Post on 18-Dec-2014
El proceso del escurrimiento
Mario García PetilloUnidad de Hidrología, GD Ingeniería Agrícola,
Departamento de Suelos y Aguas
mgarciap@fagro.edu.uy
FACULTAD DE
AGRONOMIAUNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA
1. Introducción
2. El proceso del escurrimiento
3. Factores que lo afectan
4. Predicción del escurrimiento• Caudal pico• Rendimiento de agua
Esquema de la charla
1. Introducción
Definición
El escurrimiento es la parte de la precipitación que fluye sobre el terreno, o que va a partes subterráneas, y eventualmente, hacia mares u océanos.
Importancia de su conocimiento y manejo
• Erosión
• Aprovechamiento por los cultivos
• Tajamares
• Desagües
2. El proceso del escurrimiento
Escurrimiento subsuperficial
Escurrimiento
superficial
Infiltración Otras extraccionesExceso de PP
Percolación Profunda
Escurrimiento subterráneo
ESCURRIMIENTO TOTAL
Escurrimiento subsuperficial
lento
Escurrimiento de baseEscurrimiento directo
Escurrimiento subsuperficial
rápido
PP TOTAL
El ciclo del escurrimientoINICIO DE LA LLUVIA
3. Factores que afectan el escurrimiento
Factores que afectan el escurrimiento
• Climáticoso Lluvia
• Intensidad
• Duración
• Distribución
• Frecuencia
• Precipitación antecedente
• Agua en el suelo
Factores que afectan el escurrimiento
• Climáticoso Intercepción
• Especie
• Composición
• Densidad
• Estado de crecimiento
Factores que afectan el escurrimiento
• Climáticoso Evapotranspiración
• Radiación
• Temperatura
• Velocidad del viento
• Humedad relativa
Factores que afectan el escurrimiento
• Fisiográficoso De la cuenca en sí
• Geométricoso Tamaño
o Pendiente
o Forma
o Longitud de la pendiente
Factores que afectan el escurrimiento
• Fisiográficoso De la cuenca en sí
• Físicoso Condiciones de la superficie del suelo
o Uso del suelo
o Drenaje interno
o Permeabilidad
Factores que afectan el escurrimiento
• Fisiográficoso De la red de drenaje
• Capacidad de cargao Sección
o Pendiente
o Rugosidad
Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia
Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia
Sub-regiones pluviométricas del Uruguay
465.0
1*
11
1log*707,01*6,34
,t
rh
Tt rT
Curvas Intensidad, Duración, Frecuencia (IDF)
Índice de Precipitación Antecedente (IPA)(Shaw, 1963)
6
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
d
P
d
P
d
P
d
P
d
P
d
PIPA
Día 18/12 19/12 20/12 21/12 22/12 23/12 24/12 25/12 26/12 PP 0 17 30 0 20 0 0 15 75 di 8 7 6 5 4 3 2 1 0
IPA = 25
Índice de Precipitación Antecedente (IPA)(Shaw, 1963)
Intercepción
Intercepción de la lluvia por un monte de EucaliptusL. Martínez y P. Durán (2002)Medidas promedio de 9 mesesÁrboles de 7 años de edad
• Precipitación total 176 mm/mes• Precipitación directa 156 mm/mes• Precipitación fustal 13 mm/mes• Intercepción 7 mm/mes (4%)
Efecto de la pendiente
V f(h0.5) > pendiente, > V, < tiempo para infiltrar, > escurrimiento
EC f(V2) V*2 EC*4Cant f(V5) V*2 Cant*32Tam f(V6) V*2 Tam*64
Efecto del tipo de suelo
Planosol – Horizonte A Fr.Ar., profundidad 50 cm, AD 62 mmBrunosol – Horizonte A Fr.Arc., profundidad 20 cm, AD 40 mmLluvias - Verano 69/70 162 mm (p<1%) - Verano 70/71 688 mm (p<7%)
Efecto del laboreo
Efecto del laboreoINIA La Estanzuela – promedio de 9 años
Relación de caudales pico (L. Silveira et al, 2003)
Relación de volúmenes específicos escurridos
Modificación de los coeficientes de escorrentía por el desarrollo forestal (Silveira y Alonso, 2004)
Tendencias de Coeficientes de escorrentía anual
Efecto de la red de drenaje
Capacidad de carga (factores de la fórmula de Manning)
Cuenca
Es toda superficie del terreno limitada por divisorias de agua
Cuenca chica
• Menos de 1000 km2 (100.000 has)
• La mayoría del esc sobre el terreno
• No hay efecto de retardo
• Picos de esc muy cerca de picos de pp
• Sensible a cambios de uso del suelo
• Sensible a lluvias intensas y cortas
Cuenca grande
• Mayor de 1000 km2
• Importante efecto de los cursos de agua
• Retardo del escurrimiento
• Importante papel de almacenamiento de aguas de drenaje
4. Predicción del escurrimiento
4.1. Caudal pico de escurrimiento
Selección del método de cálculo
• Si TdeC < 20’ Método Racional
• Si TdeC > 20’ y Ac > 400 há Método S.C.S.
