Hidrologia Trabajo

24
I) ¿Qué es infiltración? La infiltración es el proceso por el cual el agua en la superficie de la tierra entra en el suelo. La tasa de infiltración, en la ciencia del suelo, es una medida de la tasa a la cual el suelo es capaz de absorber la precipitación o la irrigación. Se mide en pulgadas por hora o milímetros por hora. Las disminuciones de tasa hacen que el suelo se sature. Si la tasa de precipitación excede la tasa de infiltración, se producirá escorrentía a menos que haya alguna barrera física. Está relacionada con la conductividad hidráulica saturada del suelo cercano a la superficie. La tasa de infiltración puede medirse usando un infiltró metro. El proceso de infiltración puede continuar sólo si hay espacio disponible para el agua adicional en la superficie del suelo. El volumen disponible para el agua adicional depende de la porosidad del suelo y de la tasa a la cual el agua antes infiltrada puede alejarse de la superficie a través del suelo. La tasa máxima a la que el agua puede entrar en un suelo se conoce como capacidad de infiltración. II) Métodos para medir la infiltración Método del número de curva del SCS : El Soil Conservation Service (SCS) del Departamento de Agricultura de EE.UU. (1960) un procedimiento muy simple para calcular la infiltración, basado en consideraciones teóricas simples y datos de más de 1000 cuencas experimentales tomados en la década de los 50 • El método fue adoptado inmediatamente por la comunidad internacional y se ha convertido en el estandar de cálculo porque Utiliza solo un parámetro ‐que se puede obtener de mapas temáticos generalmente disponibles‐ Es relativamente realista

description

fundamentos sobre la hidrologia para aumentar nuestros conocimientos asi como para darnos una idea en si de la hidraulica en un futuro ya sea practica como teoricamente.

Transcript of Hidrologia Trabajo

Page 1: Hidrologia Trabajo

I) ¿Qué es infiltración?

La infiltración es el proceso por el cual el agua en la superficie de la tierra entra en el suelo.La tasa de infiltración, en la ciencia del suelo, es una medida de la tasa a la cual el suelo es capaz de absorber la precipitación o la irrigación. Se mide en pulgadas por hora o milímetros por hora. Las disminuciones de tasa hacen que el suelo se sature. Si la tasa de precipitación excede la tasa de infiltración, se producirá escorrentía a menos que haya alguna barrera física. Está relacionada con la conductividad hidráulica saturada del suelo cercano a la superficie. La tasa de infiltración puede medirse usando un infiltró metro.El proceso de infiltración puede continuar sólo si hay espacio disponible para el agua adicional en la superficie del suelo. El volumen disponible para el agua adicional depende de la porosidad del suelo y de la tasa a la cual el agua antes infiltrada puede alejarse de la superficie a través del suelo. La tasa máxima a la que el agua puede entrar en un suelo se conoce como capacidad de infiltración. 

II) Métodos para medir la infiltración

Método del número de curva del SCS :

 El Soil Conservation Service (SCS) del Departamento de Agricultura de EE.UU. (1960) un procedimiento muy simple para calcular la infiltración, basado en consideraciones teóricas simples y datos de más de 1000 cuencas experimentales tomados en la década de los 50 • El método fue adoptado inmediatamente por la comunidad internacional y se ha convertido en el estandar de cálculo porque  � Utiliza solo un parámetro  que se puede obtener ‐de mapas temáticos generalmente disponibles  ‐ � Es relativamente realista  � No existe ninguna alternativa realista para la modelación matemática.El método se basa en una relación de balance de la escorrentía producida por una tormenta donde: 

F/ S’ = Q/P

 F Volumen de agua retenido en la cuenca (pérdidas)  Q Escorrentía directa (exceso de lluvia)  S’ Retención potencial máxima del suelo   P Máxima escorrentía posible (precipitación de la tormenta)

Page 2: Hidrologia Trabajo
Page 3: Hidrologia Trabajo
Page 4: Hidrologia Trabajo
Page 5: Hidrologia Trabajo
Page 6: Hidrologia Trabajo
Page 7: Hidrologia Trabajo
Page 8: Hidrologia Trabajo
Page 9: Hidrologia Trabajo

III) Relación de infiltración con escorrentía

Escorrentia : Es la lámina de agua que circula en una cuenca de drenaje, es decir la altura en milímetros de agua de lluvia escurrida y extendida dependiendo la pendiente del terreno. Normalmente se considera como la precipitación menos la evapotranspiración real y la infiltración del sistema suelo – cobertura vegetal.Según la teoría de Horton se forma cuando las precipitaciones superan la capacidad de infiltración del suelo. Según dicha teoría, la escorrentía se formará cuando los compartimentos del suelo estén saturados de agua. La escorrentía superficial es una de las principales causas de erosión a nivel mundial. Suele ser particularmente dañina en suelos poco permeables, como los arcillosos, y en zonas con una cubierta vegetal escasa.

