CIV-247: HIDROLOGIA I

Unidad Didctica 1

El Ciclo HidrolgicoUNIVERSIDAD CATOLICA BOLIVIANA SAN PABLOUNIDAD ACADMICA TARIJAINGENIERIAS CIVIL Y AMBIENTAL

Unidad Didctica 1EL CICLO HIDROLOGICO Contenido:Hidrologa - MeteorologaLa atmsferaComposicinEstructura de la atmsferaAgua en la atmsferaVariables atmosfricasTemperaturaHumedadPresinVientoLa hidrosferaEl ciclo hidrolgicoProcesos que conforman el ciclo hidrolgico Radiacin solar y terrestreEvaporacin y transpiracin CondensacinPrecipitacinEscorrentaEl agua subterrnea en el ciclo hidrolgicoVolumen del agua en el ciclo hidrolgico

HidrologaLa Hidrologa (del griego hydor: agua y logos: estudio) es la disciplina cientfica dedicada al estudio de las aguas de la Tierra, incluyendo su presencia, distribucin y circulacin a travs del ciclo hidrolgico, y las interacciones con los seres vivos. La Hidrologa se define como la ciencia que estudia la disponibilidad y la distribucin del agua sobre la tierra, su objeto de estudio es el ciclo del agua en la naturaleza y su evolucin en la superficie de la Tierra.

Los proyectos hidrulicosLos Ingenieros Civiles y Ambientales utilizan la hidrologa para cuantificar los recursos hdricos que inciden en las obras y proyectos hidrulicos; stos pueden ser de dos tipos: De aprovechamiento del agua y, De defensa de la accin del agua.

APLICACIONES DE LA HIDROLOGIAProyecto y construccin de todo tipo de obras hidrulicas.Drenaje.Irrigacin.Regulacin de los recursos de agua y control de inundaciones.Control de Polucin.Control de Erosin.Navegacin.Aprovechamiento hidroelctrico.Etc.

HidrometeorologaLa Meteorologa es la ciencia que estudia, de manera general y completa, los fenmenos atmosfricos.

La Hidrometeorologa es la rama de la Meteorologa que tiene especial inters en los problemas hidrolgicos.

La atmsfera el ambiente donde tienen lugar todas las fases del ciclo del agua.

La atmsferaDesde el punto de vista hidrolgico, la atmsfera constituye a la vez:Un enorme depsito de vapor y de partculas de agua.Un vasto sistema de transporte y distribucin del agua atmosfricaUn gran colector de calor que absorbe selectivamente parte de la radiacin solar directa y de la radiacin calrica indirecta emitida por la tierra.

Composicin de la atmsferaNitrgeno:78.00 %Oxgeno:21.00 %.Argn: 0.94 %Dixido de carbono: 0.03%Hidrgeno, Nen, Helio, Ozono: 0.03%. El contenido en vapor de agua de la atmsfera es muy variable, alcanzando el 4% del volumen en condiciones muy hmedas. El porcentaje de agua en la atmsfera decrece rpidamente conforme se incrementa la altitud.

Estructura de la atmsferaLa atmsfera no tiene un lmite superior definido. Su densidad va disminuyendo con la altitud.A una altitud superior a los 600 Km, es igual a gas interestelar.

En ella se distinguen cinco capas: La tropsfera,La estratosfera,La mesosfera,La termosfera y La exosfera.Los fenmenos climticos, se verifican en la Tropsfera es la ms importante porque en ella se presentan las nubes, tormentas y corrientes convectivas.

Capas de la Atmsfera

Agua en la atmsfera La atmsfera contiene agua en forma de: vapor que se comporta como un gas pequeas gotitas lquidas (nubes) cristalitos de hielo (nubes).

