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Universidad Mayor de San Andrés – Facultad de Tecnología Asignatura: Hidrología Aplicada COC-400 Docente: Francisco Ergueta Acebey
HIDROLOGÍA APLICADA
GUÍA DEL ALUMNO
Conceptos y Definiciones
Todo lo que necesitas saber sobre Escorrentías
Cálculo de Caudales de Avenida
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HIDROLOGÍA APLICADA
CONCEPTOS Y DEFINICIONES
1. Defini r el concepto de HidrologíaEs la ciencia que se dedica al estudio de la distribución, espacial y temporal, y las propiedades del agua
presente en la atmosfera y en la corteza terrestre. Esto incluye las precipitaciones, la escorrentía, la
humedad del suelo, la evapotranspiración y el equilibrio de las masas glaciares.
2. Definir el concepto de Caudal5e denomina caudal en hidrografía, hidrología y, en general, en geografía física, al volumen de agua que
circula por el cauce de un rio en un lugar y tiempo determinados. 5e refiere fundamentalmente al volumen
hidráulico de la escorrentía de una cuenca hidrográfica concentrada en el rio principal de la misma. Suele
medirse en m3/seg., lo cual genera un valor anual medido en m3 o en Hm3 (hectómetros cúbicos: un Hm3
equivale a un millón de m3) que puede emplearse para planificar los recursos hidrológicos y su uso a
través de embalses y obras de canalización. EI comportamiento del caudal de un rio promediado a lo
largo de una serie de años constituye lo que se denomina régimen fluvial de ese rio.
3. Defini r el concepto de Balance HídricoEs el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan al sistema y los que salen del mismo, en
un intervalo de tiempo determinado.
4. Definir el concepto de Ciclo Hidrológico
EI ciclo hidrológico o ciclo del agua, es el proceso de circulación del agua entre los distintoscompartimentos de la hidrosfera. Se trata de un ciclo biogeoquimico en el que hay una intervención de
reacciones químicas, y el agua se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico.
5. Defini r el concepto de Cuenca y Cuenca HidrográficaUna cuenca hidrográfica es un territorio drenado por un único sistema de drenaje natural, es decir, que
drena sus aguas al mar a través de un único rio, o que vierte sus aguas a un único lago endorreico. Una
cuenca hidrográfica es delimitada por la línea de las cumbres, también llamada divisoria de aguas. Una
cuenca y una cuenca hidrológica se diferencian en que la cuenca se refiere exclusivamente a las aguas
superficiales, mientras que la cuenca hidrológica incluye las aguas subterráneas (acuíferos). EI uso de
los recursos naturales se regula administrativamente separando el territorio por cuencas hidrográficas, y
con miras al futuro las cuencas hidrográficas se perfilan como las unidades de división funcionales con
más coherencia, permitiendo una verdadera integración social y territorial por medio del agua.
6. Defini r el concepto de Escorrentía Superfic ialLa escorrentía es un término geológico de la hidrología, que hace referencia a la lámina de agua que
circula sobre la superficie en una cuenca de drenaje, es decir la altura en milímetros del agua de lluvia
escurrida y extendida. Normalmente se considera como la precipitación menos la evapotranspiración real
y la infiltración del sistema suelo.
7. Defini r el concepto de AcuíferoUn acuífero es aquel estrato o formación geológica permeable que permite la circulación y el
almacenamiento del agua subterránea por sus poros o grietas.
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8. Defin ir el concepto de Evapotranspi raciónLa evapotranspiración se define como la pérdida de humedad de una superficie por evaporación directa
junto con la perdida de agua por transpiración de la vegetación. Se expresa en milímetros por unidad de
tiempo.
9. Defin ir el concepto de Nivel FreáticoCorresponde al nivel superior de una capa freática o de un acuífero libre en general. A menudo, en este
nivel, la presión de agua del acuífero es igual a la presión atmosférica.
10. Definir el concepto de Pluviometría y su MediciónSe denomina pluviometría al estudio y tratamiento de los datos de precipitación que se obtienen enlos pluviómetros ubicados a lo largo y ancho del territorio, obteniendo así unos datos de gran interéspara las zonas agrícolas y regulación de las cuencas fluviales a fin de evitar inundaciones por excesode lluvia. Además de la cantidad precipitada, es importante anotar qué tipo de fenómeno se produce(lluvia, llovizna, chubasco, con o sin tormenta) el que ha dado lugar a la precipitación. Los datos seanotan siguiendo el horario del día pluviométrico. La finalidad principal de una estación pluviométricaes la elaboración de la climatología de la zona en la que se encuentra.
