Curso de HidrologíaCurso de HidrologíaLa Cuenca HidrológicaLa Cuenca Hidrológica

Por:Por:Sergio Velásquez MazariegosSergio Velásquez Mazariegos

svelasqu@catie.ac.crEnero de 2011Enero de 2011

Capítulo 2.Capítulo 2.Definición de Cuenca Definición de Cuenca HidrográficaHidrográfica• Es el área de terreno donde todas las aguas caídas por

precipitación, se unen para formar un solo curso de agua• Unidad natural definida por la existencia de la divisoria de las

aguas en un territorio dado• Las cuencas hidrográficas son unidades morfográficas

superficiales– Divisoria geográfica principal= Parteaguas– Divisorias geográficas secundarias= Forman las subcuencas

Capítulo 2.Capítulo 2.Definición de Cuenca Definición de Cuenca HidrológicaHidrológica• La definición de cuenca hidrológica es más integral que la

de cuenca hidrográfica• Las cuencas hidrológicas son unidades morfológicas

integrales y además de incluir todo el concepto de cuenca hidrográfica, abarcan en su contenido, toda la estructura hidrogeológica subterránea del acuífero como un todo.

Capítulo 2.Capítulo 2.Funciones de las Cuencas Funciones de las Cuencas

• Función Hidrológica– Captación de agua de

las diferentes fuentes de precipitación para formar el escurrimiento de manantiales, ríos y arroyos.

– Almacenamiento del agua en sus diferentes formas y tiempos de duración.

– Descarga del agua como escurrimiento.

Capítulo 2.Capítulo 2.Funciones de las Cuencas Funciones de las Cuencas • Función Ecológica

– Provee diversidad de sitios y rutas a lo largo de la cual se llevan a cabo interacciones entre las características de calidad física y química del agua.

– Provee de hábitat para la flora y fauna que constituyen los elementos biológicos del ecosistema y tienen interacciones entre las características físicas y biológicas del agua

Capítulo 2.Capítulo 2.Funciones de las Cuencas Funciones de las Cuencas

• Función Ambiental  – Constituyen sumideros

de CO2.– Alberga bancos de

germoplasma.– Regula la recarga

hídrica y los ciclos biogeoquímicos.

– Conserva la biodiversidad.

– Mantiene la integridad y la diversidad de los suelos

Capítulo 2.Capítulo 2.Funciones de las Cuencas Funciones de las Cuencas

• Función Socioeconómica– Suministra recursos

naturales para el desarrollo de actividades productivas que dan sustento a la población.

– Provee de un espacio para el desarrollo social y cultural de la sociedad.

Capítulo 2.Capítulo 2.Servicios Ambientales del Flujo Servicios Ambientales del Flujo

HidrológicoHidrológico • Servicios Ambientales

– Del flujo hidrológico:• Usos directos: agricultura,

industria, agua potable, etc)

• Dilución de contaminantes

• Generación de electricidad

• Regulación de flujos y control de inundaciones

• Transporte de sedimentos

• Recarga de acuíferos

• Dispersión de semillas y larvas de la biota.

Capítulo 2.Capítulo 2.Implicaciones ecológicas de la cuencaImplicaciones ecológicas de la cuenca

• Distribuidor de insumos primarios (nutrientes, materia orgánica, sedimentos)– Modela el relieve e influye en la

formación y distribución de los suelos en las laderas

– Influye en la distribución de la vegetación y del uso de la tierra.

– Integra procesos y patrones de los ecosistemas, en donde las plantas y los animales ocupan una diversidad de hábitat generado por variaciones de tipos de suelo, geomorfología y clima en un gradiente altitudinal.

• Constituye una unidad espacial ecogeográfica– Se pueden analizar los procesos

ambientales generados como consecuencia de las decisiones en materia de uso y manejo de los recursos agua, suelos y vegetación

– Marco apropiado para la planificación y de corrección de impactos sobre los RRNN

Capítulo 2.Capítulo 2.La Cuenca como Unidad de Planificación, La Cuenca como Unidad de Planificación,

Manejo y GestiónManejo y Gestión • ¿Por qué la Cuenca?

