Hidrology Clase S06 CPyM

Ing. Civil CLIFTON PAUCAR Y MONTENEGRO

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FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA

UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZÁN

HUÁNUCO - PERÚ

Curso:

Código:

Condición:

Pre - requisitos:

HIDROLOGÍA GENERAL

4105

OBLIGATORIO

ESTADISTICA Y MECANICA DE FLUIDOS II

CLASES S06 - CICLO 2015.1

Responsable de cátedra :

C. M Sc. en Ingeniería Hidráulica – UNI – Lima - Perú

Huánuco. Mayo del 2015

Escorrentía-Infiltración

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Curso: HIDROLOGÍA GENERAL – CICLO 2015 - 1

Ing. Civil CLIFTON PAUCAR Y MONTENEGRO – C. M Sc. en Ingeniería Hidráulica – UNI – Lima - Perú

Ob

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OBJETIVOS

Conocer los procesos de escorrentía e infiltración

Entender que factores regulan estos procesos

Comprender las bases físicas de la permeabilidad del suelo

ESQUEMA DE CONTENIDOS:

Generalidades

Distribución de la precipitación en el suelo

Parámetros característicos de la infiltración

Métodos de medición de la capacidad de infiltración

Factores que intervienen en la capacidad de infiltración

Ecuación de la Curva de Capacidad de Infiltración contra el

Tiempo

Fuente: HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA – Máximo Villón Béjar, 3era.Edic. Abril, 2005,Lima-Perú


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CONCEPTO DE ESCORRENTÍA

Se define como la lámina de agua que circula en una cuenca

de drenaje, medida en mm. de altura de agua de lluvia

escurrida y extendida dependiendo de la pendiente del

terreno.

La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una

cuenca y el que escurre por su salida están constituidas por

la intercepción en el follaje de las plantas y en los techos de

las construcciones, depósitos artificiales sobre suelo natural

o recubiertos, la retención en las depresiones o charcos (que

posteriormente se evaporan o se infiltra parcial o totalmente),

la evaporación y la infiltración a nivel de cuenca.



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CONCEPTO DE INFILTRACIÓN Y VELOCIDAD O TASA DE

INFILTRACIÓN

Se define como la cantidad de agua en movimiento que

atraviesa verticalmente la superficie del suelo producto de la

acción de las fuerzas gravitacionales y capilares, ésta

cantidad de agua quedará retenida en el suelo o alcanzará el

nivel freático del acuífero incrementando el volumen de este

Se distingue del proceso de percolación porque éste último

es el movimiento hacia abajo de agua desde o a través de la

zona no saturada hasta el nivel freático o zona saturada.

Entre los factores más importantes que afectan la velocidad

y la tasa de infiltración son:

- Características físicas de la textura del suelo

- Carga hidráulica o lámina sobre la superficie del suelo

- Contenido de materia orgánica y carbonatos en el suelo


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CONCEPTO DE INFILTRACIÓN Y VELOCIDAD O TASA DE

INFILTRACIÓN..

- Contenido de humedad del suelo (inicial y saturación)

- Grado de uniformidad en el perfil del suelo

- Acción microbiana en el suelo

- Temperatura del suelo y del agua

- Cobertura vegetal

- Uso del suelo

- Cantidad atrapado de aire atrapado en el suelo

- Lavado del material fino

- Compactación


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DISTRIBUCIÓN DEL AGUA DE PRECIPITACIÓN EN EL SUELO


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PERFIL EDÁFICO DEL SUELO

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ESQUEMA REPRESENTATIVO DE LOS MECANISMOS DE

GENERACIÓN DE INFILTRACIÓN

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ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL FRENTE DE

HUMEDAD DURANTE LA INFILTRACIÓN

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ESQUEMAS DE LAS DIFERENTES ZONAS Y FLUJOS QUE APARECEN EN EL TERRENO

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TIEMPOS ESTIMADOS DEL MOVIMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS

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Uno de los objetivos principales de la Hidrología Superficial es calcular

la escorrentía se va a generar si se produce una precipitación

determinada (calcular el hidrograma que va a generar un hietograma).

El tema es muy complejo y se plantean actuaciones diversas.

Un evento concreto o continuo: A veces estudiamos qué

caudales generará cierta precipitación, o bien queremos conocer el

proceso de un modo continuo, por ejemplo, el funcionamiento de la

cuenca a los largo de un año.

Precipitaciones reales o supuestas: Podemos desear calcular los

caudales generados por precipitaciones reales o bien trabajamos

con una tormenta de diseño, para calcular el hidrograma de diseño.