La precipitación se mide en milímetros de agua, o litros caídos por unidad de superficie (m²), es decir,la altura de la lámina de agua recogida en una superficie plana es medida en mm o L/m² (1 milímetrode agua de lluvia equivale a 1 L de agua por m²).
11. ¿Cuáles son los tres tipos de permeabil idad del suelo?• Suelo Impermeable: Rocas, arcillas, limos arcillosos.
• Suelo Semipermeable: Arenas limosas o arcillosas, gravas finas con alto contenido de
arcillas.• Suelo Permeable: Arenas, gravas, en general suelos de alto contenido arenoso.
12. ¿Para qué sirve el coeficiente de escorrentía?Su magnitud nos dirá en qué nivel tendremos mayor o menor caudal superficial sobre determinadaárea en estudio y para una Intensidad de Precipitación de diseño (la cuenca, para los efectos de laHidrología).
13. Defin ir el concepto de AvenidaSe define como “un aumento inusual del caudal de agua de un cauce que puede o no, producir
desbordamientos o inundaciones”.
14. ¿Cuáles son los factores principales que causan Crecidas o Caudales Extraordinarios?a) La precipitación. La existencia de frentes activos, las lluvias orográficas, así como las tormentaspueden producir precipitaciones excepcionales, que son la base de las crecidas. Las precipitacionesafectan de forma distinta según el tamaño de las cuencas.b) La fusión de la nieve. Este fenómeno debido a un aumento de la Tª, que puede acompañar a laslluvias intensas, puede ser un factor de incremento del caudal de una avenida.c) El estado de humedad del suelo. Como se sabe existe una primera retención que es muy bajacon suelo inicialmente saturado. Es un factor importante en cuencas grandes.d) Geomorfología de la cuenca. Las características geomorfológicas de una cuenca como la
pendiente o la vegetación son un factor básico en la generación de una avenida.e) La actividad humana. Puede variar las características de la avenida en una cuenca, como por
ejemplo la existencia de zonas urbanizadas facilita la escorrentía, la existencia de embalses retrasa y
lamina la avenida.
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15. Construya una tabla de clasificación de las precipitaciones según su intensidad
16. Construya un gráfico para expresar el concepto de “ Gradiente Hidráulico”
17. Expresar en texto y fórmula el concepto de “Coeficiente de Escorrentía”Es uno de los parámetros fundamentales de la Hidrología superficial, pues representa la porción dela precipitación que se convierte en caudal, es decir, la relación entre el volumen de Escorrentíasuperficial y el de precipitación total sobre un área (cuenca) determinada:
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COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA PARA ZONAS URBANAS
¿Qué pasa cuando el área en estudio está parcial o totalmente urbanizada, es decir, cuando el suelo está
cubierto por pavimentos impermeables o edificaciones?
De manera similar a las cuencas rurales, se cuenta con diversas fuentes para la selección del Coeficiente
de Escorrentía en Zonas Urbanas. Aquí te presentamos algunos valores típicos.
Es importante destacar que la normativa para el cálculo hidrológico vigente en cada país presenta por lo
general valores recomendados para el Coeficiente de Escorrentía a utilizar en los estudios y diseños; así
que, en cualquier caso, dicha normativa privará sobre los aquí presentados dado que son sólo valores referenciales.
Supongamos
que
se
desea
estimar
el
valor
del
Coeficiente
de
Escorrentía
para
una
cuenca
rural ,
recubierta
con vegetación densa y en la que se ha establecido que el tipo de suelo predominante está conformado
principalmente por arcillas con un bajo contenido de arena. Igualmente, el estudio de pendientes en esta
cuenca determinó que su pendiente media es del 23%.
De acuerdo a la clasificación de pendientes de la tabla, tendremos que la cuenca de ejemplo se ubica en la
columna de Pendiente Alta (>20% y <=50).
El tipo de suelo, al contener algo de arena, pero con predominancia del contenido de arcilla en él,
deberíamos pensar en un Suelo Semipermeable.
Finalmente, seleccionando la fila correspondiente a la Vegetación
Densa, tendremos que el coeficiente
seleccionado será de 0,40:
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COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA PARA ZONAS RURALES
Coeficiente
de
Escorrentía
Ponderado
En general las cuencas receptoras presentarán variedad de suelos, con coberturas, pendientes y
permeabilidades variables.
En estos casos se recomienda determinar el Coeficiente de Escorrentía mediante
un
promedio
ponderado
de los coeficientes parciales de cada zona. Para ello, se dividirá la cuenca en zonas con características
homogéneas de tipo de suelo, cobertura vegetal y pendiente, a las cuales se les asignará el respectivo
Coeficiente “parcial”, de acuerdo a la tabla anterior.
