Ing. Giovene Pérez Campomanes

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HIDROLOGIA

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11.1 ANTECEDENTES

El poder inferir el caudal proveniente de una precipitación

tiene múltiples aplicaciones. Por ejemplo permite obtener

los caudales de un río sin estaciones hidrométricas o

extender los registros cortos de caudales a fin de

someterlos a análisis estadísticos. Un problema de la

hidrología esta constituido por la obtención de la

escorrentía directa que corresponde a una determinada

lluvia, en un lugar especifico. El primer método es a

través del coeficiente de escorrentía, el segundo es

mediante la separación en el histograma usando la

curva de infiltración y el tercer método consiste en el

empleo de los índices de infiltración, existen otros

métodos como el uso de los datos del suelo y cubierta

vegetal el método racional y los métodos de simulación.

EL CICLO HIDROLÓGICO

EVAPOTRANSPIRACIÓN

MAR

RIO

EMBALSE

AGUA DE LLUVIA EVAPORACIÓN

captacion - . . . .

Interfase Marina Agua de mar +

mat. permeable

Problemas de

Salinidad y

Drenaje

Nivel Freático

Acuífero Libre ( Agua dulce )

Estrato Impermeable

Acuífero confinado agua dulce

Substrato Impermeable

Infiltración

EVAPOTRANSPIRACIÓN

TERRENO PANTANOSO

Agua-

Entra

Agua-

Sale

EVAPO-

TRANSPIRACIÓN

11.2 DEFINICION

La escorrentía Superficial: Es la parte de la

precipitación que se escapa de la infiltración y de la

evapotranspiración y que consecuentemente, circula por

la superficie (arroyamiento en superficie). Escorrentía en

sentido amplio es la circulación de agua producida en

un cauce superficial.

Escurrimiento: Es el agua proveniente de la

precipitación, que circula sobre o bajo la superficie

terrestre y que llega a una corriente para finamente ser

drenada hasta la salida de la cuenca.

Factores que influyen en la escorrentía superficial

a) Factores climáticos:

Intensidad de precipitación:

Duración de la precipitación:

Precipitación antecedente:

Dirección y velocidad de la tormenta:

b) Factores fisiográficos:

Forma de la cuenca :

Elevación de la cuenca:

Pendiente de la cuenca:

Tipos y usos del suelo:

c) Factores Humanos:

Obras hidráulicas construidas en la hoya:

Rectificación de ríos:

d) Variables que caracterizan la escorrentía

superficial:

Caudal ( Q): caudal especifico ( q)

Caudales máximos y mínimos.

Coeficiente de escorrentía superficial C:

Tiempo de concentración( ): Es el tiempo que la lluvia

que cae en el punto mas distante de la corriente de agua de

una hoya, toma para llegar a una sección determinada de

dicha corriente.

Periodo de retorno (T): Es el periodo de tiempo en

promedios, en años, en que un determinado evento, es

igualado o superado por lo menos una vez.

Tiempo pico (tp)= Es el tiempo que transcurre

desde que se inicia el escurrimiento directo hasta el

pico del hidrograma.

Tiempo base(tb) = Es el intervalo comprendido entre

el comienzo y el fin del escurrimiento directo.

Tiempo de retraso(tr)= Es el intervalo del tiempo

comprendido entre los instantes que corresponden,

respectivamente al centro de gravedad del

hietograma de la tormenta.

Nivel de agua( h): Se refiere a la altura alcanzada por el nivel

de agua en relación con un nivel de referencia.

11.3 Características de la cuenca y sus efectos:

Resulta apropiado describir ahora varias propiedades de la

cuenca afectan la tasa y la cantidad de escorrentía.

Pendiente: A mayor pendiente de la cuenca mayor rapidez

en el viaje de la escorrentía.

Orientación: Si los vientos dominantes tienen un patrón

estacional definido el hidrógrama de escorrentía dependerá

del grado de orientación de la cuenca.

Forma: El efecto de la forma puede demostrarse mejor

considerando los hidrogramas de descarga de tres cuencas

de diferentes forma y de igual área sometido a una lluvia de

igual intensidad.