• Si TdeC > 20’ y Ac < 400 há Ambos métodos
Método Racional (C.E.Ramser, 1927)
•Conceptos básicos
•Supuestos en que se basa
3600)2A(mI(m/h).C.
/s)3(mQMAX
CuencaAreaIVxNCL
Pendiente
..L.C.N. = Longitud de las curvas de nivel (m)I.V. = intervalo vertical (m) entre las curvas de nivelArea de la cuenca (m2)
Período de Retorno (T)
(1/vu)r)(111
T
T = Período de retornor = Riesgo asumidovu = Vida útil de la obra
Coeficiente C: Para obtener el coeficiente de escorrentía “C” de tabla, es necesario estimar la pendiente de la cuenca y fijar el período de retorno a utilizar
Criterios de diseño generalizado para estructuras de control de agua (Período de Retorno)
1. Presas con poca probabilidad de pérdida de vidas
Volumen (m3 * 10)
Altura (m) P.R. (años)
1.1. Presa pequeña 60 - 1.250 7.60 – 12.20 50 – 100
1.2. Presa mediana 1.250 - 61. 650 12.20 - 30.50 100 - +
1.3. Presa grande 61.650 - + 30.50 - + E.L.V.
2. Alcantarillas 5 – 10
3. Drenaje agrícola 5 – 50
Fuente: adaptados de Chow, V.T., Hidrología Aplicada
RELACIONES LLUVIA/ESCURRIMIENTO Coeficientes de escorrentía “C” para ser usados en el Método Racional.
Fuente: Chow, V.T., 1994. Hidrología aplicada. Los valores son los utilizados en Austin, Texas.
Tormenta de diseño Es la máxima intensidad de lluvia (I) para una duración igual al tiempo de concentración (Tc) de la cuenca, para un determinado período de retorno (T).
TIEMPO DE CONCENTRACIÓN
1. Método de V. T. Chow
Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente
Condiciones de la superficie Pendiente (%)
0 - 3 4 - 7 8 –11 12 - +
Flujo no concentrado
Bosques 0 - 0.46 0.46 - 0.76 0.76 - 0.99 0.99 - +
Pasturas 0 - 0.76 0.76 - 1.07 1.07 - 1.30 1.30 - +
Cultivos 0 - 0.91 0.91 - 1.37 1.37 - 1.67 1.67 - +
Pavimentos 0 - 2.59 2.59 - 4.11 4.11 - 5.18 5.18 - +
Flujo concentrado
Canales naturales mal definidos 0 - 0.61 0.61 - 1.22 1.22 - 2.13 2.13 - +
Canales naturales bien definidos Calcular por fórmulas
Tc = D / V
2.1 Método de Ramser y Kirpich (para flujo concentrado)
Tc = 0.0195 L 0.77 S -0.385
Donde:Tc - tiempo de concentración (minutos)L - longitud hidráulica de la cuenca en (m) (mayor trayectoria de flujo)S - pendiente (m/m)
2.2 Método del S.C.S. (para flujo no concentrado)
Tc = 0.91134 * (L k (S-0.5))
Donde. Tc - tiempo de concentración (horas)L - longitud hidráulica de la cuenca en (Km) (mayor trayectoria de flujo)S - pendiente (%)K - coeficiente de cobertura del suelo
Cobertura del suelo K
Bosques con espeso mantillo sobre el suelo 3.953
Barbecho de hojarasca o cultivos de mínimo laboreo 2.020
Pasturas 1.414
Cultivos en línea recta 1.111
Suelo prácticamente desnudo y sin arar 1.000
Vías de agua empastadas 0.666
Área impermeable 0.500
Coeficiente K del método del SCS
Tcxmax
Qx4810esc
V
Vesc = m3
Qmáx= m3/sTc = horas
Volumen total de escorrentía
3600)2A(mI(m/h).C.
