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VEN TE CHOW DAVID R. MAIDMENT
LARRY W. MAYS
HIDROLOGÍA APLICADA
HIDROLOGÍA APLICADA
VENTE~OW Late Professor of Hydrosystems Engineering
University of Illinois, Urbana-ChampaiJ?n
DA VID R. MAIDMENT Associate Professor of Civil Engineering
The University of Texas at Austin
LARRY W. MAYS Professor of Civil Engineering
The University of Texas at Austin
Traducción JUAN G. SALDARRIAGA Ingeniero civil
M.Sc. en Ingeniería hidráulica
Profesor de la Universidad de los Andes
Revisión técnica GERMÁN R. SANTOS G. M.Sc. Ph.D.
Escuela Colombiana de Ingeniería
McGRAW-HILL Santafé de Bogotá, Buenos Aires, Caracas, Guatemala, Lisboa, Madrid,
México, Nueva York, Panamá, San Juan, Santiago, Sao Paulo, Auckland, Hamburgo, Londres, Milán, Montreal, Nueva Delhi, París,
San Francisco, San Luis, Sidney, Singapur, Tokio, Toronto.
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS. Copyright (C) 1994, por McGRA W-HILL INTERAMERICANA, S.A. Transversal 42B No. 19-77. Santafé de Bogotá, Colombia.
Traducido de la primera edición en inglés de Applied Hydrology Copyright (C) MCMLXXXVIII, por McGRAW-HILL, Inc. ISBN: 0-07-010810-2
Editora: Martha Edna Suárez R.
1234567890
ISBN: 958-600-171-7
Se imprimieron 1.000 ejemplares en el mes de Enero del 2000
Impreso en Colombia por: EDITORIAL NOMOS S. A.
Printed in Colombia
9012356784
HIDROLOGÍA APLICADA
VENTE~OW Late Professor of Hydrosystems Engineering
University of Illinois, Urbana-ChampaiJ?n
DA VID R. MAIDMENT Associate Professor of Civil Engineering
The University of Texas at Austin
LARRY W. MAYS Professor of Civil Engineering
The University of Texas at Austin
Traducción JUAN G. SALDARRIAGA Ingeniero civil
M.Sc. en Ingeniería hidráulica
Profesor de la Universidad de los Andes
Revisión técnica GERMÁN R. SANTOS G. M.Sc. Ph.D.
Escuela Colombiana de Ingeniería
McGRAW-HILL Santafé de Bogotá, Buenos Aires, Caracas, Guatemala, Lisboa, Madrid,
México, Nueva York, Panamá, San Juan, Santiago, Sao Paulo, Auckland, Hamburgo, Londres, Milán, Montreal, Nueva Delhi, París,
San Francisco, San Luis, Sidney, Singapur, Tokio, Toronto.
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.
DERECHOS RESERVADOS. Copyright (C) 1994, por McGRA W-HILL INTERAMERICANA, S.A. Transversal 42B No. 19-77. Santafé de Bogotá, Colombia.
Traducido de la primera edición en inglés de Applied Hydrology Copyright (C) MCMLXXXVIII, por McGRAW-HILL, Inc. ISBN: 0-07-010810-2
Editora: Martha Edna Suárez R.
1234567890
ISBN: 958-600-171-7
Se imprimieron 1.000 ejemplares en el mes de Enero del 2000
Impreso en Colombia por: EDITORIAL NOMOS S. A.
