Cálculo de envolventes para caudales máximos asociados a períodos de retorno: Procedimiento alternativo para encontrar el caudal de diseño de una cuenca. Ejemplificado con la cuenca del Río Maipo en la Región Metropolitana de Santiago de Chile

Tesis (Ingeniero Civil)Para el estudio y/o diseño de obras civiles afectadas por caudales, se vuelve necesario conocer el escurrimiento o caudal que afecta la obra, el cual será factor determinante en las dimensiones y características que adopte la obra. El principal problema es que resulta común no contar con los registros adecuados para poder determinar los parámetros de diseño, por ello se vuelve necesario conocer otros métodos que se aproximen o estimen el caudal de diseño. La ecuación racional y el método de las curvas envolventes, entre otros métodos, obedecen a lo anterior, aproximando el caudal de diseño mediante la relación lluvia – escurrimiento. Si bien el método de las curvas envolventes para caudales máximos es una estimación para caudales conociendo el área de drenaje que afecta una obra civil, es un problema que no pueda ser usada para estudios definitivos ya que estas estimaciones de caudal no se encuentran asociadas a algún periodo de retorno. Lo anterior ha sido resuelto y aplicado en el desarrollo de esta investigación. El comportamiento de los caudales máximos dentro de una región hidrológica se puede visualizar en una gráfica que relaciona dicha variable con la correspondiente área de drenaje de la cuenca. La curva que envuelve suavemente todos los puntos [área de drenaje, caudal unitario máximo] dentro del gráfico es denominada ―envolvente de caudales máximos‖ de la región, donde el caudal unitario es el cociente entre el caudal medido y el área de drenaje de la cuenca, expresado en m3/s/km2. Esta curva entrega magnitudes de los caudales máximos esperados, no asociados con probabilidades ni datos estadísticos, sino con datos medidos de los caudales en cada región. La envolvente permite estimar magnitudes de caudales máximos conociendo el área de drenaje de la cuenca y con esto realizar cálculos preliminares y no para diseño definitivo, tomando en cuenta que el dato entregado es una estimación según las condiciones de la región y valores de los caudales medidos anteriormente, es decir, que sí ocurrieron, por lo que probablemente vuelvan a ocurrir. En la siguiente investigación, se pretende mostrar el procedimiento necesario para asociar una serie de mediciones de caudales máximos con un periodo de retorno, 10, 100 y 1000 años, mediante la construcción de un histograma de frecuencias y posterior análisis para cada estación fluviométrica; esto, sumado a la determinación de una curva envolvente para cada periodo de retorno permitirá encontrar de manera rápida un caudal de diseño para una cuenca en particular conociendo sólo su área de drenaje. Acá se presentan las envolventes para caudales máximos asociado a periodos de retorno, obtenidas a partir de las formulaciones de Creager, Lowry y Matthai para una cuenca de la Región Metropolitana (Cuenca Río Maipo). Las curvas realizadas por cada una de estas formulaciones no son iguales en sus resultados, por esto, dentro de este informe se realizan algunas recomendaciones para interpretar en qué rango es conveniente usar cada formulación, ya que las formulaciones de Creager y Lowry son matemáticamente similares considerando para su formulación un punto dentro del gráfico, pero la formulación de Matthai requiere de dos puntos dentro del gráfico que deben ser seleccionados observando el gráfico y no dependen tan sólo de una ecuación. Por lo anterior, la formulación de Matthai puede cumplirse para dos pares de puntos diferentes en el gráfico y para esos casos es recomendable considerar la recta que pase por aquellos puntos que se relacionen con las áreas más grandes, así el procedimiento estaría siendo menos preciso para áreas pequeñas