se propagan a través de cauces. El hecho que un hidrograma viaje por un cauce provoca cambios en el hidrograma. Para tener en cuenta este efecto se deben utilizar los elementos “Reach”. Al hacer dobleclick encima de ellos se puede escoger el método de propagación y rellenar los parámetros necesarios para su definición. Para el caso del trabajo, se debe escoger el método de propagación de Muskingum y proporcionar los parámetros K y X que definen el cauce.

3. Reservoir Creation Tool

Para prevenir crecidas importantes en ciertos puntos de interés se deberán ubicar embalses de laminación que se modelarán mediante los elementos “Reservoir”.

4. Junction Creation Tool

Para representar la operación de suma de hidrogramas en un punto, HMS dispone del icono “Junction”.

5. Diversion Creation Tool

Existen puntos de la red donde pueden existir estructuras hidráulicas como vertederos o azudes de derivación que extraen cierta cantidad de caudal y la derivan a otros puntos. Para poder representar estas extracciones se hace uso de la herramienta “Diversion”.

6. Source Creation Tool

Si existe un aporte de caudal extra conocido se puede modelar mediante el elemento “Source”. Este elemento permite modelar aporte de caudal constante en el tiempo o bien en forma de hidrograma.

7. Sink Creation Tool

Si existen pérdidas en puntos de la red se pueden modelar haciendo uso de la herramienta “Sink”

Para poder simular un caso real donde existan un mínimo de dos de estos elementos se deben conectar cada uno de estos elementos. Para ello se hace uso de la herramienta “Connect Downstream” que aparece en un menú flotante al hacer click con el botón derecho del ratón sobre cualquier de estos elementos. En el caso de tener un elemento “Diversion” se deben realizar dos operaciones, “Connect Downstream” y “Connect Diversion”.

Ejemplo de aplicación para crear un Basin Model

En la figura 11.a se muestra una cuenca real que debe ser modelada con el programa HEC-HMS. Dada la configuración topográfica de la cuenca mostrada en la figura 11.a se ha determinado que se puede dividir en tres subcuencas C1, C2 y C3. En cada una de estas subcuencas se supone que existe un único punto de salida del agua que llamaremos SalidaC1, SalidaC2 y SalidaC3.

En los puntos de salida de cada cuenca se generarán los correspondientes hidrogramas de caudal. Para la correcta modelación de la cuenca entera se deben realizar operaciones a estos hidrogramas para simular la situación real. Para cada caso

Figura 11.a) Cuenca a modelar. Los cauces están representados en azul.

Figura 11.b) División de la cuenca en 3 subcuencas (C1, C2 y C3). Las divisorias están representadas en rojo.

C

C

C

SalidaC

SalidaC

SalidaC

Pasos a seguir para crear el esquema hidrológico de la figura 12:

 Seleccionar un elemento Subbasin, colocar en el tablero y llamarlo C1.  Seleccionar un elemento Subbasin colocar en el tablero y llamarlo C2.  Seleccionar un elemento Junction, colocar en el tablero y llamarlo SalidaC1C2.  Sobre C1, botón derecho del ratón y en el menú flotante que aparece seleccionar “Connect Downstream”. El icono del ratón cambia de una flecha a una cruz. Con la cruz hacer “click” en la SalidaC1C2. Así quedan conectados C1 y SalidaC1C2.  Sobre C2, botón derecho del ratón y en el menú flotante que aparece seleccionar “Connect Downstream”. El icono del ratón cambia de una flecha a una cruz. Con la cruz hacer “click” en la SalidaC1C2. Quedan conectados, entonces, los elementos C1, C2 y SalidaC1C2.  Seleccionar un elemento Reach, colocar en el tablero y llamarlo PropagaSuma.  Sobre SalidaC1C2, botón derecho del ratón y en el menú flotante que aparece seleccionar “Connect Downstream”. El icono del ratón cambia de una flecha a una cruz. Con la cruz hacer “click” en el elemento PropagaSuma. Quedan conectados los elementos SalidaC1C2 y PropagaSuma.  Seleccionar un elemento Junction, colocar en el tablero y llamarlo SalidaC3.  Sobre PropagaSuma, botón derecho del ratón y en el menú flotante que aparece seleccionar “Connect Downstream”. El icono del ratón cambia de una flecha a una cruz. Con la cruz hacer “click” en el elemento SalidaC3. Quedan conectados los elementos PropagaSuma y SalidaC3.  Seleccionar un elemento Subbasin, arrastrar al tablero y llamarlo C3.  Sobre C3, botón derecho del ratón y en el menú flotante que aparece seleccionar “Connect Downstream”. El icono del ratón cambia de una flecha a una cruz. Con la cruz hacer “click” en el elemento SalidaC3. Así quedan conectados C3, PropagaSuma y SalidaC3.