Printed in Colombia
9012356784
ACERCA DE LOS AUTORES
Ven Te Chow fue profesor en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desde 1951 hasta 1981. Obtuvo una prominencia internacional como académico, educador y diplomático en hidrología, hidráulica e ingeniería de hidrosistemas. Recibió su título profesional en 1940 en la Universidad Chaio Tung en Shangai, permaneció luego varios años en China como instructor y profesor, para después ir a la Universidad Estatal de Pennsylvania en la que recibió su grado de M.S. en 1948, y a la Universidad de Illinois donde recibió su grado de Ph.D. en 1950. También recibió cuatro grados doctorales honorarios y muchos otros premios y honores incluyendo el ser nombrado como miembro de la National Academy of Engineering. Fue un autor prolífico, escribió su primer libro a la edad de 27 años sobre teoría de estructuras (en chino). Fue el autor del texto Open-Channel Hydraulics en 1959 y el editor en jefe del Handbook of Applied Hydrology en 1964; ambos libros todavía se consideran trabajos de referencia estándar. Participó activamente en las sociedades profesionales, especialmente en la International Water Resources Association, de la cual fue uno de sus fundadores principales y su primer presidente.
David R. Maidment es profesor asociado de ingeniería civil en la Universidad de Texas en Austin donde ha formado parte del cuerpo profesora! desde 1981 . Antes de este año enseñó en la Universidad de Texas A & M y llevó a cabo investigación hidrológica en el International Institute for Applied Systems Analysis en Viena, Austria, y en el Ministerio de Obras y Desarrollo de Nueva Zelanda. Obtuvo su título profesional en la Universidad de Canterbury, Christchurch, Nueva Zelanda, y sus grados de M.S. y Ph.D en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El Dr. Maidment trabaja como consultor en hidrología para el gobierno y la industria y es editor asociado del Hydrological Sciences Journal.
Larry W. Mays es profesor de ingeniería civil y titular de la cátedra Engineering Foundation Endowed en la Universidad de Texas en Austin donde ha formado parte del cuerpo profesora! desde 1976. Antes de esto trabajó como asistente graduado de investigación y luego como profesor asistente visitante de investigación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign donde recibió su Ph.D. Recibió su título profesional (1970) y su M.S. (1971) en la Universidad de Missouri en Rolla, y luego
V
VI LOS AUTORES
sirvió en el ejército de los Estados Unidos en el laboratorio Lawrence Livermore en California. El Dr. Mays ha sido muy activo en investigación y en docencia en la Universidad de Texas en las áreas de hidrología, hidráulica y análisis de sistemas de recursos hidráulicos. Además, ha trabajado como consultor en estas áreas para varias agencias gubernamentales e industrias incluyendo el U. S. Army Corps of Engineers, la Oficina del Fiscal General de Texas, las Naciones Unidas, la OTAN, el Banco Mundial v el gobierno de Taiwán. Es ingeniero registrado en siete estados y ha sido muy activo en comités de la American Society of Civil Engineers y otras organizaciones profesionales.
ACERCA DE LOS AUTORES
Ven Te Chow fue profesor en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desde 1951 hasta 1981. Obtuvo una prominencia internacional como académico, educador y diplomático en hidrología, hidráulica e ingeniería de hidrosistemas. Recibió su título profesional en 1940 en la Universidad Chaio Tung en Shangai, permaneció luego varios años en China como instructor y profesor, para después ir a la Universidad Estatal de Pennsylvania en la que recibió su grado de M.S. en 1948, y a la Universidad de Illinois donde recibió su grado de Ph.D. en 1950. También recibió cuatro grados doctorales honorarios y muchos otros premios y honores incluyendo el ser nombrado como miembro de la National Academy of Engineering. Fue un autor prolífico, escribió su primer libro a la edad de 27 años sobre teoría de estructuras (en chino). Fue el autor del texto Open-Channel Hydraulics en 1959 y el editor en jefe del Handbook of Applied Hydrology en 1964; ambos libros todavía se consideran trabajos de referencia estándar. Participó activamente en las sociedades profesionales, especialmente en la International Water Resources Association, de la cual fue uno de sus fundadores principales y su primer presidente.
David R. Maidment es profesor asociado de ingeniería civil en la Universidad de Texas en Austin donde ha formado parte del cuerpo profesora! desde 1981 . Antes de este año enseñó en la Universidad de Texas A & M y llevó a cabo investigación hidrológica en el International Institute for Applied Systems Analysis en Viena, Austria, y en el Ministerio de Obras y Desarrollo de Nueva Zelanda. Obtuvo su título profesional en la Universidad de Canterbury, Christchurch, Nueva Zelanda, y sus grados de M.S. y Ph.D en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El Dr. Maidment trabaja como consultor en hidrología para el gobierno y la industria y es editor asociado del Hydrological Sciences Journal.