La atmsfera contiene unos 12 000 km3 de agua Entre los 0 y 1 800 m est la mitad del agua Se evaporan (y lican) unos 500 000 km3/ao

Variables AtmosfricasLas variables atmosfricas son cuatro:

Temperatura,humedad,presin y,viento

1.-TemperaturaEl vocablo temperatura es un trmino relativo que implica una cierta cantidad de calor. As pues, si el calor fluye de un cuerpo A hacia otro cuerpo B, se dice que el cuerpo A tiene mayor temperatura que el cuerpo B.Las escalas termomtricas son escalas arbitrarias que expresan la temperatura; las ms conocidas son:. Escala Celsius o centgrada. Escala Fahrenheit. Escala Kelvin o absoluta

Escalas termomtricas

Relaciones entre escalas termomtricasPara transformar grados Fahrenheit a Centgrados y viceversa:C = (F - 32)/1.8F = 1.8 C + 32Para convertir grados Kelvin a grados Centgrados y viceversa: C = K - 273.15 K = C + 273.15

Gradiente de temperatura es la tasa de cambio de la temperatura en la atmsfera con la altitud.

Humedad de saturacin es la cantidad mxima de vapor de agua que puede contener un metro cbico de aire en determinadas condiciones de presin y temperatura.

Temperatura del Punto de Roco Td, es la temperatura a la cual debe enfriarse una masa de aire hmedo no saturado a presin constante, hasta llegar al punto de saturacin

2.- HumedadEs el contenido de agua en la atmsfera.

Humedad de saturacin Es la cantidad mxima de vapor de agua que puede contener un metro cbico de aire en unas condiciones determinadas de presin y temperatura.

Humedad Absoluta, es el peso del vapor de agua contenido en un metro cbico de aire y se expresa en gramos de vapor de agua por metro cbico de aire.

La humedad relativa, es la relacin entre la cantidad de vapor de agua contenido realmente en el aire (humedad absoluta) y el que podra llegar a contener si estuviera saturado (humedad de saturacin). Se expresa en un porcentaje. As, por ejemplo, una humedad relativa del 90% expresa que el aire contiene el 90% del vapor de agua que puede admitir.

3.- Presin AtmosfricaLa presin atmosfrica, en cada lugar, es el peso de la columna de aire por unidad de superficie, la cual se mide desde la superficie de la tierra hasta las capas ms altas de la atmsfera.

La unidad comnmente usada, para registrar la presin atmosfrica es el milibar [mb], tambin mide en Hectopascal [hPa] o se registra como la longitud de una columna de mercurio bajo de condiciones normales. La relacin entre estas ltima est dada por:

1 mmHg = 1,3332 hPa. Los aparatos que miden esta variable se denominan barmetros y el valor registrado est en funcin directa con la altitud.

Variacin de la Presin Atmosfrica

Altura[m]Presin[mb]Densidad[g/dm3]Temp.[ C]010131.2315.010008991.118.520007951.012.030007010.91-4.540006160.82-11.050005400.74-17.510.0002640.41-50.015.0001200.19-56.5

4.- Viento Es aire en movimiento que se produce por las diferencias de temperatura en la superficie de la tierra.

El viento es originado por el desplazamiento de una masa de aire que fluye en relacin con la superficie de la Tierra, generalmente en forma horizontal, sin embargo tambin hay vientos verticales, denominados rfagas descendentes y corrientes ascendentes.

El aire se mueve a fin de equilibrar los desbalances de presin atmosfrica que causan las variaciones de la insolacin y el calentamiento diferencial.

El viento es el elemento bsico en la circulacin general de la atmsfera. Todos los movimientos del viento.

La denominacin de los vientos depende de la direccin de donde provienen. As, un "viento del norte" es aquel que sopla de norte a sur y un "viento del oeste" es aquel que sopla de oeste a este. Cuando los vientos soplan con mayor frecuencia desde una direccin que desde otra, esta recibe el nombre de viento prevalente.

La lectura de estas medidas se realiza a 2 m de altura con respecto de la superficie terrestre, porque la topografa, las estructuras, rboles, etc. interrumpen la direccin de este.Velocidad y Direccin del viento

La velocidad del viento se mide en anemmetros y se indica en m/s o k/h o nudos

El instrumento ms para medir la direccin del viento es la paleta de viento. Las paletas de viento sealan la direccin desde la cual este sopla.

