Elementos de Hidrología Superficial

Ing. Diego Mora Serrano, Ph.D. diego.mora@ucuenca.edu.ec

Período Académico: Marzo – Agosto 2014 No. De créditos: 4 cdts

CONTENIDO

• I. Ciclo Hidrológico y sus procesos (3 sesiones)

– Descripción del ciclo hidrológico (1 sesión)

– Modelo de redistribución del agua de precipitación y generación de los

procesos y respuesta del ciclo hidrológico (1 sesión)

– Ecuación básica del balance hidrológico (1 sesiones)

CONTENIDO

• II. Precipitación (8 sesiones): – Concepto, Formación y tipos de precipitación (1 sesiones) – Variabilidad espacio – temporal (hietograma, Intensidad y Frecuencia)

(1 sesiones) – Precipitación puntual (1 sesiones) – Precipitación de un área: (curva de doble masa, prec. promedio,

Thiesen, curvas isoyetas) (2 sesiones) – Precipitación efectiva , máxima probable (1 sesiones) – Introducción al tratamiento de datos para análisis de frecuencia (Curva

IDF) (2 sesiones)

CONTENIDO

• III. Evaporación y Transpiración (4 sesiones):

– Procesos de evaporación y transpiración: medición de la evaporación

(1 sesiones)

– Evapotranspiración (1 sesiones)

– Método de Penman – Monetith (FAO) (2 sesiones)

CONTENIDO

• IV. Infiltración (4 sesiones):

– Concepto de flujo sub-superficial; concepto de infiltración (1 sesiones)

– Balance de agua en el suelo y métodos de cálculo (2 sesiones)

– Calculo de infiltración (1 sesiones)

CONTENIDO • V. Escorrentía superficial (13 sesiones):

– Cuenca hidrográfica: Propiedades, caracterización, medición de

caudales (1 sesiones) – El hidrograma y sus componentes: Flujos y modelos de precipitación

escorrentía (1 sesiones) – Determinación de la escorrentía directa método de curva SCS (2

sesiones) – Estimación del caudal pico: Método racional (1 sesiones) – Tiempo de concentración (1 sesiones) – Hidrograma Unitario (2 sesiones) – Introducción al análisis de frecuencia de caudales (2 sesiones) – Balance de agua en el suelo y métodos de cálculo (2 sesiones) – Calculo de infiltración (1 sesiones)

EVALUACION

Actividad % Ejercicios y talleres individuales 15% Lecciones orales individuales 10% Trabajos en grupo disertado (Interciclo 10 ptos, Final 15 ptos)

25%

Exámenes (20 interciclo, 30 final) 50% Total 100%

Elementos de Hidrología Superficial

Ing. Diego Mora Serrano, Ph.D. diego.mora@ucuenca.edu.ec

Período Académico: Marzo – Agosto 2014 No. De créditos: 4 cdts

I. Ciclo Hidrológico y sus procesos

• Hidrología: “Es la ciencia que trata el agua de la Tierra, su ocurrencia, circulación y distribución; sus propiedades químicas y físicas y su reacción con el ambiente, incluyendo la relación con los seres vivos. El dominio de la hidrología, envuelve la historia completa de la vida en la Tierra.”, U.S. National Research Council (1991)

• Hidrología: Hidrología enfocada en la ingeniería:

Para que nos sirve la hidrología?

HIDROLOGIA

CICLO DEL AGUA

Agua en el planeta

Agua en el planeta

Agua en el planeta

CICLO HIDROLOGICO

SISTEMA HIDROLOGICO

SISTEMA HIDROLOGICO

• El objetivo de un sistema hidrológico es estudiar la operación del sistema y predecir su salida. Un sistema es una aprox a un sistema real. Sus entradas y salidas son variables hidrológicas mesurable y su estructura basada en un conjunto de ecuaciones.