Larry W. Mays es profesor de ingeniería civil y titular de la cátedra Engineering Foundation Endowed en la Universidad de Texas en Austin donde ha formado parte del cuerpo profesora! desde 1976. Antes de esto trabajó como asistente graduado de investigación y luego como profesor asistente visitante de investigación en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign donde recibió su Ph.D. Recibió su título profesional (1970) y su M.S. (1971) en la Universidad de Missouri en Rolla, y luego
V
VI LOS AUTORES
sirvió en el ejército de los Estados Unidos en el laboratorio Lawrence Livermore en California. El Dr. Mays ha sido muy activo en investigación y en docencia en la Universidad de Texas en las áreas de hidrología, hidráulica y análisis de sistemas de recursos hidráulicos. Además, ha trabajado como consultor en estas áreas para varias agencias gubernamentales e industrias incluyendo el U. S. Army Corps of Engineers, la Oficina del Fiscal General de Texas, las Naciones Unidas, la OTAN, el Banco Mundial v el gobierno de Taiwán. Es ingeniero registrado en siete estados y ha sido muy activo en comités de la American Society of Civil Engineers y otras organizaciones profesionales.
VIII CONTENIDO
4 Agua subsuperficial 101
4.1 Flujo no saturado 101 4.2 Infiltración IIO 4.3 Método de Green-Ampt 112 4.4 Tiempo de encharcamiento 120
CONTENIDO 5 Agua superficial 130
5.1 Fuentes de flujo superficial 130 5.2 Hidro grama de caudal 135 5.3 Exceso de precipitación y escorrentía directa 138 5.4 Abstracciones utilizando ecuaciones de infiltración 143 5.5 Método SCS para abstracciones 150 5.6 Profundidad de flujo y velocidad 159 5.7 Tiempo de tránsito 167 5.8 Redes de ríos 171
Prefacio XI 6 Mediciones hidrológicas 180
l. Introducción 1 6.1 Secuencia de la medición hidrológica 181 6.2 Medición del agua atmosférica 185
1.1 El ciclo hidrológico 2 6.3 Medición del agua superficial 189 1.2 Concepto de sistemas ' 5 6.4 Medición del agua subsuperficial 196 1.3 Modelo del sistema hidrológico' 8 6.5 Sistemas de medición hidrológica 198 1.4 Clasificación de modelos hidrológicos'/ 9 6.6 Medición de características fisiográficas 204 1.5 El desarrollo de la hidrología 13
2. Procesos hidrológicos 20 7 Hidrograma unitario 207
2.1 Teorema de transporte de Reynolds 20 7.1 Modelo de sistema hidrológico general 208 2.2 Ecuaciones de continuidad 24 7.2 Funciones respuesta en sistemas lineales 210 2.3 Continuidad en tiempo discreto 26 7.3 El hidrograma unitario 220 2.4 Ecuaciones de momentum 30 7.4 Deducción del hidrograma unitario 223 2.5 Flujo en canales abiertos 34 7.5 Aplicación del hidrograma unitario 225 2.6 Flujo en medios porosos 39 7.6 Cálculo matricial del hidro grama unitario 228 2.7 Balance de energía 41 7.7 Hidro grama unitario sintético 231 2.8 Procesos de transporte 42 7.8 Hidro gramas unitarios para diferentes duraciones de lluvia 237
3 Agua atmosférica 54 8 Tránsito agregado de crecientes 249
3.1 Circulación atmosférica 54 3.2 Vapor de agua 57 8.1 Tránsito de sistemas agregados 249
.. 3.3 Precipitación 65 8.2 Tránsito de embalses nivelados 252
3.4 Lluvia 73 8.3 Método de Runge-Kutta 259
3.5 Evaporación 82 8.4 Tránsito hidrológico en ríos 264
'3.6 Evapotranspiración 93 8.5 Modelo de embalse lineal 268
VII
VIII CONTENIDO
4 Agua subsuperficial 101
4.1 Flujo no saturado 101 4.2 Infiltración IIO 4.3 Método de Green-Ampt 112 4.4 Tiempo de encharcamiento 120