Si se va a construir una obra (canal, presa….) debe hacerse sobre

caudales teóricos que calculamos que se producirán por

precipitaciones teóricas que se producirán una vez cada 5, 10, 25,

50, 100, 500, 1000 … años, dependiendo de la categoría de Obra

Hidráulica (A,B,C,D).

Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)


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En el estudio de una cuenca real con datos reales es necesario utilizar

un modelo en ordenador, en el que se introducen las características

físicas de la cuenca. En otras ocasiones es posible abordar el

problema manualmente. Separación de la lluvia neta: Calcular que parte de la precipitación caída

va a generar escorrentía superficial

Cálculo de la escorrentía producida por esa precipitación neta. Existen

diversos métodos: Método racional, Hidrogramas sintéticos, Hidrograma

Unitario, etc. El hidrograma calculado se suma al caudal base, si existía

previamente

Cálculo de la variación del hidrograma calculado en el paso anterior a

medida que circula lo largo del cauce; esto se denomina “Tránsito del

hidrograma”

Opcionalmente, y teniendo en cuenta la geometría del cauce en una zona

concreta, calcular la altura que alcanzará el agua y, por tanto, las áreas que

quedarán inundadas cuando el hidrograma calculado en los pasos

anteriores pase por allí. Se pueden realizar cálculos aproximados de la

sección inundable, pero para un cálculo fiable es necesario utilizar el

programas HEC-RAS. Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)


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PROCEDIMIENTO GENERAL 1. Hietograma

Para precipitaciones reales se obtiene de un pluviógrafo, aunque estos

cálculos no suelen realizarse con una precipitación que ya sucedió , sino

con intensidades de precipitación calculadas estadísticamente

(“precipitaciones de diseño”). Su distribución en el tiempo (la forma del

hietograma) puede calcularse o puede estar catalogada previamente

dependiendo de la zona geográfica.

2. Separación de la Precipitación neta

El cálculo de que parte de la precipitación va a generar escorrentía puede

realizarse para cada incremento de tiempo (por ejemplo: hora a hora o de 5

en 5 minutos como se indica en el esquema adjunto mostrado), o también

para todo el evento en forma conjunta (Por ejemplo: Cuando se usa el

método del Ex -Servicio de Conservación de Suelos del los EE.UU (SCS:

Soil Conservation Service) actual Servicio de Conservación de los Recursos

Naturales-SCRN del USDA, o simplemente aplicando un coeficiente de

escorrentía calculado o estimado.



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Fuente: GOULART, et al 1992


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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 3. Hidrograma

En esta fase se calcula el Hidrograma generado por la precipitación neta

(Método Racional, Hidrogramas sintéticos, Hidrograma unitario)

Al hidrograma se le añade el caudal básico si existía previamente



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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 4. Tránsito de la avenida: Retardo

y Atenuación

Si el hidrograma calculado aún

debe recorrer cierta distancia

hasta llegar a la zona de interés,

debemos calcular el tránsito de la

avenida: retardo y atenuación –

disminución del caudal punta (por

ejemplo: Método de Muskingum)



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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 5. Cálculo de la sección y de las áreas inundables

El hidrograma calculado (y, transitado) provocará una altura de inundación

que dependerá de la geometría del cauce (y de sus áreas colindantes), de

la pendiente, del tipo de cauce, etc. , cuyo comportamiento podemos

simular usando el programa Hec-RAS en cauces con pendientes menores a

6%, o aproximaciones del comportamiento del flujo usando la fórmula de

Manning.


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DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO La lluvia que cae se consume totalmente en los siguientes eventos:

a) Intercepción

b) Detención Superficial

c) Humedad del Suelo

c.1) Zona Saturada

c.2) Zona No Saturada

c.2.1.) Humedad higroscópica

c.2.2) Humedad capilar

c.2.3) Humedad Gravitacional

Índices para determinar el contenido de humedad del suelo

- Coeficiente higroscópico: Es la humedad máxima que una muestra, inicialmente seca,

absorbe cuando se pone en contacto con una atmósfera al 50% de humedad relativa y a

25° C.

- Punto de Marchitez : Es el contenido de humedad por el cual se presenta marchitez

permanente de las plantas; depende del tipo de plantas, de su edad y sistema de raíces,

del clima, del volumen del suelo, etc.