– Es un sistema• Compuesto por

subsistemas que interactúan unos con otros en tiempo y espacio (alta, media y baja)

– Es una unidad hidrológica que permite un mejor análisis de causa-efecto

• Unidad de intervención es la finca

Capítulo 2.Capítulo 2.División de la cuenca como unidad de División de la cuenca como unidad de

gestióngestión • Subcuenca:Subcuenca: es toda área que es toda área que

desarrolla su drenaje desarrolla su drenaje directamente al curso directamente al curso principal de la cuenca. principal de la cuenca. – Varias subcuencas pueden Varias subcuencas pueden

conformar una cuenca.conformar una cuenca.• Microcuenca:Microcuenca: es toda área es toda área

que desarrolla su drenaje que desarrolla su drenaje directamente a la corriente directamente a la corriente principal de una subcuenca.principal de una subcuenca.– Varias microcuencas pueden Varias microcuencas pueden

conformar una subcuenca.conformar una subcuenca.• Quebradas:Quebradas: es toda área que es toda área que

desarrolla su drenaje desarrolla su drenaje directamente a la corriente directamente a la corriente principal de una microcuenca.principal de una microcuenca.– Varias quebradas pueden Varias quebradas pueden

conformar una microcuenca. conformar una microcuenca.

Capitulo 2Capitulo 2Delimitación de cuencasDelimitación de cuencas

• Las cuencas Las cuencas pueden ser pueden ser delimitadas de delimitadas de varias formas:varias formas:– Manual: Siguiendo Manual: Siguiendo

simples reglas de simples reglas de trazadotrazado

Capitulo 2Capitulo 2Delimitación de cuencasDelimitación de cuencas

– Computarizada o automáticaComputarizada o automática•Se hace a partir de las curvas a nivel y la red Se hace a partir de las curvas a nivel y la red

hidrográfica digitalizadashidrográfica digitalizadas•Puede presentar algunos problemas para su Puede presentar algunos problemas para su

delimitación principalmente en el área delimitación principalmente en el área cercana al punto de aforo.cercana al punto de aforo.

•Depende de un insumo llamado Modelo de Depende de un insumo llamado Modelo de Elevación Digital (MED) o Modelo de Elevación Elevación Digital (MED) o Modelo de Elevación de Terreno (MET).de Terreno (MET).

•La primera práctica de este curso será la La primera práctica de este curso será la delimitación manual y automatizada de la delimitación manual y automatizada de la cuenca y el cálculo de las características cuenca y el cálculo de las características físicas de ella.físicas de ella.

Capitulo 2Capitulo 2Delimitación automatizada de Delimitación automatizada de cuencascuencas• Generación del MEDGeneración del MED

• ““Quemado” o “Marcado” de los ríosQuemado” o “Marcado” de los ríos

• MED sin depresiones locales (Fill MED sin depresiones locales (Fill sinks)sinks)

• Grid de Dirección de FlujoGrid de Dirección de Flujo

• Grid de Acumulación de FlujoGrid de Acumulación de Flujo

• Trazado automáticoTrazado automático

Capítulo 2Capítulo 2Características físicas de la Características físicas de la cuencacuenca• OrientaciónOrientación

• Superficie o áreaSuperficie o área

• PerímetroPerímetro

• Topografía (curva hipsométrica y Topografía (curva hipsométrica y curva de frecuencia de altitudes)curva de frecuencia de altitudes)

• Altitudes característicasAltitudes características

• Índices representativosÍndices representativos

TIN y Modelo de Elevación TIN y Modelo de Elevación DigitalDigital

Convertir a GRID

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasQuemado o Marcado de RíosQuemado o Marcado de Ríos

Conversión deRíos a Grid

Atributo derios=100No data

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasQuemado o Marcado de RíosQuemado o Marcado de Ríos

Reclasificaciónde ríos

Atributo derios=100Atributo fuerade ríos=0

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasQuemado o Marcado de RíosQuemado o Marcado de Ríos

Resta con el MapCalculator

Ríos 100 m másprofundos

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasLlenado de depresiones localesLlenado de depresiones locales

Mínimos locales

Fill Sinks

Parteaguas

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasDirección de FlujoDirección de Flujo

64

16 X 1

8 4 2

32 128

La dirección de flujo de una celdaestá definida por la dirección del mayorgradiente de elevación

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasDirección de FlujoDirección de Flujo

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasAcumulación de FlujoAcumulación de Flujo

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasAcumulación de FlujoAcumulación de Flujo

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasDirección y Acumulación de FlujoDirección y Acumulación de Flujo

Delimitación de cuencasDelimitación de cuencasTrazado automáticoTrazado automático

Orientación de la cuencaOrientación de la cuenca

• El número de horas que está soleada la cuenca. El número de horas que está soleada la cuenca. Este es un elemento bastante importante en la Este es un elemento bastante importante en la medida que aumenta la latitud de la cuenca. Puede medida que aumenta la latitud de la cuenca. Puede ser el factor principal en el cálculo de la ser el factor principal en el cálculo de la evaporación y la evapotranspiración.evaporación y la evapotranspiración.

