Hidrología Aplicada - GUÍA DEL ALUMNO.pdf

8/18/2019 Hidrología Aplicada - GUÍA DEL ALUMNO.pdf

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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




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.




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.




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:




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.




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:




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.




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.




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.




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.

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