Densidad de arroyos: una cuenca bien drenada tendrá

comparativamente hidrogramas mas empinados que una

cuenca con muchas depresiones superficiales, charcas, y

similares, una manera de cuantificar es medir las longitudes

de los cursos por unidad de área.

Lagos: Son los que actúan como almacenamiento

superficiales del agua y tienen el efecto de suavizar los

hidrogramas de escorrentía a la salida de las cuencas que la

contienen.

Otros: El déficit de la humedad del suelo, la altitud, el uso de

la tierra, la proporción de desarrollo urbano, etc.

11.4 Usando los datos de suelo y cubierta:

Grupo de Suelos hidrológicos: Se utilizan cuatro grupos

principales de suelos, obtenidos según el aporte de

escorrentía directa después de haber mojado e hinchado

sin la cubierta de protectora de la vegetación.

Grupo A: incluye a las arenas profundas con poco limo y

arcilla, también a los muy permeables (con el potencial de

escurrimiento mínimo).

Grupo B: La mayor parte de los suelos arenosos, menos

profundos que los del grupo A, y los menos profundos o

menos compactos que el grupo A. tiene una infiltración

media superior después de haberse mojado

completamente.

Grupo C: Comprende los suelos poco profundos y los que

contienen mucha arcilla y coloides, aunque menos que el

grupo D.

El grupo tiene una infiltración inferior a la

promedio después de saturación.

Grupo D: ( con el potencial de escurrimiento

mayor). El grupo incluye la mayor parte de las

arcillas que mas aumentan de volumen al

mojarse, pero también incluye algunos de los

suelos poco profundos con subhorizontes casi

impermeables cerca de la superficie.

11.5 Métodos de envolventes: Este método solo toma

en cuenta el área de la cuenca. Aun que no son

métodos que analicen propiamente la relación entre la

lluvia y el escurrimiento, se explica por ser de enorme

utilidad en los casos en que se requieran solo

estimaciones gruesas de los gastos máximos probables,

o bien cuando se carezca casi por completo de

información.

La idea fundamenta de estos métodos es relacionar el

gasto máximo Q con el área de la cuenca , en la forma.

Donde :

Q = Gasto máximo

= parámetros empíricos, que dependen de

Existen gran cantidad de métodos, pero las mas usadas

son: las de Cregaer y Lowry.

a) Formula de Creager es:

Donde:

q= gasto máximo por unidad de área.

Donde Cc es un coeficiente empírico y Ac esta en Km2.

b) La formula de Lowry es:

Donde es otro coeficiente empírico:

Los valores de Cc y CL se determinan por regiones,

llevando a una grafica logarítmica los gastos unitarios

máximos q registrados contra sus respectivas áreas de

cuenca y seleccionando el valor de Cc y Cl que

envuelve a todos los puntos medidos.

11.6 Formula Racional

El tiempo de concentración depende de la longitud

máxima que debe recorrer el agua hasta la salida

de la cuenca y de la velocidad que adquiere, en

promedio dentro de la misma.

Tiempo de concentración : Se define como el

tiempo que transcurre entre el inicio de la lluvia y el

establecimiento del gasto de equilibrio y equivale al

tiempo que tarda el agua en pasar del punto mas

alejado hasta la salida de la cuenca.

Donde:

tc = Tiempo de concentración en h.

L = Es la longitud del cauce principal de la cuenca en m

y v es la velocidad media del agua en el cauce

principal.

v =Es la velocidad media del agua en el cauce

principal.

Otra forma de estimar el tiempo es:

Donde S es la pendiente del cauce principal y L en m y

Tc en h.