- Capacidad de Campo: Es la cantidad de agua que un suelo saturado puede retener

después de ser centrifugado con una fuerza de 1,000 g; también es la cantidad máxima

de agua que puede ser retenida por el suelo en contra de la acción de las fuerzas de

gravedad


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MECANISMOS DE RETENCIÓN DEL AGUA POR PARTE DEL SUELO


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MECANISMOS DE RETENCIÓN DEL AGUA POR PARTE DEL SUELO

Se puede observar en el

esquema adjunto, el

movimiento del agua a

medida que transcurre el

tiempo


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TIPOS DE HUMEDAD DEL SUELO E ÍNDICES RESPECTIVOS

Suelo saturado, humedad = 100%

Capacidad de campo

Coeficiente Higroscópico Suelo reseco, humedad

Punto de Marchitez

Cuando el contenido de humedad del suelo es menor que la capacidad de campo,

la diferencia entre esos dos valores es la deficiencia de humedad del suelo o

déficit de humedad, que representa el agua que el suelo tomará del total que se

infiltre en cada lluvia, antes de que aparezcan las otras componentes.

ESQUEMA REPRESENTATIVO DE TIPOS DE HUMEDAD E ÍNDICE RESPECTIVOS


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DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.. d) Precipitación directa sobre la corriente de agua que sirve de drenaje al área

considerada

e) Agua Subterránea

f) Flujo Sub-superficial

g) Escorrentía Superficial

..... perfFlujoSubSudirectaSuperfEscTotalSuperfEsc


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MODELADO DE UNA CUENCA


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Tal como se ha mostrado en los esquemas la formación de la infiltración está

asociada a la generación de Escorrentía Directa. Hay dos modelos explicativos

de generación de la escorrentía y que están asociados al proceso de infiltración:

Modelo de Horton y Modelo de Dunne.

Modelo de Horton

Cuando existe saturación en la superficie del terreno, es decir cuando el terreno

se encharca, porque la intensidad de la precipitación es superior a la capacidad

de infiltración del terreno, se acumulará el agua en el mismo y se producirá

Escorrentía Directa. La capacidad de infiltración del terreno está relacionada

con la permeabilidad del mismo a través de la Ecuación de Darcy, originalmente

desarrollada para suelos saturados.

Donde K es la permeabilidad del terreno y h el nivel piezométrico

Siendo z la profundidad o cota geométrica y P/ɣ la altura de presiones. Si suponemos que el suelo no está sometido a un gradiente de presiones (suelo a presión atmosférica) y que la infiltración se produce por gravedad, el gradiente del nivel piezométrico coincide con el gradiente de la cota geométrica

][. 12 TLhgradKI r

Pzh


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Modelo de Horton..

En consecuencia

En los instantes iniciales se satura la capa más superficial del suelo edáfico, por

lo que si la intensidad de precípitación es superior a la Ksat se formará

Escorrentía Directa (I>Ksat )ya que el suelo no tiene la capacidad suficiente para

“absorver” ese caudal o intensidad.

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Modelo de Dunne

Dunne (1978), explica que la generación de escorrentía Directa cuando el nivel

freático es somero por la existencia de materiales poco permeables cerca de la

superficie, o por encontrarnos cerca de los cauces de los ríos. En este caso la

infiltración conduce a que la saturación se produzca desde dichos niveles

freáticos desplazándose y alcanzando la superficie. En ese instante toda la

precipitación se convierte en Escorrentía Directa.


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Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración El concepto de capacidad de Infiltración es aplicado al estudio de la infiltración para

diferenciar el potencial que el suelo tiene de absorber agua a través de su superficie, en

términos de lámina de tiempo, de la tasa real de infiltración que se produce cuando hay

disponibilidad de agua para penetrar en el suelo.

Una curva de tasas reales de infiltración, solamente coincide con la curva de las capacidades

de infiltración de un suelo cuando el aporte superficial de agua, proveniente de la

precipitación y de escurrimientos superficiales de otras áreas, tiene una intensidad superior o

igual a la capacidad de infiltración

Cuando cesa la infiltración, parte del agua en el interior del suelo se propaga a las capas

más profundas y una parte es transferida a la atmósfera por evaporación directa o por

evapotranspiración. Ese proceso hace que el suelo vaya recuperando su capacidad de

infiltración, tendiendo a un límite superior a medida que las capas superiores del suelo van

perdiendo humedad

Si la precipitación presenta una intensidad menor a la capacidad de infiltración, toda el agua

penetra el suelo, provocando una progresiva disminución de su capacidad de infiltración, ya

que el suelo se está humedeciendo. Si la precipitación continua, puede ocurrir, dependiendo

de su intensidad, un momento en que la capacidad de infiltración disminuye tanto que su

intensidad se iguala a la de la precipitación. A partir de ese momento, manteniéndose la

precipitación, la infiltración real iguala a la capacidad de infiltración, que pasa a decrecer

exponencialmente en el tiempo tendiendo a un valor mínimo. La parte no infiltrada de la

precipitación escurre superficialmente hacia área más bajas, pudiendo infiltrar nuevamente si

hubiera condiciones.


