CONCEPTOS BÁSICOS1.1 Definición d HidrologíaLa Hidrología es la ciencia natural q estudia al agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos.1.2 ImportanciaLa hidrología proporciona al ingeniero o hidrólogo, los métodos para resolver los problemas prácticos q se presentan en el diseño, la planeación y la operación dé estructúras hidráulicasEntre estos problemas se pueden mencionar:^ determinar si él volumen aportado x una cierta corriente es suficiente para:- el abastecimiento d agua potable a una población — el abastecimiento d agua potable a una industria— satisfacer la demanda d un proyecto d irrigación— satisfacer la demanda d un proyecto d generación d energía eléctrica— permitirla navegacióndefinir la capacidad d diseño d obras como:- alcantarillas- puentes- estructuras para el control d avenidas- presas- vertedores- sistemas d drenaje• agrícolapoblaciones• carreteras• aeropuertosEstos diseños requieren del análisis hidrológico cuantitativos, para la selección del evento d diseño necesario.El objetivo d la hidrología aplicada es la determinación d esos eventos. Los resultados son normalmente solo estimaciones, en muchos casos, con aproximaciones limitadas.1.3 El ciclo hidrológico,Se denomina, ciclo hidrológico, al conjunto d cambios q experimenta el agua en la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido, gaseoso), como en su forma (agua superficial, agua subterránea, etc.).Han sido sugeridos numerosos esquemas del - ciclo hidrológico,

siendo su finalidad común, la d proporcionar un gráfico sencillo q muestre las diferentes formas y estados en q se presenta él agua.El ciclo hidrológico, es completamente irregular y es precisamente contra estas irregularidades q lucha el hombre. Una muestra d ello, son los períodos d satisfacción con los requerimientos del agua, para las diferentes actividades (uso poblacional, irrigación, generación d energía eléctrica, uso industrial), otros periodos d sequías, y otros d inundaciones. x ejemplo en Costa Rica, todos los años se tienen problemas d escasez d agua en algunos lugares y problemas d inundaciones en otros.Como todo ciclo, el hidrológico no tiene ni principio ni fin, y su descripción puede comenzar en cualquier punto. El agua q se encuentra sobre la superficie terrestre, ríos, lagos y mares, se evapora bajo el efecto d la radiación solar y el viento. El vapor resultante es transportado x las masas d aire en movimiento. En determinadas condiciones, el vapor se condensa formando las nubes, q a su vez, pueden ocasionar precipitaciones q caen a la tierra. Durante su trayecto hacia la superficie d la tierra, el agua precipitada puede volver a evaporarse, o ser interceptada x las plantas o las construcciones, luego fluye x la superficie hasta las corrientes, o se infiltra. El agua interceptada y una parte d la infiltrada y d la q corre x la superficie se evapora nuevamente. d la precipitación q llega a las corrientes, una parte se infiltra y otra llega hasta los océanos y otras formas grandes d masa d agua como los lagos. El agua q se infiltra satisface la humedad del suelo y abastece los depósitos subterráneos, d donde puede fluir hacia las corrientes d los ríos, o bien descargar en los océanos; la q queda detenida en la capa vegetal del suelo es regresada a la atmósfera x transpiración.El ciclo hidrológico, es d suma importancia básica para delimitar el campo d la Hidrología, la cual comprende la fase entre la precipitación sobre el terreno y su

retorno a la atmósfera o al océano; corresponde el análisis d la atmósfera a la Meteorología y el estudio del océano a la Oceanografía.1.4 Enfoque d los problemas hidrológicosLos proceso naturales q intervienen en los fenómenos hidrológicos son sumamente complejos, resulta difícil examinarlos mediante un razonamiento deductivo rigurosos. No siempre es aplicable una ley física fundamental, para determinar el resultado hidrológico esperado.Para determinar el resultado hidrológico esperado, es razonable partir d una serie d datos observados, analizarlos estadísticamente y después tratar d establecer la norma q gobierna dichos sucesos. Es decir, en hidrología siempre se cuenta con una gran información, su proceso para obtener los datos d diseño, se hacen estadísticamente con una determinada probabilidad d ocurrencia.En general, cada problema hidrológico es único, y las conclusiones cuantitativas d su análisis no pueden extrapolarse a otro problema.1.5 Instituciones compiladoras d datosLos estudios hidrológicos requieren d gran cantidad d información, la cual, puede ser obtenida., a diferentes grados d detalle, d acuerdo a su utilización e importancia en los procesos hidrológicos.Es importante q el hidrólogo, conozca la forma en q los datos hidrológicos son compilados, y q instituciones son las encargadas de hacerlo.