ENTRADA SALIDA

SISTEMA HIDROLOGICO

El modelo del reservorio esta descrito como:

1) 2)

1)

2) 3)

4)

Ejercicio en clase

Ejercicio en clase

Tipos de modelos hidrólogicos

Tipos de Modelos

• Modelos Físicos: Modelos a escala, tangibles, análogos

• Modelos Abstractos: Modelos matemáticos, ecuaciones que relacionan variables de entrada y salida

Modelos Abstractos

• Probabilisticos: basados en estadísticas. Estadistica tradicional, estadística estocástica (independientes del espacio, correlacionados en el espacio; variables independientes del tiempo, correlacionadas en el tiempo)

• Determinísticos: basados en procesos físicos (agregados, distribuidos; flujo permanente, no permanente)

Tipos de Modelos Numéricos Clasificación según: Detalle temporal, detalle espacial y detalle de procesos Por Detalle Temporal:

– Discretos (basados en eventos) – Continuos (de simulacion a largo plazo)

Por Detalle Espacial: - Completamente Distribuidos - Semi-distribuidos - Agregados (lumped)

Por Detalle de Procesos: - Modelos físicos detallados (cajas blancas) - Modelos parcialmente físicos (cajas grises) - Modelos empíricos (cajas negras)

• Tarea: – Redacción

1. Circulación Atmosférica y Oceánica (global y en Ecuador) 2. Formación de la precipitación y tipos de precipitación (cual es el

mas común en zonas de montaña?) 3. Variabilidad espacial de precipitación en Ecuador (que se conoce?) 4. Variabilidad temporal de precipitación en Ecuador (que se conoce?) Escribir con palabras propias (letra Arial 10; espacio de párrafo 1.5; margenes lateral 3cm; margenes superior 2.5cm; max. 2 hojas) Citar adecuadamente referencias No copiar Fecha de entrega: próxima semana

1.1 Procesos del ciclo Hidrológico

El movimiento del agua en el sistema hidrológico es influido por propiedades físicas del sistema: interacción del agua con otros medios como el aire, calor, cambios de fases del agua. Estos procesos transforman la distribución espacial y temporal del agua a través del ciclo hidrológico. Muchos procesos son explicados por teoremas y ecuaciones: Teorema de Reynolds, Ecuaciones de Saint Venant.

Ecuación de transporte

Ecuación de infiltración

Teorema de transporte de Reynolds

• Ecuaciones de Continuidad: Conservación de masas aplicado al análisis hidrológico

• Ecuaciones de Continuidad (tiempo discreto):

Ec. Continuidad (tiempo discreto)

• Si delta t es indexado por el intervalo j ésimo tenemos:

Ejemplo de una variable de salida

PROCESOS • Reservorios

– Atmósfera – Océanos – Glaciares – Lagos y cuerpos de agua – Suelo

– Biósfera (?)

• Vegetación (?) • Fauna (?) • Humanidad (?)

• Precipitación • Evaporación • Transpiración • Infiltración • Escorrentía

Ejercicio en clase Calcule la cantidad de agua almacenada en una cuenca como función del tiempo, dada la información de las columnas 3 y 4 de la tabla para precipitación incremental de la cuenca y en el caudal medio de su salida. El área de la cuenca es de 300 km2. Suponga que el valor del almacenamiento inicial es cero.

Area de cuenca: 300,00 Km21 2 3 4

Intervalo de tiempo j

Tiempo t (h)

Precipitacion incremental

Ij (mm)

Caudal instantaneo Q(t) (m3/s)

0 4,061 0,5 3,00 4,922 1 5,20 5,663 1,5 26,60 16,564 2 44,00 46,465 2,5 41,60 58,506 3 4,00 75,987 3,5 1,80 132,548 4 100,549 4,5 86,42

10 5 44,9211 5,5 36,0412 6 24,6013 6,5 14,2614 7 7,8815 7,5 7,0816 8 6,06

Area de cuenca: 300,00 Km21 2 3 4 5 6 7

Intervalo de tiempo j

Tiempo t (h)

Precipitacion incremental

Ij (mm)

Caudal instantaneo Q(t) (m3/s)

Caudal incrementa l Qj

(mm)

Almacenamiento incrementa l ∆S

(mm)

Almacenamiento

acumulado Sj (mm)

0 4,06 0,001 0,5 3,00 4,92 0,027 2,973 2,9732 1 5,20 5,66 0,032 5,168 8,1413 1,5 26,60 16,56 0,067 26,533 34,6754 2 44,00 46,46 0,189 43,811 78,4865 2,5 41,60 58,50 0,315 41,285 119,7716 3 25,00 75,98 0,403 24,597 144,3677 3,5 9,87 132,54 0,626 9,244 153,6128 4 6,2 100,54 0,699 5,501 159,1129 4,5 2 86,42 0,561 1,439 160,552