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Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración..

CURVAS DE CAPACIDAD Y TASAS DE INFILTRACIÓN


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Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración… Cuando termina la precipitación y no hay más aporte superficial la tasa de infiltración real se

hace cero rápidamente y la capacidad de infiltración vuelve a crecer, porque el suelo

continúa perdiendo humedad hacia las capas más profundas, además de las pérdidas por

evapotranspiración. Los valores de infiltración dependerán del espacio y del tiempo.

Se muestra en la Tabla adjunta valores promedios de capacidad de infiltración para distintos

tipos de suelos

Tipo de Suelo Capacidad de Infiltración (mm/h)

Arena 50

Limo Arenoso 25

Limo Arcilloso 12

Tabla de: VALORES PROMEDIOS DE INFILTRACIÓN


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Ecuaciones para el cálculo de la Infiltración puntual Existen diversas ecuaciones para estimar la infiltración. Entre ellas tenemos las de Horton,

Philip y Green–Ampt, que se presentan a continuación, todas ellas desprecian la carga de una

eventual lámina de agua sobre el suelo.

1) Ecuación de Horton (1939)

Donde:

t = tiempo pasado desde la saturación superficial del suelo

k= constante de decaimiento [ T -1 ]

It= Tasa de infiltración en el tiempo t

Ii= Tasa de infiltración inicial (t=0)

Ib=Tasa mínima de infiltración (asintótica)

2) Ecuación de Philip (1957)

Donde:

T es el tiempo pasado desde el inicio de la infiltración y C, A, D y E son coeficientes

que dependen del medio poroso.

kt

bibt eIIII )(

..2/12/1 EtDtACtI


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Ecuaciones para el cálculo de la Infiltración puntual Existen diversas ecuaciones para estimar la infiltración. Entre ellas tenemos las de Horton,

Green –Ampt, y Philip que se presentan a continuación, todas ellas desprecian la carga de una

eventual lámina de agua sobre el suelo.

3) Ecuación de Green-Ampt (1911)

Donde:

f= tasa de velocidad de infiltración [ LT -1 ]

K´=Conductividad hidraulica saturada aparente del suelo [ LT -1 ]

L = Profundidad [ L ] ϕf = potencial capilar que paso de cero a un valor f del frente húmedo

L

LKf

f

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MÉTODOS DE LA MEDICIÓN DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN

A. MÉTODOS DIRECTOS

1) Infiltrómetros

1.1) Tubos

Es un tubo cilíndrico de 0.20 a 0.30 m. de diámetro y un alto de o.60 m. que

se hinca en el suelo midiendo el descenso del agua, con el principal

inconveniente que el agua infiltrada por el círculo del fondo, en las zonas del

suelo a los lados del aparato participan también en la infiltración; dando

medias superiores a la realidad

1.2) Anillos concéntricos

Son dos anillos concéntricos, usándose el interior de 23 cm. De diámetro

para determinar la velocidad de infiltración, mientras que el exterior de 35 cm,

se inunda a las mismas profundidades, para disminuir los efectos de frontera en

el anillo interior. Los anillos se insertan en el suelo a la profundidad mínima

necesaria para evitar las fugas de los mismos. La medición es menor que la

anterior y más concordante con la capacidad del suelo.

1) Lisímetros

2) Simuladores de lluvia


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MÉTODOS DE LA MEDICIÓN DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN

B. MÉTODOS INDIRECTOS

Se determina la capacidad de infiltración considerando una cuenca

perfectamente controlada, con datos precisos de precipitación, evaporación y

escorrentía, pudiéndose determinar la infiltración

Los ensayos mas simples y difundidos son los que se desarrollan con los

anillos concéntricos. Los datos obtenidos de campo se vuelcan en una planilla

registrándose las distintas alturas de agua y los tiempos correspondientes.

Los intervalos de tiempo dependen del suelo donde se hace la medición. Con

los datos de altura y tiempo se obtienen los deltas de ambos.