Cada Coeficiente Parcial (Ci) es luego multiplicado por su Área (Ai) correspondiente, se suman los
productos de cada zona y se divide el resultado entre el Área
total de la cuenca, para obtener el
Coeficiente de Escorrentía Ponderado:
Veremos mejor lo referido anteriormente con el siguiente ejemplo.
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Se va a determinar el Coeficiente de Escorrentía Ponderado para una Cuenca que se ha zonificado en
función de siguientes usos o características del suelo:
En este caso tendremos que
determinar
tres
Coeficientes
parciales, uno para cada zona:
De esta forma, lo que queda es ponderar cada uno de estos Coeficientes con las áreas respectivas, según
vemos en la siguiente tabla:
Y, al aplicar la ecuación del Coeficiente de Escorrentía Ponderado tendremos:
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POR ÚLTIMO: ¿PARA QUÉ TE SIRVE EL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA?
Ciertamente, hemos hablado sólo de la determinación de este parámetro, sin destacar cuál es su utilidad;
aunque ya de por sí su definición nos dice algo: su magnitud nos dirá en qué nivel tendremos mayor o
menor
caudal
superficial
sobre
determinada
área en estudio (la cuenca, para los efectos de la Hidrología).
El Coeficiente
de
Escorrentía
tiene
su
principal
aplicación
en
el
uso
de
la
Fórmula
Racional. No
pretendemos entrar aquí en su explicación (pues esto lo haremos en otro Tutorial), pero lo que si te
puedo decir es que esta Fórmula permite determinar cuál es la magnitud del Caudal Superficial que se
genera en determinada Área, para una Intensidad
de
Precipitación de diseño y, por supuesto, esta
fórmula involucra las características físicas de la cuenca a través de nuestro, ya conocido, Coeficiente de
Escorrentía.
CÁLCULO
DE
CAUDALES
DE
AVENIDA
1. CRECIDA
O
CAUDAL
EXTRAORDINARIO
Se denomina crecida o caudal extraordinario al caudal excesivamente alto en un río. Los fenómenos de las
avenidas, al igual que las precipitaciones, son aleatorios con ciclos básicamente anuales.
Otra definición de avenida o crecida, según la Directriz Básica de Planificación de Protección Civil ante el
riesgo de inundación, es la siguiente: “un aumento inusual del caudal de agua de un cauce que puede o
no, producir desbordamientos o inundaciones”.
Las crecidas son debidas a factores como:
a) La precipitación. La existencia de frentes activos, las lluvias orográficas, así como las tormentas pueden
producir precipitaciones excepcionales, que son la base de las crecidas. Las precipitaciones afectan de
forma distinta según el tamaño de las cuencas. En cuencas grandes, para nuestra latitud son los frentes
lluviosos los que producen una generalización de la precipitación, mientras que en cuencas medianas o
pequeñas son las lluvias convectivas u orográficas las que producen las mayores y más peligrosas
avenidas, como por ejemplo la llamada “gota fría”.
b) La fusión de la nieve. Este fenómeno debido a un aumento de la Tª, que puede acompañar a las lluvias
intensas, puede ser un factor de incremento del caudal de una avenida.
c)
El
estado
de
humedad
del
suelo. Como se sabe existe una primera retención que es muy baja con suelo
inicialmente saturado. Es un factor importante en cuencas grandes.
d)
Geomorfología
de
la
cuenca. Las características geomorfológicas de una cuenca como la pendiente o la
vegetación son un factor básico en la generación de una avenida.
e) La actividad humana. Puede variar las características de la avenida en una cuenca, como por ejemplo la
existencia de zonas urbanizadas facilita la escorrentía, la existencia de embalses retrasa y lamina la
avenida.
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2. FÓRMULAS
EMPÍRICAS
Estas fórmulas son válidas para dar un primer valor de referencia u orden de magnitud. Están basadas en
la experimentación y el caudal de avenida Q (m3/s) se da en función de la superficie S (Km2).
• Gómez Quijado: Q = 17∙S2/3 , para superficies menores de 2000 Km2.
• Fuller: Q(T) = Q1∙(1 + 0,8∙log T) , donde Q(T) es el caudal para un período de retorno T y Q1 es la media
de los caudales diarios de cada año.
• Zapata: Q = 21∙S0,6 .
3. MÉTODOS
ESTADÍSTICOS
Están basados en grandes series de datos anuales de caudales, que permiten hallar caudales máximos
siguiendo la siguiente metodología:
a) Recopilación de datos.
b) Análisis de datos.
c) Extrapolación estadística.
d) Contraste de resultados.