INFILTRACION : Es la penetración del agua en el suelo. La capacidad de infiltración es la velocidad máxima con que el agua penetra en el suelo. Depende de muchos factores; un suelo desagregado y permeable tendrá una capacidad de infiltración mayor que un suelo arcilloso y compacto.

IV) Como se mide la escorrentía

Los datos hidrométricos deben ser fiables y continuos; para ello se requiere de un periódico y sistemático contraste y mantenimiento de las estaciones, y un diseño previo de la red de observación que debe ser lo suficientemente densa como para no permitir la pérdida de información básica pero no tanto como para representar un excesivo coste, mayor complejidad de mantenimiento y la obtención de datos no realmente representativos. Un aspecto interesante a destacar es que, dado precisamente el carácter estocástico del proceso, se requieren series temporales de larga duración para realizar interpretaciones del funcionamiento del sistema poco influenciadas por situaciones anecdóticas y poco representativas, y también, curiosamente, para poder interpretar y enmarcar adecuadamente, este tipo de situaciones. 

Page 10: Hidrologia Trabajo

Por esta razón, el mantenimiento eficiente de la red debe establecerse como norma, y debe estar sujeta a un proceso continuo de optimización. Los aforos continuos permiten conocer las variaciones de caudal con el tiempo. Es más sencillo medir una variable que se relacione con el caudal, como es la altura de la lámina de agua. 

Se mide mediante: Escala limnimétrica o limnímetro, limnígrafo, sensores de presión. Los aforos directos consisten en determinar el caudal de un curso en un momento dado. Hay de dos tipos: basados en la velocidad del agua (flotador y molinete) y aforos químicos(caudal constante, inyección instantánea). 

V) Que hidrogramas existen

Para el análisis del la variación de los caudales debido a la escorrentía se utiliza le hidrograma. El hidrograma se define como la gráfica que relaciona la variación del caudal de una fuente a medida que transcurre el tiempo.

Se tienen dos tipos principales de hidrogramas. El hidrograma anual, registra las variaciones de caudal de una fuente, para un periodo de tiempo de un año, como muestra la siguiente Figura.

 

Cuando se tiene un hidrograma como el de la figura 39, se puede calcular el volumen de agua que transcurre por el cauce, midiendo el área bajo la curva del hidrograma.

Page 11: Hidrologia Trabajo

El segundo tipo de hidrograma, se llama hidrograma para un evento, el cual muestra el comportamiento del caudal para una precipitación o tormenta en particular. Este hidrograma tiene la forma que se muestra en la Figura 40. En esta Figura observamos varios puntos representativos. El punto A, se denomina punto de levantamiento y corresponde al momento en el que la escorrentía comienza a llegar al punto de salida de la cuenca. El punto B, se llama caudal pico y es el máximo caudal que genera la escorrentía, es importante con fines de diseño, dado que condiciona el tamaño de las obras hidráulicas de control. El punto C, denominado punto de inflexión, representa el momento en el cual termina la escorrentía superficial, es el comienzo de la curva de vaciado, es decir el tiempo que demora en salir de la cuenca el agua aportada por la lluvia. El punto D, representa el final de la escorrentía directa. El tiempo base indica el tiempo total que se produce escorrentía. El tiempo de crecida indica el tiempo transcurrido desde el inicio de la escorrentía hasta el momento en que se alcanza el caudal pico.

 

Es importante  definir que porción de la  escorrentía es flujo directo (escorrentía superficial) y cual es flujo base (escorrentía subsuperficial). Para hacer esto se prolonga la curva de vaciado, a partir del punto A, hasta encontrar la prolongación vertical del caudal máximo, uniendo luego este punto con D, tal como se muestra en la siguiente Figura.