La capacidad de infiltración se obtiene haciendo el cociente entre cantidad de

agua infiltrada y el intervalo de tiempo: f = Variación de altura/Variación de

tiempo

Se obtienen dos curvas: de lámina acumulada y al curva de capacidad de

infiltración, ambas en función del tiempo


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CURVAS DE LÁMINA ACUMULADA Y CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN EN FUNCIÓN

DEL TIEMPO

f= Variación altura / variación tiempo


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MEDICIÓN DE ANCHO Y PROFUNDIDAD DE LA ZONA HUMEDECIDA LUEGO DE UNA

MEDICIÓN DE INFILTRACIÓN REALIZADA EN SUELO MUY SECO USANDO UN

INFILTRÓMETO DE ANILLO SIMPLE (TUBO)


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VALIDACIÓN DE UN ESTUDIO DE BALANCE HÍDRICO

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Precipitación

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE

INFILTRACIÓN Existen varios factores que influyen tanto en el origen de la Infiltración como en la

cantidad de agua infiltrada. Los factores que influyen en la infiltración del suelo son

los siguientes

1) La Precipitación.- es un factor externo a las propiedades del terreno. La

existencia dela precipitación es la causa que exista infiltración, siempre y

cuando se supere un cierto umbral mínimo exigible.

2) La Temperatura.- Si la Temperatura del suelo es suficientemente baja para

producir la congelación del agua recibida, la capa helada impide o dificulta la

infiltración

3) El contenido inicial de humedad.- En el suelo tiene una gran influencia. Si el

terreno está muy seco, a la acción de la gravedad, se une una fuerte tensión

capilar con lo que aumenta la infiltración. A medida que el terreno se humedece

se hinchan las arcillas y coloides y se reduce el tamaño de los poros y la

capacidad del suelo para infiltrar. Por otra parte, a medida que se alcanza la

capacidad de retención del suelo, se admitirá menos cantidad de agua ya que

existirá menos gradiente piezométrico y, en consecuencia, menos flujo de

entrada.

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Precipitación


INFILTRACIÓN.. 4) Las condiciones de superficie del terreno.- La permanencia estática del

agua en el terreno favorece la infiltración, ya que se da tiempo para que el

agua se infiltre, por ello factores que evitan esa permanencia de agua en forma

de detención superficial en el terreno perjudicarán a la infiltración. Así pues, la

pendiente del terreno favorece el tránsito del agua caída en forma de

escorrentía superficial; a mayor pendiente menor tiempo de tránsito superficial

del agua y menor permanencia de agua en el terreno. Por otro lado la

vegetación favorece la retención del agua, lo que aumenta el tiempo de

permanencia del agua en el terreno y, en consecuencia, al infiltración. La

compactación del terreno por animales o intervención humana, arado de la

tierra, formación de grietas por acción de las raíces de la plantas, son otros de

los factores que define las condiciones de infiltración.

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INFILTRACIÓN… 5) Permeabilidad del terreno.- Es la velocidad de infiltración para un gradiente

unitario de carga hidráulica en un flujo saturado a través de un medio poroso.

La permeabilidad puede ser afectada por otros factores como la cobertura

vegetal, compactación del suelo, la infiltración de agua, etc. No depende de las

condiciones de contorno, pero si principalmente del tamaño y distribución de

los granos del suelo y de la temperatura del agua.

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ACTIVIDADES A DESARROLLAR PARA EL TRABAJO ESCALONADO

En el Expediente Técnico del proyecto que evalúa, determinar: 1) Verifique si el hietograma, hidrograma y tránsito de la avenida (Retardo y

Atenuación) generado en el cálculo hidráulico del Proyecto cuyo Expediente Técnico

evalúa caracteriza en forma eficiente el proceso de precipitación-escorrentía en el

ámbito del proyecto. Deberá responder entre otras interrogantes los siguiente:

¿Considera que los intervalos de tiempos y el Periodo de Retorno (T), propuestos

para calcular la intensidad de la precipitación y el caudal escurrimiento

respectivamente son los adecuados?¿Por qué?. ¿Qué método se ha usado para

determinar la intensidad de la lluvia?¿Cuáles cree que han sido sus atributos para

aplicarlo en el ámbito de influencia del proyecto que evalúa. Si no está de acuerdo

con el método empleado, explique el por qué?. Describa la información y el

procedimiento metodológico que aplicaría, indicando la fuente de procedencia,

proceso de adquisición (si se trata de software), usos y aplicaciones. Comente los

resultados en comparación con los que inicialmente se consideraron en el

Expediente Técnico.

2) Verifique, el método empleado para determinar la capacidad y tasa de infiltración en

el PIP que evalúa. En caso de que el Expediente Técnico que evalúa no cuenta con

dicho cálculo, responda si era o no necesario desarrollarlo, explicando el ¿Por qué?.

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