CONTENIDO 5 Agua superficial 130
5.1 Fuentes de flujo superficial 130 5.2 Hidro grama de caudal 135 5.3 Exceso de precipitación y escorrentía directa 138 5.4 Abstracciones utilizando ecuaciones de infiltración 143 5.5 Método SCS para abstracciones 150 5.6 Profundidad de flujo y velocidad 159 5.7 Tiempo de tránsito 167 5.8 Redes de ríos 171
Prefacio XI 6 Mediciones hidrológicas 180
l. Introducción 1 6.1 Secuencia de la medición hidrológica 181 6.2 Medición del agua atmosférica 185
1.1 El ciclo hidrológico 2 6.3 Medición del agua superficial 189 1.2 Concepto de sistemas ' 5 6.4 Medición del agua subsuperficial 196 1.3 Modelo del sistema hidrológico' 8 6.5 Sistemas de medición hidrológica 198 1.4 Clasificación de modelos hidrológicos'/ 9 6.6 Medición de características fisiográficas 204 1.5 El desarrollo de la hidrología 13
2. Procesos hidrológicos 20 7 Hidrograma unitario 207
2.1 Teorema de transporte de Reynolds 20 7.1 Modelo de sistema hidrológico general 208 2.2 Ecuaciones de continuidad 24 7.2 Funciones respuesta en sistemas lineales 210 2.3 Continuidad en tiempo discreto 26 7.3 El hidrograma unitario 220 2.4 Ecuaciones de momentum 30 7.4 Deducción del hidrograma unitario 223 2.5 Flujo en canales abiertos 34 7.5 Aplicación del hidrograma unitario 225 2.6 Flujo en medios porosos 39 7.6 Cálculo matricial del hidro grama unitario 228 2.7 Balance de energía 41 7.7 Hidro grama unitario sintético 231 2.8 Procesos de transporte 42 7.8 Hidro gramas unitarios para diferentes duraciones de lluvia 237
3 Agua atmosférica 54 8 Tránsito agregado de crecientes 249
3.1 Circulación atmosférica 54 3.2 Vapor de agua 57 8.1 Tránsito de sistemas agregados 249
.. 3.3 Precipitación 65 8.2 Tránsito de embalses nivelados 252
3.4 Lluvia 73 8.3 Método de Runge-Kutta 259
3.5 Evaporación 82 8.4 Tránsito hidrológico en ríos 264
'3.6 Evapotranspiración 93 8.5 Modelo de embalse lineal 268
VII
CONTENIDO
9. Tránsito distribuido de crecientes
9.1 Ecuaciones de Saint-Venant 9.2 Clasificación de los modelos de tránsito distribuido 9.3 Movimiento de ondas 9.4 Solución analítica para la onda cinemática 9.5 Aproximaciones por diferencias finitas 9.6 Solución numérica de la onda cinemática 9.7 Método de Muskingum-Cunge
10 Tránsito de onda dinámica
10.1 Relaciones dinámicas de profundidad-caudal 10.2 Modelo implícito de onda dinámica 10.3 Ecuaciones de diferencias finitas 10.4 Solución por diferencias finitas 10.5 Modelo DWOPER 10.6 Tránsito de crecientes en ríos con meandros 10.7 Tránsito de crecientes causadas por rompimientos de presas
11 Estadística hidrológica
11. 1 Tratamiento probabilístico de la información hidrológica 11.2 Funciones de frecuencia y de probabilidad 11.3 Parámetros estadísticos 11.4 Ajuste a una distribución de probabilidad 11.5 Distribuciones de probabilidad para las variables hidrológicas
12 Análisis de frecuencia
12.1 Periodo de retorno 12.2 Distribuciones de valores extremos 12.3 Análisisde frecuencia utilizando factores de frecuencia 12.4 Gráficas de probabilidad 12.5 Método del Water Resources Council 12.6 Análisis de confiabilidad
13 Diseño hidrológico
13.1 Escala del diseño hidrológico 13.2 Selección del nivel de diseño 13.3 Análisis de incertidumbre de primer orden 13.4 Análisis de riesgo compuesto 13.5 Análisis del riesgo de márgenes de seguridad y factores de seguridad
IX
281
282 290 291 297 300 304 312
320
