RESUMEN

Tesis Doctoral: “Efectos de Escala sobre la Simulación del Flujo de Agua Superficial
en Áreas Urbanas Usando Modelos Basados en la Onda Cinemática”
Resumen
iii
RESUMEN
Se propone un procedimiento de agregación espacial de esquemas de modelación y parámetros,
para la simulación del flujo de agua superficial en cuencas urbanas usando modelos basados en
la onda cinemática. El procedimiento permite pasar de una segmentación de cuenca detallada
(escala de detalle, ED) a otra más simple (escala agregada, EA), conservando una similitud
hidrológica entre escalas. Se basa en reemplazar cada subcuenca compleja (ED) por un único
plano equivalente (EA), manteniendo constante el almacenamiento de equilibrio a través de la
variación de la rugosidad efectiva (computacional) del plano, N* y verificando el equilibrio
cinemático completo.
En cuencas que carecen de datos para una modelación a ED, se propone determinar N* por
medio de una novedosa relación de similitud hidrológica (RSH). Una RSH expresa N* como
función de la escala, a través de parámetros adimensionales. Se obtiene en base a datos de una
cuenca comparable, aplicando sistemáticamente el procedimiento a distintas EA. A partir de una
RSH se puede calcular el valor de N* para diferentes EA, en base a longitudes de flujo medidas
de un mapa de la cuenca y a valores de rugosidad de flujo superficial reportados en la literatura.
Se verificó el procedimiento propuesto sobre una cuenca teórica con drenaje superficial y sobre
dos cuencas urbanas experimentales con drenaje dual: Sant Boi de Llobregat (Barcelona, España)
y Guadalupe Oeste (Santa Fe, Argentina), por medio de experimentos numéricos. En la cuenca
teórica se plantearon 4 escalas y 108 escenarios, que resultaron de combinar distintas pendientes,
rugosidades de ED, intensidades y duraciones de lluvia. Las cuencas experimentales
seleccionadas tienen características de tamaño, impermeabilidad, rugosidad de ED y pendiente
considerablemente diferentes entre sí. Para éstas, se consideraron en total 7 escalas y 23 eventos
lluvia-escorrentía observados.
Se determinaron las RSH para cada escenario de la cuenca teórica y para las cuencas
experimentales. Los resultados obtenidos muestran una disminución de N* con el aumento de
escala, lo que denota un predominio del efecto de agregación geométrica (EAG) sobre el efecto
de agregación de procesos (EAP) en cuencas pequeñas. Se demuestra que la forma de una RSH
depende de la importancia relativa de EAP respecto de EAG.
Para las condiciones experimentales analizadas, los valores de N* obtenidos con la RSH fueron
suficientemente precisos. Por lo tanto, esta función se muestra como una herramienta promisoria
para la estimación de N* en cuencas urbanas pequeñas que carecen de datos para una
modelación a ED.
Palabras clave: agregación espacial, similitud hidrológica, cuencas urbanas, onda cinemática.
Ing. Raúl A. Pedraza
Tesis Doctoral: “Efectos de Escala sobre la Simulación del Flujo de Agua Superficial
en Áreas Urbanas Usando Modelos Basados en la Onda Cinemática”
Resumen
iv
ABSTRACT
A spatial aggregation procedure of modeling schemes and parameters is proposed for surface
water flow simulation in urban catchments using kinematic wave-based models. It allows to
simplify a complex catchment segmentation (“detailed scale”, ED) into a simpler one (“aggregated
scale”, EA), maintaining a hydrological similarity between scales. Each complex subcatchment
(ED) is replaced by an equivalent overland flow plane (EA). The effective (computational)
roughness of the plane (N*) is varied to keep the equilibrium storage and the complete kinematic
equilibrium condition is verified.
A Hydrological Similarity Relationship (RSH) is introduced to estimate N* in catchments that lack
of data for a simulation at ED. A RSH expresses N* as a function of the scale by means of
dimensionless parameters. It is obtained from comparable catchment data, by systematically
applying the procedure at different aggregated scales. The N* value can be calculated from a RSH
at different aggregated scales, based on flow lengths measured from a catchment map and
overland flow roughness coefficient values reported in the literature.