Fuerza de Corilisis Se trata de una fuerza aparente causada por la rotacin de la Tierra bajo la accin del movimiento del aire. Si la Tierra no rotara, el aire se movera directamente de una presin alta a una presin baja. Sin embargo, como rota, para una persona que observa desde la superficie del planeta, se produce una aparente desviacin del aire, la misma que es atribuida a la fuerza de Corilisis.Esta fuerza causa una desviacin del aire a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur.

Desviacin de los vientos en los hemisferios Norte y Sur

La HidrosferaLa hidrosfera es la capa discontinua de agua que cubre las tres cuartas partes de la superficie de la Tierra.El agua en la hidrosfera puede presentarse en sus tres estados: slida, lquida y gaseosa, y es en los ocanos donde se encuentra la mayor parte (alrededor del 97%); el resto (algo menos del 3%) se encuentra en los continentes formando ros, lagos, aguas subterrneas, glaciares, y una mnima cantidad en forma de vapor de agua en la atmsfera y biosfera.

El Ciclo HidrolgicoEl ciclo hidrolgico es un proceso continuo de movimiento del agua de los ocanos a la atmsfera, a la tierra y nuevamente al mar.Dentro de este proceso existen varios procesos: La Radiacin solar y terrestre, la evaporacin y transpiracin, la condensacin, la precipitacin, la escorrenta

El Ciclo Hidrolgico El viaje del agua a travs del tiempo

Procesos del ciclo hidrolgicoEn la hidrologa se consideran los siguientes procesos que conforman el ciclo hidrolgico:

La radiacin solar y radiacin terrestre,La evaporacin y la transpiracin,La condensacin,La precipitacin y,La escorrenta.

1.- La radiacin solarEl sol, que tiene una temperatura superior a los 6.000 C, es la fuente principal de nuestra energa.Una porcin de la energa solar llega a la superficie de la tierra en forma directa, el resto se refleja o es absorbida y dispersada por la atmsfera.Esta energa se transfiere a travs de la radiacin del calor en forma de ondas electromagnticas.

La constante solar

La medida de la energa procedente del Sol se denomina constante solar. Se la define como la energa que por unidad de tiempo que se recibe fuera de la atmsfera terrestre sobre la unidad de superficie perpendicular a la direccin de los rayos solares en su distancia media. El valor que se admite actualmente es de: I = 1354 W/m2 que es promedio de un valor mximo en el perihelio de 1395 W/m2 y de un valor mnimo en el afelio de 1308 W/m2.

Radiacin solar recibida en la tierra

2.- Evaporacin y transpiracinLa evaporacin es un proceso fsico por el cual el agua de la hidrosfera pasa del estado lquido al estado gaseoso a temperaturas menores al punto de ebullicin.La evapotranspiracin es un proceso biolgico por el cual el agua contenido en las plantas pasa del estado lquido al estado gaseoso

Evaporacin y transpiracin

Determinacin de la evaporacinExisten varios mtodos:Balance hidrolgico.Balance de energaEcuacin de Penman.Uso de tanques

Balance HidrolgicoUtiliza la ecuacin de continuidad para un perodo determinado:P + Qa + G = ET + Qs + SDonde:P = Precipitacin media sobre el rea en el perodo determinado [m3/ao]Qa = Volumen afluente que corresponde a la escorrenta superficial [m3/ao]G = Volumen neto de agua que entra (o sale) al almacenamiento subterrneo adyacente ET = Volumen que se pierde por evapotranspiracinQs = Volumen efluente S = Cambio de almacenamiento

Balance de EnergaDetermina la evaporacin por unidad de superficie y tiempo, en funcin de la radiacin neta que entra, de la densidad del agua y del calor latente de evaporacin (calor necesario para que una sustancia cambie de estado:

Ecuacin en la que:E = Volumen evaporado en cm por da por cm2 de reaRn = Radiacin solar en cal/cm2/daL = 590 cal/cm3, calor latente de evaporacin del agua

pa = Presin atmosfrica del lugar en las mismas unidades de es y edes = Presin de vapor para atmsfera saturada a la temperatura de la superficie del agua (Ts)ed = Presin de vapor para atmsfera saturada a la temperatura del punto de roco (Td)Ta = Temperatura del aire en C