• Las horas en las que incide el sol sobre la ladera de Las horas en las que incide el sol sobre la ladera de la cuenca.la cuenca.

• La dirección de los vientos dominantesLa dirección de los vientos dominantes

• La dirección del movimiento de los frentes de lluviaLa dirección del movimiento de los frentes de lluvia

• Los flujos de humedadLos flujos de humedad

Superficie o áreaSuperficie o área

• Método gravimétrico (balanza Método gravimétrico (balanza analítica)analítica)

Superficie o áreaSuperficie o área

• Automatizada o computarizadaAutomatizada o computarizada– Por medio de un SIG.Por medio de un SIG.– En ArcView 3.3 se aplica la extensión En ArcView 3.3 se aplica la extensión

Mila Utilities 3.2.Mila Utilities 3.2.– El proceso se hace de manera El proceso se hace de manera

automática y el área se agrega a la automática y el área se agrega a la tabla de atributos de la cuenca.tabla de atributos de la cuenca.

Superficie o áreaSuperficie o área

• PlanímetroPlanímetro

Trazado en el sentidode las agujas del reloj

Promediar tres medicionescon sus lecturas

Planimetrar un área conociday aplicar regla de tres

PerímetroPerímetro

• Cuerda o mecateCuerda o mecateEscala 1:50,000 o sea 1 cm=500 m.

4.3 cm

P= 4.3 cm x 500 m = 2,150 m

PerímetroPerímetro

• CurvímetroCurvímetro

PerímetroPerímetro

• Automatizado o ComputarizadoAutomatizado o Computarizado– Por medio de un SIG.Por medio de un SIG.– En ArcView 3.3 se aplica la extensión En ArcView 3.3 se aplica la extensión

Mila Utilities 3.2.Mila Utilities 3.2.– El proceso se hace de manera El proceso se hace de manera

automática y el perímetro se agrega a la automática y el perímetro se agrega a la tabla de atributos de la cuenca.tabla de atributos de la cuenca.

Curva hipsométricaCurva hipsométrica

•Es la curva que puesta en coordenadas rectangulares, representa la relación entre la altitud, y la superficie de la cuenca que queda sobre esa altitud.

Curva hipsométricaCurva hipsométrica

• Se debe calcular las Se debe calcular las áreas entre curvas a áreas entre curvas a nivelnivel

• Se calcula por medio Se calcula por medio del planímetro o por del planímetro o por medios medios gravimétricosgravimétricos

• Nosotros lo vamos a Nosotros lo vamos a calcular por medios calcular por medios computarizadoscomputarizados

Altitudes característicasAltitudes características

• Altitud media: es la ordenada medida de la curva hipsométrica, donde el 50 % del área de la cuenca, está situado por encima de esa altitud y el 50 % está situado por debajo de ella.

• Altitud mas frecuente: es el máximo valor en porcentaje de la curva de frecuencia de altitudes.

• Altitud de frecuencia 1/2: es la altitud correspondiente al punto de abscisa ½ de la curva de frecuencia de altitudes.

Curva hipsométricaCurva hipsométrica

Curva hipsométricaCurva hipsométrica

Relación hipsométricaRelación hipsométrica

Donde:Donde:– Rh: Relación hipsométricaRh: Relación hipsométrica– Ss: Area por encima de la Ss: Area por encima de la

curva hipsométricacurva hipsométrica– Si: Area por debajo de la Si: Area por debajo de la

curva hipsométricacurva hipsométrica

Indice o Factor de Forma (F)Indice o Factor de Forma (F)

• Expresa la relación, entre el ancho promedio de la cuenca y su longitud

Indice o Factor de Forma (F)Indice o Factor de Forma (F)

• A mayor F mayor posibilidad de tener una tormenta intensa simultánea sobre toda la extensión de la cuenca

Índice de Compacidad o Índice de Compacidad o GraveliousGravelious

• El índice de compacidad de una cuenca, definida por Gravelious, expresa la relación entre el perímetro de la cuenca, y el perímetro equivalente de una circunferencia

Índice de Compacidad o Índice de Compacidad o GraveliousGravelious

•Cuando K=1 entonces la cuenca es circular.

•Para K>1 la cuenca tiende a ser alargada y por lo tanto aplica el mismo criterio que para el índice de forma.

Rectángulo equivalenteRectángulo equivalente

• Transformación geométrica, que permite representar a la cuenca, de su forma heterogénea, con la forma de un rectángulo que tiene:– la misma área y perímetro (y

por lo tanto el mismo índice de compacidad ó índice de Gravelious)

– igual distribución de alturas (y por lo tanto igual curva hipsométrica)

– igual distribución de terreno, en cuanto a sus condiciones de cobertura.