Introduciremos acá el concepto de tiempo de concentración (tc), el cual redefine como el tiempo que transcurre, para que el agua que cae en el punto más alejado de la cuenca fluya hasta la salida. Existen varios modelos matemáticos para calcularlo, pero presentaremos acá el de California (culverts practice), definido en 1942.

Page 12: Hidrologia Trabajo

 

Donde tc, corresponde al tiempo de concentración [min]; l, corresponde a la longitud máxima de recorrido de la cuenca [m] y H, la diferencia de elevación entre el punto más alto de la cuenca y el desagüe o salida [m].

Existen varios métodos para determinar el caudal que genera la escorrentía debida a una lluvia en particular, presentaremos los más aplicados en la actualidad.

Método racional. Es probablemente el modelo más antiguo de predicción de caudales debido a escorrentía, numerosos autores lo ubican a finales del siglo XIX. A pesar de su sencillez, este método es todavía ampliamente utilizado para el diseño de estructuras hidráulicas. Sin embargo, para cuencas hidrográficas, se recomienda su utilización para áreas menores a 100 ha.

Q, es el caudal debido a escorrentía [m3/seg]; C, es el coeficiente de cobertura; A, es el área de la cuenca [ha] e I, es la intensidad máxima de la precipitación para  una duración equivalente al tiempo de concentración de la cuenca [mm/h]. Este valor se obtiene del diagrama IDF.

El valor del coeficiente de escorrentía, es uno de los más difíciles de determinar, sin embargo se pueden dar los siguientes valores indicativos:

 

Page 13: Hidrologia Trabajo

Como la mayoría de las cuencas hidrográficas poseen áreas ocupadas por los tres elementos anteriores, se calcula un coeficiente de escorrentía que tenga en cuenta lo anterior:

Donde los subíndices B, C y P, corresponden a Bosques, Cultivos y Pastos.

 

Hidrograma unitario. Este método fue definido por Sherman en 1932 y define el hidrograma unitario de una cuenca como el hidrograma que produciría la escorrentía directa, al contar con una precipitación unitaria, con una duración determinada. Por ejemplo una lluvia de 1 mm en 1 hora, o una lluvia de 1 mm en 2 horas. El hidrograma unitario, presenta dos propiedades fundamentales, el principio de aditividad y el principio de afinidad.

El principio de afinidad, implica que si se cuenta con el hidrograma unitario para una cuenca, se podrá construir el hidrograma para cualquier precipitación, simplemente multiplicando las ordenadas por el valor de precipitación que se quiere obtener. Por ejemplo si se tiene el hidrograma unitario de la cuenca, es decir el producido por una precipitación de 1mm durante una hora y se quiere obtener el hidrograma producido por una precipitación de 3 mm en una hora, solo basta con multiplicar “por tres” las ordenadas del hidrograma unitario.

El principio de aditividad, indica que si se cuenta con el hidrograma unitario y se quiere obtener el hidrograma de una lluvia unitaria pero con una duración diferente, bastará con graficar el número de hidrogramas unitarios de la nueva duración a determinar y sumar las ordenadas de los puntos. Es decir, por ejemplo se quiere obtener el hidrograma para una precipitación de1 mm en 4 horas, para esto se grafican cuatro hidrogramas separados por 1 hora (hidrograma unitario).

Page 14: Hidrologia Trabajo

Para realizar el gráfico anterior, por ejemplo en Excel, se colocan los valores del hidrograma unitario, separados por una fila, es decir, los valores se colocan en escala. Finalmente se suman las filas para obtener los datos del hidrograma buscado. Ver Tabla siguiente.

 

Page 15: Hidrologia Trabajo

En la vida real, sin embargo, las lluvias no vienen dadas por un hidrograma total, sino que la intensidad varia por intervalos. Supóngase por ejemplo que se cuenta con una lluvia con los siguientes datos:

 

Lo que se hace es calcular el hidrograma unitario, para cada una de las láminas dadas en la Tabla anterior. Observar que la duración de cada precipitación es de una hora, por lo que se sigue el mismo procedimiento mostrado anteriormente.

Los hidrogramas calculados, se muestran en la siguiente Gráfica. Se tomo como hidrograma unitario el mismo de los ejemplos anteriores.