Velocidad media, m/s

Pendiente del cauce principal

%

Velocidad media en m/s

Pendiente %

Bosques Pastizales Canal natural

no bien definido

`1-2 0,6 `0-3 0,3 0,5 0,3

`2-4 0,9 `4-7 0,6 0,9 0,9

`4-6 1,2 `8-11 0,9 1,2 1,5

`6-8 1,5 `12-15 1,1 1,4 2,4

En una cuenca no impermeable, solo una parte de la

lluvia con intensidad i escurre directamente hasta la

salida. Si se acepta que durante la lluvia, o al menos una

vez que se ha establecido el gasto de equilibrio, no

cambia la capacidad de infiltración en la cuenca , se

puede escribir la llamada formula racional:

DESVENTAJAS DE LA FORMULA RACIONAL

Las desventajas son:

a) La duración de la precipitación de cálculo.

b) La intensidad de la precipitación de cálculo:

c) El coeficiente de escorrentía se obtiene a partir de tablas

y gráficas, en las que se ha simplificado mucho el

proceso de infiltración.

d) No se tiene en cuenta el estado de humedad precedente

del suelo.

e) La fórmula permite calcular los caudales de avenida en

cuencas pequeñas, hasta 50 has, a partir de los datos de

precipitación y de las condiciones de escorrentía de la

cuenca vertiente.

11.7 Hidrograma Unitario: Se define como el hidrograma

de escurrimiento directo, que se produce por una lluvia

efectiva o en exceso de lamina unitaria de duración y

repartida uniformemente en la cuenca.

Supóngase que se presenta una misma tormenta en dos

cuencas con el mismo suelo y la misma área, pero de

diferente forma, aunque el volumen escurrido sea el mismo,

el gasto de pico y las demás características del hidrograma

varían de una cuenca a otra.

El método del hidrograma unitario (HU), toma en cuenta

este efecto, considerando además de la altura total de

precipitación y el área de la cuenca, su forma,

pendiente, vegetación, etc.

Este método esta basado en las siguientes hipótesis:

a) Tiempo base constante: Para la cuenca dada, la duración

total de escurrimiento directo o tiempo base es la misma

para todas las tormentas con la misma duración de lluvia

efectiva, independientemente del volumen escurrido. Todo

hidrograma unitario esta ligado a una duración de la lluvia

en exceso.

b) Linealidad o proporcionalidad: Las ordenadas de todos

los hidrograma de escurrimiento directo con el mismo

tiempo base, son directamente proporcionales al volumen

total de escurrimiento directo, es decir al volumen total de

lluvia efectiva.

c) Superposición de causas y efectos: El hidrograma

unitario que resulta de un periodo de lluvia dado puede

superponerse a hidrogramas resultantes de periodos

lluviosos precedentes.

VALORES DEL COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO

TIPO DEL AREA DRENADA COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO

MINIMO MAXIMO ZONAS COMERCIALES Zona comercial 0,7 0,95 Vecindarios 0,5 0,7 ZONAS RESIDENCIALES Unifamiliares 0,3 0,5 Multifamiliares - espaciados 0,4 0,6 Multifamiliares - compactos 0,6 0,75 Semiurbanos 0,25 0,4 Casas habitación 0,5 0,7 ZONAS INDUSTRIALES espaciado 0,5 0,8 Compacto 0,6 0,9 CEMENTOS, PARQUES 0,1 0,25 CAMPOS DE JUEGO 0,2 0,35 PATIOS DE FERROCARRIL 0,2 0,4 ZONAS SUBURBANAS 0,1 0,3 CALLES Asfaltadas 0,7 0,95 De concreto hidráulico 0,7 0,95 Adoquinadas 0,7 0,85 ESTACIONAMIENTOS 0,75 0,85 TECHADOS 0,75 0,95 PRADERAS

Suelos arenosos planos ( pendientes 0,02 o menos) 0,05 0,1

Suelos arenosos con pendientes ( pendientes 0,02 - 0,007) 0,1 0,15 Suelos arenosos escarpados (0,07 o mas ) 0,15 0,2 Suelos arcillosos planos ( 0,02 o menos) 0,13 0,17

Suelos arcillosos con pendientes medias ( 0,02 -0,07) 0,18 0,22 Suelos arcillosos escarpados (0,07 - o mas) 0,25 0,35

Valores del coeficiente de escorrentía C.