Ecuacin de PenmanE =0.35(0.5 + V2/160)(es ed)Donde:E = Evaporacin potencial en mm de agua por daV2= Velocidad del viento en km/daes = Presin de vapor para atmsfera saturada a la temperatura de la superficie del agua (Ts)ed = Presin de vapor para atmsfera saturada a la temperatura del punto de roco (Td)

3.- CondensacinProceso por el cual el vapor de agua pasa al estado lquido. El vapor de agua slo se condensa en una superficie cuando sta sea ms fra que la temperatura del vapor de agua; por tanto, la condensacin se produce cuando, por enfriamiento, una masa de aire hmedo, disminuye su capacidad para contener vapor de agua y existen superficies suspendidas en el aire, alrededor de las que el agua se condensa en pequeas gotas, formando las nubes.

4.- PrecipitacinEn meteorologa, la precipitacin es cualquier forma de hidrometeoro que cae del cielo y llega a la superficie terrestre. Esto incluye lluvia, llovizna, nieve, granizo; pero no la neblina ni roco. La cantidad de precipitacin sobre un punto de la superficie terrestre es llamada pluviosidad.La precipitacin es generada por las nubes cuando alcanzan un punto de saturacin; en este punto las gotas de agua crecen (o pedazos de hielo) hasta alcanzar un tamao tal que, porgravedad, caen a la Tierra.Se puede inducir a las nubes a producir precipitacin, rociando un polvo fino o un qumico apropiado (como el nitrato de plata) dentro de la nube, generando las gotas de agua e incrementando la probabilidad de precipitacin.

4.- EscorrentaLaescorrenta superficial.Es el flujo del agua, lluvia, nieve, u otras fuentes, sobre la tierra, y es un componente principal del ciclo hidrolgico. A la escorrenta que ocurre en la superficie antes de alcanzar un canal se le llama fuente no puntual. La escorrenta superficial puede generarse por la precipitacin o por la fundicin de nieve o glaciares. determinacin de la escorrenta superficial es primordial para resolver problemas vinculados a los excedentes hdricos y el posterior diseo de estructuras hidrulicas.

Escorrenta subterrnea.La fase subterrnea del ciclo del agua comienza cuando una parte de las aguas superficiales penetra a travs de los poros de los suelos y fisuras de las rocas hacia el subsuelo. Este fenmeno se conoce comoinfiltraciny depende de la interaccin de una serie defactoresque determinan que la cantidad de agua infiltrada pueda variar ampliamente de unas regiones a otras.Mientas que las fases area y superficial del ciclo del agua suelen ser ms o menos conocidas dado que los procesos son ms evidentes, sobre la fase subterrnea suele haber un gran desconocimiento: el origen de estas aguas, su funcionamiento, su relacin con los otros reservorios del ciclo, o la enorme importancia que tienen para el hombre suelen ser aspectos no bien conocidos, ni comprendidos.

Volumen de agua en el ciclo hidrolgicoLa mayor parte del agua del planeta est almacenada en los ocanos. En ellos, que constituyen el elemento central y ms abundante de la hidrosfera, reside ms del 97% del componente hdrico global: 1,348 millones de km3.

Otra parte considerable (2.01%) se encuentra congelada bajo la forma de hielo en los, glaciares y banquisas. Su volumen es de alrededor de 27.8 millones de km3.

El 0.58 % del agua global est contenida en las formaciones geolgicas bajo la forma de aguas subterrneas o humedad del suelo. Estas representan aproximadamente unos 8 millones de km3.

Poco ms de medio milsimo del total del agua del planeta (0.06%) ocurre como agua superficial, o sea alrededor de 225,000 km3. Como ms de la mitad de sta es salada, solamente 0.02% (o sea 100,000 km3), puede ser catalogada como agua dulce.

De todas las aguas superficiales, 95% estn almacenadas en lagos, por lo que los cursos de agua, ros y arroyos, slo contienen 0.001% del total, o sea apenas 10,000 km3.

Distribucin del agua en el Ciclo hidrolgico

Universidad Catlica Boliviana San Pablo Departamento de Ingeniera CivilCIV-247 Hidrologa I Profesor: Ing. abel Barroso Lpez*