Para que los estudios tengan una consistencia suficiente, es necesaria una longitud mínima de la muestra
que se define como “la longitud de muestra recomendable para un análisis de caudales, por métodos
estadísticos de 40‐50 años”.
Para series de 30‐40 años de longitud de serie, el análisis de frecuencia de caudales debe ser apoyado por
otros métodos tales como comparación con cuencas similares o por medio de métodos que estudien el
caudal a partir de precipitaciones.
En series cortas de 10‐20 años, se utilizan métodos basados en el estudio de la precipitación (hidrograma
unitario, modelos...).
4. MÉTODO
RACIONAL
Es utilizado para la determinación de caudales de avenida en cuencas pequeñas de una superficie de 2,5 a
3 Km2. o bien que su tiempo de concentración sea del orden de 1 hora:
Q = (C∙I∙A) / 3,6
Donde C es el coeficiente de escorrentía, I es la intensidad de la tormenta y A es el área de la cuenca.
Este método se basa en que el tiempo de aguacero, mayor o igual que el tiempo de concentración,
determina el caudal máximo.
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La intensidad de la tormenta se deberá calcular para una duración igual al tiempo de concentración y para
el período de retorno T que se desea calcular el caudal, según la ecuación I = a∙Tn / (t + b)m , donde t es el
tiempo de la tormenta y a, b, n y m son parámetros que dependen de las condiciones meteorológicas de la
zona.
El coeficiente de escorrentía C , depende de la precipitación diaria y del umbral del caudal.
Los coeficientes de escorrentía más comunes son:
1. Pavimento de hormigón: 0,70 ‐0.95;
2. Tratamiento superficial: 0,60 ‐0,80;
3. Zonas boscosas: 0,10 ‐0,20;
4. Zonas de vegetación densa de monte bajo: 0,05 ‐0,5;
5. Zonas sin vegetación: 0,20 ‐0,80;
6. Zonas cultivadas: 0,20 ‐0,40;
El valor de este coeficiente está en función de la intensidad de la lluvia y por ello es necesario corregirlo en
función de dicho parámetro, o bien indirectamente a través del periodo de retorno T .
5. MÉTODO
DEL
HIDROGRAMA
UNITARIO
El método del hidrograma unitario desarrollado inicialmente por Sherman en 1932, es aplicable a cuencas
de tamaño mediano con una superficie de 300 a 400 Km2, cuya respuesta ante una tormenta suponga un
hidrograma complejo.
El método del hidrograma unitario se basa en la posibilidad de aplicación del principio de linealización al
proceso de escorrentía; según fue explicado por Sherman, se puede enunciar en 3 principios:
1. Para tormentas cortas e intensas, el tiempo de punta del hidrograma producido es constante e
independiente de la duración de la tormenta.
2. Para tormentas de la misma duración e inferior al tiempo T0 del hidrograma, el volumen de escorrentía
producido es proporcional a la intensidad de dichas tormentas:
V2 / V1 = I2 / I1 , de la misma forma que Q2 / Q1 = I2 / I1 .
3. Principio de Superposición. El hidrograma producido por una tormenta de duración superior al tiempo
T0, se puede obtener dividiendo la tormenta en partes de tiempo igual o inferior a T0 y superponiendo los
hidrogramas obtenidos.
Por otra parte, el método de hidrograma unitario no considera las pérdidas en la lluvia por infiltración,
evaporación, etc., por lo que a la hora de su calibración es necesario valorar estas pérdidas y descontarlas
en el pluviograma inicial.
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6. MÉTODO
DE
HIDROGRAMAS
SINTÉTICOS
O
ARTIFICIALES
Consiste en determinar las características fundamentales de un hidrograma cuando no se tienen datos
reales, por medio de fórmulas empíricas. Destaca el hidrograma triangular, que es un modelo que
sustituye la campana de Gauss por un triángulo, cuya altura coincide con el caudal de punta Qp que se
calcula mediante:
Qp = 2∙I∙t0∙S / 2,67∙(tp + t0/2)
Donde I es la intensidad del temporal unitario, t0 es la duración del temporal unitario, tc es el tiempo de
concentración, tp es el tiempo de punta. Los valores de estos dos últimos parámetros se obtienen
mediante las ecuaciones:
tp = 0,6∙tc + (t0 / 2) tc = 1,4∙[‐(L∙LC)1,5 / H]0,385
Donde L (Km.) es la longitud del cauce principal, LC (Km.) es la longitud desde el c. de g. y H es el desnivel
en metros.
• Lluvia
de
proyecto. Es aquella lluvia que se considera para un tiempo de retorno T o bien aquella lluvia
que tiene una probabilidad de 1/T, con la cual se desea realizar un estudio hidrológico.