321 324 326 331 335 336 340
361
361 365 370 374 382
391
391 396 400 406 410 417
427
427 431 438 444 448
X
14
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6
15
15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6
Tormentas de diseño
Profundidad de precipitación de diseño Relaciones intensidad-duración-frecuencia Hietogramas de diseño utilizando análisis de eventos de tormenta Hietogramas de precipitación de diseño utilizando las relaciones IDF Tormentas límites estimadas Cálculo de precipitación máxima probable
Crecientes de diseño
Diseño de alcantarillado de aguas lluvias Simulación de crecientes de diseño Análisis de planicies de inundación Diseño de embalses para el control de crecientes Pronóstico de crecientes Diseño para uso de agua
Índice de autores
Índice de materias
CONTENIDO.
455
455 465 471 477 483 487
506
507 519 531 535 542 545
573
577
CONTENIDO
9. Tránsito distribuido de crecientes
9.1 Ecuaciones de Saint-Venant 9.2 Clasificación de los modelos de tránsito distribuido 9.3 Movimiento de ondas 9.4 Solución analítica para la onda cinemática 9.5 Aproximaciones por diferencias finitas 9.6 Solución numérica de la onda cinemática 9.7 Método de Muskingum-Cunge
10 Tránsito de onda dinámica
10.1 Relaciones dinámicas de profundidad-caudal 10.2 Modelo implícito de onda dinámica 10.3 Ecuaciones de diferencias finitas 10.4 Solución por diferencias finitas 10.5 Modelo DWOPER 10.6 Tránsito de crecientes en ríos con meandros 10.7 Tránsito de crecientes causadas por rompimientos de presas
11 Estadística hidrológica
11. 1 Tratamiento probabilístico de la información hidrológica 11.2 Funciones de frecuencia y de probabilidad 11.3 Parámetros estadísticos 11.4 Ajuste a una distribución de probabilidad 11.5 Distribuciones de probabilidad para las variables hidrológicas
12 Análisis de frecuencia
12.1 Periodo de retorno 12.2 Distribuciones de valores extremos 12.3 Análisisde frecuencia utilizando factores de frecuencia 12.4 Gráficas de probabilidad 12.5 Método del Water Resources Council 12.6 Análisis de confiabilidad
13 Diseño hidrológico
13.1 Escala del diseño hidrológico 13.2 Selección del nivel de diseño 13.3 Análisis de incertidumbre de primer orden 13.4 Análisis de riesgo compuesto 13.5 Análisis del riesgo de márgenes de seguridad y factores de seguridad
IX
281
282 290 291 297 300 304 312
320
321 324 326 331 335 336 340
361
361 365 370 374 382
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427 431 438 444 448
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14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6
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15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6
Tormentas de diseño
Profundidad de precipitación de diseño Relaciones intensidad-duración-frecuencia Hietogramas de diseño utilizando análisis de eventos de tormenta Hietogramas de precipitación de diseño utilizando las relaciones IDF Tormentas límites estimadas Cálculo de precipitación máxima probable
Crecientes de diseño
Diseño de alcantarillado de aguas lluvias Simulación de crecientes de diseño Análisis de planicies de inundación Diseño de embalses para el control de crecientes Pronóstico de crecientes Diseño para uso de agua
Índice de autores
Índice de materias
CONTENIDO.
455
455 465 471 477 483 487
506
507 519 531 535 542 545
573
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