• Las curvas de nivel se convierten en rectas paralelas al lado menor, siendo estos lados, la primera y última curvas de nivel.

Rectángulo equivalenteRectángulo equivalente

Rectángulo equivalenteRectángulo equivalente

Calculo de K, L y l:Se toma el signo + para LSe toma el signo – para l

Rectángulo equivalenteRectángulo equivalente

Calculo de los segmentos del lado mayor Li

A1=6.13/10.9034=0.56

Indice de PendienteIndice de Pendiente

•Es una ponderación que se establece entre las pendientes y el tramo recorrido por el río

Pendiente de la CuencaPendiente de la Cuenca

•Tiene una relación importante y compleja con la infiltración, la escorrentía superficial, la humedad del suelo, y la contribución del agua subterránea a la escorrentía– Controla el tiempo de escurrimiento y

concentración de la lluvia en los canales de drenaje

Pendiente de la CuencaPendiente de la Cuenca

•Criterios para evaluar la pendiente– Criterio de Alvord– Criterio de Horton– Criterio de Nash– Criterio del rectángulo equivalente

Criterio de AlvordCriterio de Alvord

• Este criterio está basado, en la obtención previa de las pendientes existentes entre las curvas de nivel.

Criterio del rectángulo Criterio del rectángulo equivalenteequivalente

• Con este criterio, para hallar la pendiente de la cuenca, se toma la pendiente media del rectángulo equivalente, es decir:

Perfil longitudinal de un Perfil longitudinal de un caucecauce• Si se plotea la

proyección horizontal de la longitud de un cauce versus su altitud, se obtiene el perfil longitudinal del curso de agua.

Perfil longitudinal de un Perfil longitudinal de un caucecauce

• Importancia: – Proporciona una idea de las pendientes

que tiene el cauce, en diferentes tramos de su recorrido,

– Factor de importancia para •Control de torrentes

•Determinar puntos de captación

•Ubicación de posibles centrales hidroeléctricas.

Pendiente del caucePendiente del cauce

• Importante para– Aprovechamiento hidroeléctrico– Solución de problemas de inundaciones.

• La pendiente del cauce se puede considerar como el cociente, que resulta de dividir, el desnivel de los extremos del tramo, entre la longitud horizontal de dicho tramo.

• Existen varios métodos para obtener la pendiente de un cauce

Metodos para obtener Metodos para obtener pendiente del caucependiente del cauce

• Pendiente uniformePendiente uniforme

• Compensación de áreasCompensación de áreas

• Ecuación de Taylor y SchwarzEcuación de Taylor y Schwarz

Pendiente UniformePendiente Uniforme

• Considera la pendiente del cauce, como la relación entre el desnivel que hay entre los extremos del cauce y la proyección horizontal de su longitud

• El método puede utilizarse en tramos cortos del río.

Compensación de áreasCompensación de áreas

• Elegir la pendiente de una línea que se apoya en el extremo final del tramo por estudiar, y que tiene la propiedad de contener la misma área (abajo y arriba), respecto al perfil del cauce.

Ecuación de Taylor y Ecuación de Taylor y SchwarzSchwarz• Considera que un río está formado por n tramos de igual

longitud, cada uno de ellos con pendiente uniforme.

• Tiene una mejor aproximación, cuanto más grande sea el número de tramos, en los cuales se subdivide el perfil longitudinal del río a analizar.

Tramos de diferentelongitud

Red de DrenajeRed de Drenaje

•Trayectorias o arreglo que guardan entre sí, los cauces de las corrientes naturales dentro de ella– Manifiesta la eficiencia del sistema de

drenaje en el escurrimiento (rapidez con que desaloja la cantidad de agua que recibe).

– Proporciona indicios de las condiciones del suelo y de la superficie de la cuenca.

Red de DrenajeRed de Drenaje

•Las características de una red de drenaje, pueden describirse principalmente de acuerdo con:– El tipo de corrientes– El orden de las corrientes– Longitud de los tributarios– Densidad de corriente– Densidad de drenaje

Tipo de CorrientesTipo de Corrientes

• Corriente efímera, es aquella que solo lleva agua• cuando llueve e inmediatamente después.• Corriente intermitente, lleva agua la mayor parte• del tiempo, pero principalmente en época de

lluvias; su• aporte cesa cuando el nivel freático desciende por• debajo del fondo del cauce.• Corriente perenne, contiene agua todo el tiempo,

ya que aún en época de sequía es abastecida continuamente, pues el nivel freático siempre permanece por arriba del fondo del cauce.