4. Meteorologic Model

Una vez realizado el modelo de cuencas (“Basin Model”) se debe dotar al programa de un modelo meteorológico que debe incluir como mínimo una lluvia. Esta lluvia será la precipitación bruta del modelo que se puede obtener con datos reales de precipitación, o bien, estimándola a partir de algún método de los disponibles tal y como el de los Bloques Alternados. Se trata de la lluvia que va a generar el hidrograma de caudal que estamos buscando.

La introducción de lluvias en HMS se realiza a partir de unos hipotéticos registros pluviométricos (“Gages”) que contendrán cada una de las lluvias. Para introducir un “Gage” se debe ir a “Components” > “Times series data manager” y “New” tal y como muestra la figura 13. Aparecerán, entonces, unos formularios para rellenar datos de lluvia hasta definir la lluvia de proyecto. Normalmente trabajaremos con un hietograma incremental, e introduciremos los datos en milímetros de lluvia.

Por defecto el modelo está preparado para recibir datos de lluvia en mm. No hace falta definir las coordenadas geográficas del gage, y tan solo hay que indicar la fecha y hora de inicio de la lluvia. Si trabajamos con lluvias sintéticas (no reales) de proyecto, elegiremos un inicio de tiempo cualquiera (habitualmente el 1 de enero a las 00:00 horas, por ejemplo)

Para modificar los datos de un “Gage” se debe seleccionar (figura 14.a) y si queremos modificar la fecha o la hora de la lluvia seleccionamos la pestaña de Time window. Si queremos exportar de un excel los datos de la lluvia seleccionamos la pestaña Table como en la figura 14.b

Figura 13

Figura 14.a (^) Figura 14.b

Nota : Cuando se definen estas especificaciones se debe tener en cuenta que por ejemplo el “ending date” exceda del tiempo base de los hidrogramas. Lo correcto es que los hidrogramas se muestren como en la figura 17b, es decir que el hidrograma acabe completamente su representación. Para ello tenemos que seleccionar la cantidad de horas necesarias, en este caso como mínimo 15 horas.

SI

Figura 17a

NO

Figura 17b

6. Cálculos y Resultados

Se pueden definir tantos Basin Model, Meteorological Model y Control Specifications como sea necesario, pero sólo se pueden realizar cálculos escogiendo uno de cada. La metodología de trabajo más cómoda para realizar los cálculos es desde el Basin Model. En la barra de opciones entramos en Compute > Create Run simulation(figura 18) y se define el Run en cuatro pasos : 1º el nombre del calculo (Ej: run1) , 2º la cuenca, 3º el modelo meteorológico y 4º control como se muestra en la figura 19.

Figura 18

Figura 19

paso 1 paso 2

paso 3 paso 4

Esta columna(caudal de salida) se puede copiar al Excel para generar los hidrogramas de una forma más exacta

Figura 21

7. Ejemplo

A continuación se presenta un ejemplo para probar el programa.

1. Abrimos un proyecto nuevo, en la unidad c:\ con el título "Ejemplo".
2. Abrimos un modelo de cuenca (Basin model): Components > Basin model manager > New > Nombramos la cuenca (Basin1)

Gráfico 1

Gráfico 2

Seleccionando la pestaña "loss" para completar los datos de número de curva (CN) y el tanto por ciento de impermeabilidad de cada subcuenca:

CN de C1 = 55 CN de C2 = 45 CN de C3 = 60

% imp. C1 = 10% % imp. C2 = 0% % imp. C3 = 5%

5. Calculamos los parámetros de Muskingum (K y χ) para completar el reach, nombrado propagasuma.

Recordatorio: Gráfico 5

Lag time = 0,35*Tc

donde Tc es el tiempo de concentración de la subcuenca

Gráfico 6

Recordatorio de parámetros de Muskingum:

K = 0,18 * ( Δx / (i^(0,25)) )^(0,76) donde Δx: es la distancia máxima en Km i :es la pendiente máxima de la subcuenca

K = 0,6 * Tc (fórmula alternativa)

χ є [ 0,1 … 0,5] y depende de la pendiente media del tramo, a más pendiente más alta será la χ. En general, en España se usan valores entre 0, 2 para las pendientes más bajas y 0,35 para las pendientes más altas

Además estos parámetros tienen que cumplir la condición:

donde Δt es el incremento de tiempo que utilizaremos para representar los resultados, en nuestro caso utilizaremos un incremento de 10', por tanto Δt= 10'/60' = 0,16 h

Si no se cumple esta condición habrá que buscar el número de sub-reaches que hay en el tramo.

Ejemplo:

(2K χ ) = 0,22 ( donde K=0,37 y χ= 0,3)

No se cumple la condición Δt > 2Kχ** por tanto buscamos el nº de sub-reaches(n).

Δt > (2Kχ ) / n  n > (2K χ) / Δt  n > 1,

por tanto en nuestro ejemplo tendremos n = 2

Seleccionamos la pestaña "Route" y rellenamos los datos de K, χ y n.

Δt > 2Kχ

Gráfico 7