/s)3(mQMAX
Caudal pico de escorrentía
Ejemplo
• Área de la cuenca: 50 has
• Pendiente promedio: 5%
• Cobertura del suelo: pasturas naturales
• Máximo recorrido del flujo: 900 m
• Ubicación: Young
Coeficiente C de escurrimiento
Características de la superficie Período de retorno (años)
2 5 10 25 50 100 500
Area de cultivos
Plano, 0-2% 0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.57
Promedio, 2-7% 0.35 0.38 0.41 0.44 0.48 0.51 0.60
Pendiente, superior a 7% 0.39 0.42 0.44 0.48 0.51 0.54 0.61
Pastizales
Plano, 0-2% 0.25 0.28 0.30 0.34 0.37 0.41 0.53
Promedio, 2-7% 0.33 0.36 0.38 0.42 0.45 0.49 0.58
Pendiente, superior a 7% 0.37 0.40 0.40 0.46 0.49 0.53 0.60
Bosques
Plano, 0-2% 0.22 0.25 0.28 0.31 0.35 0.39 0.48
Promedio, 2-7% 0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.56
Pendiente, superior a 7% 0.35 0.39 0.41 0.45 0.48 0.52 0.58
Tiempo de concentración
Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente
Condiciones de la superficie Pendiente (%)
0 - 3 4 - 7 8 –11 12 - +
Flujo no concentrado
Bosques 0 - 0.46 0.46 - 0.76 0.76 - 0.99 0.99 - +
Pasturas 0 - 0.76 0.76 - 1.07 1.07 - 1.30 1.30 - +
Cultivos 0 - 0.91 0.91 - 1.37 1.37 - 1.67 1.67 - +
Pavimentos 0 - 2.59 2.59 - 4.11 4.11 - 5.18 5.18 - +
Flujo concentrado
Canales naturales mal definidos 0 - 0.61 0.61 - 1.22 1.22 - 2.13 2.13 - +
Canales naturales bien definidos Calcular por fórmulas
900 m / 0.86 ms-1 = 1046 s = 17 min 44 s = 0.29 h
Intensidad máxima de la lluvia
88 mm
25
1.18
0.29
0.35
P(0.29,25) = 88 * 1.18 * 0.35 = 36 mm
I = 36 / 0.29 = 124 mm/h = 0.124 m/h
P(d,Tr) = P(3,10) * CT(Tr) * CD(d)I (mm/h) = P(d,Tr) / d
Q = 0.42 * 0.124 m/h * 500.000 m2 / 3600
Qmáx = 7.23 m3/s = 7230 l/s
Vol total = 4810 * 7.23 * 0.29 = 10.085 m3
3600)2A(mI(m/h).C.
/s)3(mQMAX
Tcxmax
Qx4810esc
V
Método del S.C.S.