 

Ahora lo que se hace, es colocar los hidrogramas en orden, separados por un intervalo de una hora y determinar la suma de las filas para calcular el hidrograma final.

Page 16: Hidrologia Trabajo

 

Hidrograma en S o curva S. El hidrograma en S, representa el hidrograma que se obtendría si en la cuenca lloviera indefinidamente la lámina unitaria con la que se calculo el hidrograma unitario, es decir, si lloviera 1 mm en forma indefinida.

 

Para la construcción del hidrograma en S, se aplica el principio de aditividad, con lo que se pueden generar hidrogramas para diversos intervalos de tiempo.

La bondad del hidrograma en S, es que permite construir hidrogramas para otras duraciones, es decir, supongamos que tenemos un hidrograma para una duración de 2 horas y queremos obtener un hidrograma para 5 horas.

Como se ve las dos duraciones no son múltiplos, por lo que no pueden utilizarse los principios de afinidad y aditividad. En este caso lo que se hace es lo siguiente.

1. Obtener el hidrograma en S.

 2. Se desplaza el hidrograma en s de acuerdo al número de horas que se quiere obtener el nuevo hidrograma.

3. Se restan los valores de los dos hidrogramas.

4. Se multiplica la resta anterior por el cociente del número de horas original sobre el tiempo deseado.

Page 17: Hidrologia Trabajo

 

Ejemplo 19. Calcular el hidrograma para 1 mm/5h, con base en el hidrograma 1 mm/2h, que se presenta a continuación.

Con base en las recomendaciones tenemos:

1. Obtener el hidrograma en S.

Se obtiene el hidrograma en S, según el procedimiento mostrado anteriormente.

Page 18: Hidrologia Trabajo

 

2. Se desplaza el hidrograma en s de acuerdo al número de horas que se quiere obtener el nuevo hidrogram.En este caso se desplaza el hidrograma 5 horas, de acuerdo a lo mostrado en la siguiente tabla. De acuerdo al gráfico anterior, se construye el hidrograma para cada hora. Ver Tabla 43.

 

3. Se restan los valores de los dos hidrogramas.Se restan las columnas correspondientes a los dos hidrogramas.

 

4. Se multiplica la resta anterior por el cociente del número de horas original sobre el tiempo deseado.

El factor de corrección para este caso es:

 

Los cálculos anteriores se muestran en la Tabla 44.

 

Page 19: Hidrologia Trabajo

VI) Aplicaciones de la infiltración y la escorrentía

Una de las aplicaciones que puede dársele al modelo obtenido, es que se pueden inferir resultados sobre tiempo de riego y lámina infiltrada a partir de las fórmulas

Si utilizamos los datos obtenidos en la prueba de entradas y salidas, podemos ilustrar el caso de la infiltración acumulada (lámina infiltrada). Con los valores corregidos y ajustados del modelo obtenido, graficaremos los puntos para observar el comportamiento de la velocidad de infiltración y de la infiltración acumulada. Cisneros A. R. 2003 33 Apuntes de Riego y Drenaje Si la ecuación tiene la forma de: 

Page 20: Hidrologia Trabajo

Así mismo, existe otra aplicación importante del resultado obtenido sobre la velocidad de infiltración, esta es que cuando la infiltración llega al punto más bajo en la gráfica de infiltración y no varía, es decir, cuando la curva se hace asintótica (casi paralela al eje de las abscisas) y el valor de infiltración permanece casi constante, éste valor se define como infiltración básica (observe la figura anterior). 34 Cabe destacar, también, que en realidad, la mayoría de los suelos no son homogéneos, estos son más bien raros, por lo que los resultados obtenidos en las pruebas para encontrar la velocidad de infiltración, deben tomarse con precaución y habrán de analizarse otros factores que intervienen en este proceso (compactación por arado, capas endurecidas, cambios texturales, profundidad del suelo, etc.).

Page 21: Hidrologia Trabajo

 La observación continua y las experiencias vividas en el terreno es algo de vital importancia para la mayor definición de los factores. Finalmente y por la dirección de este trabajo, es necesario mencionar, que la infiltración y sus valores obtenidos, como es el caso de: infiltración básica, tiempo de riego y lámina acumulada, son valores que son utilizados en el diseño de sistemas de riego superficiales o presurizados