10 5 44,92 0,394 -0,394 160,15811 5,5 36,04 0,243 -0,243 159,91512 6 24,60 0,182 -0,182 159,73313 6,5 14,26 0,117 -0,117 159,61614 7 7,88 0,066 -0,066 159,55015 7,5 7,08 0,045 -0,045 159,50516 8 6,06 0,039 -0,039 159,465

• Actividades. – Leer Cap. 2.4, Cap. 2.5, Cap. 2.6 y Cap. 2.7

Ecuación de Balance Hidrológico

• Axioma de Lavoisier: "nada se crea ni se destruye, sólo se transforma".

• en dinámica de fluidos se conoce como la Ecuación Continuidad

• El balance hídrico permite conocer: – El volumen anual de escurrimiento o excedentes.

– El período en el que se produce el excedente y por

tanto la infiltración o recarga del acuífero.

– Período en el que se produce un déficit de agua o sequía y el cálculo de demanda de agua para riego en ese período.

– Otros ?

Entradas - Salidas = Variación del Almacenamiento

• Aplicando estos conceptos, se puede expresar

la precipitación como: P = E + R + I + e

• Para poder aplicar esta ecuación hay que tener en cuenta dos condiciones importantes: – Unidad hidrológica: es decir, que todas las aguas

que se miden y comparan pertenezcan al mismo reservorio limitado espacialmente.

– Período de tiempo: el período de medición deberá de ser iguales para todas las variables

En donde se aplica un balance hídrico

– Unidad Hidrológica: La unidad hidrologica mas

común es la cuenca hidrográfica

• Que es una cuenca hidrográfica??

Cuenca hidrográfica

• O cuenca de drenaje, al espacio delimitado por la unión de todas las cabeceras de agua que forman el río principal o el territorio drenado por un único sistema de drenaje natural, es decir, que drena sus aguas al mar o un punto específico a través de un único río.

• Cuenca hidrográfica es el área de escurrimiento del agua precipitada hacia un río o punto determinado.

• Su contorno o perímetro se encuentra limitado por el lomo o filo de las montañas, denominado parte aguas o divisoría de agua.

Cuenca Hidrográfica

• En otras palabras la cuenca hidrográfica tiene usualmente forma cóncava como la un de cucharón, donde escurre el agua que llueve hacia las quebradas y a los ríos.

• El borde de ese cucharón llamado cuenca, lo conforman las montañas mas altas alrededor de esos ríos y quebradas.

En que períodos se aplica un balance hídrico

• A mayor resolución temporal, mejor será la

aproximación real del modelo hidrológico y por ende mas preciso su balance hidrológico

• Resolución temporal esta ligada con errores

Periodo de tiempo

• Los balances de paso diario – representan con más fidelidad la realidad, pero como

contrapartida, tienen la desventaja de necesitar gran cantidad de datos para su aplicación.

• Los balances de paso mensual – son muy utilizados por la buena representación del

sistema analizado y la información generalmente está más accesible.

• Los balances de paso estacional o anual – son utilizados en cuencas con tiempos de respuesta muy

largos, o sea cuencas de gran superficie.

• Realice el balance de hidrológico en una cuenca de 200 km2, si la lamina de agua no puede exceder mas de 10cm mensuales (estado de saturación). Identifique si hay déficit o superavit en cada mes. Considere que la cuenca esta tiene un estado de saturacion en el mes de Marzo E F M A M J J A S O N D ∑

4,55 4,42 6,14 10,69 12,32 8,43 9,50 8,73 9,30 11,50 9,11 5,88 100,57

Cuadro Nº 1: Precipitación (cm). Períoo 1970-2000.

E F M A M J J A S O N D ∑ 4,38 4,17 4,84 4,96 5,19 4,93 4,85 5,02 4,88 4,89 4,77 4,51 57,

39 Cuadro Nº 2: Evapotranspiracion corregida (cm). Períoo 1970-2000.

E F M A M J J A S O N D 4,20 4,54 5,21 5,74 6,05 4,73 4,13 2,80 1,97 2,20 1,62 3,63

Cuadro Nº 3: Escorrentia total (m3/s). Períoo 1970-2000.