Números de las curvas de escurrimiento para complejos hidrológicos cubierta- suelo para antecedentes de condiciones de lluvia e Ia =0.2S
Uso del suelo o cubierta Método o tratamiento Condición hidrológicaGrupo hidrológico de suelo
A B C D
Barbecho Surco recto ________ 77 86 91 94
Cultivo en surcos
Surco recto Deficiente 72 81 88 91
Surco recto Buena 67 78 85 89
Cultivo en contorno Deficiente 70 79 84 88
Cultivo en contorno Buena 65 75 82 86
Terraza Deficiente 66 74 80 82
Terraza Buena 62 71 78 81
Grano pequeño
Surco recto Deficiente 65 76 84 88
Surco recto Buena 63 75 83 87
Cultivo en contorno Deficiente 63 74 82 85
Cultivo en contorno Buena 61 73 81 84
Terraza Deficiente 61 72 79 82
Terraza Buena 59 70 78 81
Leguminosas sembradas al voleo o pradera de rotación
Surco recto Deficiente 66 77 85 89
Surco recto Buena 58 72 81 85
Cultivo en contorno Deficiente 64 75 83 85
Cultivo en contorno Buena 55 69 78 83
Terraza Deficiente 63 73 80 83
Terraza Buena 51 67 76 80
Uso del suelo o cubierta Método o tratamientoCondición hidrológica
Grupo hidrológico de suelo
A B C D
Pastizal o terreno de pastoreo
Deficiente 68 79 86 89
Regular 49 69 79 84
Buena 39 61 74 80
Cultivo en contorno Deficiente 47 67 81 88
Cultivo en contorno Regular 25 59 75 83
Cultivo en contorno Buena 6 35 70 79
Pradera (permanente) Buena 30 58 71 78
Forestal (terrenos agrícolas con árboles)
Deficiente 45 66 77 83
Regular 36 60 73 79
Buena 25 55 70 77
Granjas 59 74 82 86
Carreteras y derecho de vía (superficie dura)
74 84 90 92
Definición de los grupos de suelo
10xAcxS0.8P
S)0.2(P
escV
(TC12/7)
(TC12/7)2
)(0.8S/P(1.223
)(0.2s/P(1.2230.786q
(Tc)
2(Tc)
max
2Tc
max 10xAcxPxTc
q0.310Qmax
1. Volumen de escorrentía
S =(25400 / NC) -254
P(Tc 12/7) = precipitación con d = Tc x 12/7 (mm)V esc = Volumen escurrido (m3)Ac = Área de la cuenca (há)NC = Número de curvaS = Retención máxima (mm)
2. Caudal máximo
q max = caudal unitario específico (m3/s/mm/ha)Q max = Caudal máximo (m3/s)P(Tc) = Precipitación con d = Tc (mm)Tc = Tiempo de concentración (horas)
EJEMPLO DE CALCULO DE QMAX Y Vesc
2. UBICACIÓN – PaysanduAREA: 500 hásVegetación: pasturaTC: 1.3 hTipo de suelo: C
METODO DEL SCS
NC = 74 – S = (25400/74)- 254 = 89TC * 12/7 = 1.3 * 12/7= 2.23hCd (2.23) = 0.88 CD (1.3) = 0.69CT (25) = 1.18P(2.23; 25) = 90*0.88*1.18 =93mmP(1.30;25) 90 * 0.69 * 1.18 = 73mmV esc = (93 – 0.2 * 89)2 * 500 * 10 = 172200 m3
(93 + 0.8*89)Qmax = 0.786 * ( 1.223 – (0.2*89/73)2 = 0.343 m3/s/mm/há 1.223 + (0.8 * 89 / 73)Qmax = 0.310 * 0.343/1.3 *73 * 500/100 = 29.85 m3/s
4. Predicción del escurrimiento
4.2. Rendimiento de agua
Precipitación (P)
Excedente (T) P - T
Suelo (H( H max ))
Evapotranspiración (ETR)
Infiltración (I ( I max ))
Almacenamiento Subterráneo
(V)
Aporte Superficial ( A sup )
Aporte S u bterráneo ( A sub )
Escorrentia Total (A T )
Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual
oiiii
oiii PsiP
PoiP
PPT
2
)( 2
maxmax IT
TII
i
ii
Ti = 0 si Pi Poi
i = HMax – Hi-1 + ETP HMax = CAD * AD
Poi = CPo (HMax – Hi-1)
Hi = MAX ( 0; Hi-1 + Pi – Ti – ETPi )
ETRi = min(ETPi; Hi-1 +Pi – Ti,)
A sup i= Ti – Ii escurrimiento superficial
A subi = V i-1 - Vi + Ii aporte subterráneo
A Ti = A sup i + A sub i escorrentia Total
Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual
infiltración al almacenamiento subterráneo
21 **
t
it
ii eIeVV
ti
tii etIeQQ
****1
Calibración del modelo en Uruguay(12 cuencas):CAD: 0.916CP0 = 0.30
= 2.325IMAX = 386
ETP Penman = 1.38* ETP Thornthwaite
Isolíneas de evapotranspiración media anual (ETPm , mm/mes) y ciclo anual medio de evapotranspiración (ETPi/ETPm).
Coeficiente de distribución del ciclo anualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
1.88 1.56 1.37 0.88 0.58 0.36 0.37 0.47 0.61 0.94 1.25 1.72