The procedure was verified on a theoretical catchment with surface drainage and two
experimental urban catchments with dual drainage, Sant Boi de Llobregat (Barcelona, Spain) and
Guadalupe Oeste (Santa Fe, Argentina), using numerical experiments. In the theoretical
catchment, 4 scales and 108 scenarios were considered. They were obtained combining different
conditions of slope, ED's roughness, intensity and duration of rainfall. The selected experimental
catchments have considerably different characteristics of size, impermeability, ED’s roughness
and slope. Seven scales and 23 observed rainfall-runoff events were considered for these
catchments.
A RSH was determined for each scenario of theoretical catchment and experimental catchments.
Results obtained shows that N* decreases as the scale increases, denoting that geometric
aggregation effect (EAG) dominates over process aggregation effect (EAP) in small catchments. It
is shown that the form of a RSH depends on the relative importance of EAP regarding EAG.
For experimental conditions tested, the values of N* obtained with the RSH were sufficiently
precise. Therefore, this function could be considered as a promising tool to determine N* in small
urban catchments that lack of data for a simulation at ED.
Keywords: spatial aggregation, hydrological similarity, urban catchments, kinematic wave.
Ing. Raúl A. Pedraza
Tesis Doctoral: “Efectos de Escala sobre la Simulación del Flujo de Agua Superficial
en Áreas Urbanas Usando Modelos Basados en la Onda Cinemática”
Resumen
v
RESUMO
Propõe-se um procedimento de agregação espacial dos esquemas de modelação e parâmetros,
para a simulação do fluxo da água superficial em bacias urbanas usando modelos baseados na
onda cinemática. Esse processo permite passar de uma segmentação detalhada da bacia (escala
de detalhe, ED) a outra mais simples (escala agregada, EA), mantendo uma semelhança
hidrológica entre escalas. Consiste em substituir cada sub-bacia complexa (ED) por um único
plano equivalente, mantendo constante o armazenamento de equilíbrio através da variação da
rugosidade efetiva (computacional) do plano, N*, e verificando o equilíbrio cinemático completo.
Em bacias com falta de dados para uma simulação em ED, propõe-se uma nova relação de
semelhança hidrológica (RSH). Uma RSH expressa N* como função da escala, através de
parâmetros adimensionais. É obtida com base em dados da bacia comparável, aplicando
sistematicamente o procedimento de agregação a distintas EA. A partir de uma RSH pódese
calcular o valor de N* para diferentes EA com base em comprimentos de fluxo medidos em um
mapa da bacia e valores de rugosidade obtidos de tabelas da literatura.
O procedimento foi aplicado sobre uma bacia teórica com drenagem superficial e sobre duas
bacias experimentais com drenagem dual: Sant Boi de Llobregat (Barcelona, Espanha) e
Guadalupe Oeste (Santa Fe, Argentina), usando experiências numéricas. Na aplicação na bacia
teórica foram utilizadas 4 escalas e 108 cenários, que combinaram diferentes declividades,
rugosidades de ED, intensidades e durações de chuva. As bacias experimentais escolhidas tem
características de tamanho, impermeabilidade, rugosidade de ED e declividade
consideravelmente diferentes. Para estas, consideraram-se no total 7 escalas e 23 eventos
chuva-vazão observados.
Determinaram-se as RSH para cada cenário da bacia teórica e para as bacias experimentais. Os
resultados obtidos indicam uma diminuição de N* a medida que a escala aumenta, denotando
que o efeito da agregação geométrica (EAG) predomina sobre o efeito da agregação de
processos (EAP) em bacias pequenas. Demóstrase que a forma de uma RSH depende da
importância relativa de EAP com relação a EAG.
Para as condições experimentais analisadas, os valores de N* obtidos da RSH foram
suficientemente precisos. Portanto, esta função se mostra como una ferramenta promissora para
estimar N* em bacias urbanas pequenas com falta de dados para uma simulação a ED.
Palavras chave: agregação espacial, simulação hidrológica, bacias urbanas, onda cinemática.
Ing. Raúl A. Pedraza