TIPO DE AREA DE DRENAJE COEFIECIENTE DE ESCORRENTIA

PRADOS

Suelos arenosos , planos , 2% 0,05-0,10

suelos arenosos , promedios, 2-7 % 0,15-0,20

suelos pesados, planos ,2% 0,13-0,17

Suelos pesados , promedio,2-7% 0,18-0,22

Suelos pesados, pendientes,7% 0,25-0,35

DISTRITOS COMERCIALES

Areas de centro de ciudad 0.7-0.95

Areas vecinas 0.5-0.70

RESIDENCIAL

Areas casas individuales separadas 0,30-0,50

Casas multifamiliares separadas 0,40-0,60

Casas multifamiliares unidas 0,60-0,75

Suburbana 0,25-0,40

Areas de apartamentos de viviendas 0,50-0,70

INDUSTRIAL

Áreas livianas

Áreas pesadas

PARQUES CEMENTERIOS 0,10-0,25

CAMPOS DE JUEGOS 0,20-0,35

AREAS DE PATIOS DE FERROCARILES 0,20-0,40

AREAS NO DESARROLLADAS 0,10-0,30

CALLES

Asfaltadas 0,70-0,95

Concreto 0,80-0,95

Ladrillo 0,70-0,85

CALZADAS Y ALAMEDAS 0,75-0,85

TECHOS 0,75-0,95

El Hidrograma Unitario

El método del Hidrograma Unitario tiene en

cuenta, además del área y la intensidad de la

lluvia, la forma, pendiente y características

fisiográficas de la cuenca de estudio, aunque lo

hace de forma implícita.

El Hidrograma Unitario es el hidrograma de

escorrentía directa causado por una lluvia efectiva

unitaria (1 cm ó 1 mm, por ejemplo), de intensidad

constante a lo largo de la duración efectiva y

distribuida uniformemente sobre el área de

drenaje.

El método se basa en dos hipótesis:

La respuesta de la cuenca ante el proceso de escorrentía

sigue un comportamiento lineal.

No se tiene en cuenta la variabilidad temporal de las

características de la cuenca, de manera que una misma

lluvia efectiva produce siempre el mismo hidrograma de

escorrentía directa.

Las condiciones que deben cumplirse en virtud de estas

hipótesis son:

La lluvia efectiva tiene una intensidad constante dentro de la

duración efectiva:.

La lluvia efectiva está uniformemente distribuida a través de

toda el área de drenaje: en virtud de esta condición, el área

de drenaje no deberá ser muy grande o bien deberá ser

subdividida en subcuencas de modo que se cumpla esta

suposición. El orden de magnitud del límite superior que se

maneja es de 300 a 400 km2.

El tiempo base del hidrograma de escorrentía directa

resultante de una lluvia efectiva de una duración dada es

constante.

El hidrograma unitario de una duración determinada es

único para una cuenca e invariante en el tiempo. Las

características del cauce no deben tener cambios y la

cuenca no debe tener almacenamientos apreciables (no

debe tener embalses

1.1.8 Aplicación del método del Hidrograma Unitario

La aplicación del método del hidrograma unitario para

encontrar el hidrograma de escorrentía directa puede

resumirse en los siguientes pasos:

Determinar el hietograma de la lluvia de diseño.

Determinar el hietograma de lluvia efectiva a través de

la estimación de las abstracciones.

Ajustar la duración del hidrograma unitario según se

necesite, a través del hidrograma en S.

Esto puede ser necesario dado que el intervalo de

tiempo utilizado para definir las ordenadas del

hietograma de lluvia efectiva debe ser el mismo que el

especificado para el hidrograma unitario.

• Calcular el hidrograma de escorrentía directa a través

de la ecuación discreta de convolución.

• Calcular el hidrograma de caudal sumando un flujo

base estimado al hidrograma de escorrentía directa.

En el hidrograma se puede separar la aportación de agua

subterránea y distinguirla de la escorrentía directa. Para ello

hay varias soluciones:

a) Trazar una paralela al eje de abscisas por el punto del

inicio de la crecida

b) Trazar una línea entre el punto del inicio de la

crecida y el punto de inicio del agotamiento.

c) Trazar una curva entre los dos puntos anteriores,

aproximadamente, haciendo pasar el mínimo

coincidiendo con la punta.

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FIN DEL TEMA