Orden de las corrientesOrden de las corrientes

• Proporciona el grado de bifurcación dentro de la cuenca.

• Se requiere de un plano de la cuenca que incluya tanto corrientes perennes como intermitentes.

• Existen dos métodos para determinarlas:– Strahler– Shreve

• Pueden trazarse mediante el uso de los SIG.

4

Strahler

Shreve

Longitud de los tributariosLongitud de los tributarios

• Indicador de la magnitud de la pendiente de la cuenca, así como del grado de drenaje.

• Areas escarpadas y bien drenadas ---> numerosos tributarios pequeños y cortos

• Areas planas (suelos son profundos y permeables) ---> tributarios largos, que generalmente son corrientes perennes

• Longitud de los tributarios se incrementa como una función de su orden.

• La medición de las corrientes, se realiza dividiendo la corriente en una serie de segmentos lineales, trazados lo más próximo posible a las trayectorias de los cauces de las corrientes.

• También puede realizarse desde un SIG.

Densidad de las corrientesDensidad de las corrientes

• Es la relación entre el número de corrientes y el área drenada• Solamente se consideran corrientes perennes e intermitentes• El cauce principal cuenta como una corriente y luego los

tributarios a este cauce desde su nacimiento hasta su unión con el cauce principal

Densidad de drenajeDensidad de drenaje

• Se expresa como la longitud de las corrientes, por unidad de área• indica:

– La posible naturaleza de los suelos, que se encuentran en la cuenca.– El grado de cobertura que existe en la cuenca.

• Valores altos, representan zonas con poca cobertura vegetal, suelos fácilmente erosionables o impermeables

• Valores bajos, indican suelos duros, poco erosionables o muy permeables y cobertura vegetal densa.

• Se puede calcular mediante un SIG

Densidad de drenajeDensidad de drenaje

• La densidad de drenaje es un indicador de la La densidad de drenaje es un indicador de la respuesta de la cuenca ante un aguacero, y, por respuesta de la cuenca ante un aguacero, y, por tanto, condiciona la forma del hidrograma resultante tanto, condiciona la forma del hidrograma resultante en el desagüe de la cuenca. A mayor densidad de en el desagüe de la cuenca. A mayor densidad de drenaje, más dominante es el flujo en el cauce frente drenaje, más dominante es el flujo en el cauce frente al flujo en ladera, lo que se traduce en un menor al flujo en ladera, lo que se traduce en un menor tiempo de respuesta de la cuenca y, por tanto, un tiempo de respuesta de la cuenca y, por tanto, un menor tiempo al pico del hidrograma.menor tiempo al pico del hidrograma.

Contraste entre Densidad de las corrientes (Dc) y Densidad de drenaje (Dd)

Cuencas hipotéticas a y b: Igual Dd pero diferente DcCuencas hipotéticas c y d: Igual Dc pero diferente Dd

Constante de estabilidad del Constante de estabilidad del ríorío

• Representa, físicamente, la superficie de cuenca necesaria para Representa, físicamente, la superficie de cuenca necesaria para mantener condiciones hidrológicas estables en una unidad de longitud mantener condiciones hidrológicas estables en una unidad de longitud de canal. Puede considerarse, por tanto, como una medida de la de canal. Puede considerarse, por tanto, como una medida de la erodabilidad de la cuenca. Así, regiones con suelo rocoso muy erodabilidad de la cuenca. Así, regiones con suelo rocoso muy resistente, o con suelos altamente permeables que implican una resistente, o con suelos altamente permeables que implican una elevada capacidad de infiltración, o regiones con densa cobertura elevada capacidad de infiltración, o regiones con densa cobertura vegetal, tienen valores altos de la constante de estabilidad y bajos de vegetal, tienen valores altos de la constante de estabilidad y bajos de densidad de drenaje. Por el contrario, una baja constante de densidad de drenaje. Por el contrario, una baja constante de estabilidad, o una elevada densidad de drenaje, es característica de estabilidad, o una elevada densidad de drenaje, es característica de cuencas con rocas débiles, escasa o nula vegetación y baja capacidad cuencas con rocas débiles, escasa o nula vegetación y baja capacidad de infiltración del suelo.de infiltración del suelo.

•Es el inverso de la Densidad de DrenajeEs el inverso de la Densidad de Drenaje•A: Area de la cuencaA: Area de la cuenca•Lt: Longitud total de las corrientes perennesLt: Longitud total de las corrientes perennes