LA CUENCA HIDROLÓGICA2.1 DefiniciónLa cuenca de' drenaje d una corriente, es el área d terreno donde todas las aguas caídas x precipitación, se unen para formar un solo curso d agua. Cada curso d agua tiene una cuenca bien definida, para cada punto d su recorrido.2.2 DelimitaciónLa delimitación d una cuenca, se hace sobre un plano o mapa a curvas d nivel (como el mapa d Costa Rica a escala 1:50000), siguiendo las líneas del divortium acuarum (parteaguas), la

cual es una línea imaginaria, q divide a las' cuencas adyacentes y distribuye el escurrimiento originado x la precipitación, q en cada sistema d corriente, fluye hacia el punto d salida d la cuenca. El parteaguas está formado x los puntos d mayor nivel topográfico y cruza las corrientes en, los puntos de salida, llamado estación de aforo.La frontera de una cuenca topográfica y su correspondiente cuenca de agua subterránea, no necesariamente tienen la misma proyección horizontal, por lo que se puede realizar una delimitación topográfica o una delimitación real, que corresponde a la delimitación considerando el aporte de las aguas subterráneas.Una cuenca se puede clasificar atendiendo a su tamaño, en cuenca grande y cuenca pequeña.Cuenca grande, es aquella cuenca en la que predominan las características fisiográficas de la misma (pendiente, elevación, área, cauce). Una cuenca, para fines practicos, se considera grande, cuando el área es mayor de 250 Km2 .Cuenca pequeña, es aquella cuenca que responde a las lluvias de fuerte intensidad y pequeña duración, y en la cual las características físicas (tipo de suelo, vegetación) son más importantes que las del cauce. Se considera cuenca pequeña aquella cuya área varíe desde unas pocas hectáreas hasta un límite, que para propósitos prácticos, se considera 250 Km2.No necesariamente se analiza con el mismo criterio una cuenca pequeña que una grande. Para una cuenca pequeña, la forma y la cantidad de egcurrimiento están influenciadas principalmente por las condiciones físicas del suelo; por lo tanto, el estudio hidrológico debe enfocarse con más atención a la cuenca misma, para una cuenca muy grande el efecto de almacenaje del cauce es muy importante, por lo cual deberá dársele también atención a las características de éste último.Con el fin de establecer grupos de cuencas hidrológicamente semejantes, se estudian una serie de

características físical en cada cuenca, entre las que se tienen: superficie topografía altitudes características geología y suelos cobertura

Superficie de la cuencaSe refiere al área proyectada en un plano horizontal, es de forma muy irregular, se obtiene después de delimitarla cuenca.Cálculo del área d una cuencaDebido a q la forma d la cuenca es muy irregular, el cálculo del área d la cuenca no se puede realizar x fórmulas geométricas. Sin embargo, existen los siguientes métodos para su cálculo:Uso d la balanza analíticaEl proceso para el cálculo es como sigue:1. Dibujar la cuenca sobre una cartulina q tenga una densidad uniforme, cuya área a calcular es Ac.2. Dibujar con la misma escala, una figura geométrica conocida (cuadrado, rectángulo, etc) cuya área q se puede calcular geométricamente, es Af.3. Recortar y pesar x separado las figurasUso del planímetroEl planímetro es un instrumento integrador, x medio del cual, se puede determinar el área d una figura d forma irregular.2.3 CURVAS CARACTERÍSTICAS D UNA CUENCA Curva hipsométricaEs la curva q puesta en coordenadas rectangulares, representa la relación entre la altitud, y la superficie d la cuenca q queda sobre esa altitud.Para construir la curva hipsométrica, se utiliza un mapa con curvas de nivel, el proceso es como sigue:Curva d frecuencia d altitudesEs la representación gráfica, d la distribución en porcentaje, d las superficies ocupadas x diferentes altitudes.Es un complemento d la curva hipsométrica. La curva d frecuencia d altitudes se muestra en la figura 2.9, ésta se obtiene ploteando las columnas (5) vs (1) d la tabla 2.1.

Con las curvas anteriores se puede determinar las siguientes altitudes características:1- Altitud media: es la ordenada media d la curva hipsométrica, en ella, el 50 % del área d la cuenca, está situado x encima d esa altitud y el 50 % está situado x debajo d ella.2- Altitud mas frecuente: es el máximo valor en porcentaje d la curva d frecuencia d altitudes.3- Altitud d frecuencia 112: es la altitud correspondiente al punto d abscisa 1/2 d la curva d frecuencia d altitudes.Gráficamente la elevación media d la cuenca se obtiene, entrando con el 50 % del área en el eje x, trazando una perpendicular x este punto hasta interceptar a la curva hipsométrica. Luego x éste punto trazar una horizontal hasta cortar el eje y. Para el ejemplo 2.1 en la figura 2.7 se observa q la elevación media, es d 1020 m.s.n.m.2.4 Índices representativosIndice o factor d forma d una cuenca ( F )Expresa la relación, entre el ancho promedio d la cuenca y su longitud.Índice d compacidad (índice d Gravelious)El índice d compacidad d una cuenca, definida x Gravelious, expresa la relación entre el perímetro d la cuenca, y el perímetro equivalente d una circunferencia, q tiene la misma área d la cuenca, es decir:Si una cuenca tiene un F mayor q otra (tal es el caso d F2 en la figura 2.10), existe mayor posibilidad d tener una tormenta intensa simultánea, sobre toda la extensión d la cuenca.Por el contrario, si la cuenca tiene un F menor, tiene menos tendencia a concentrar las intensidades d lluvias, q una cuenca d igual área pero con un F mayor.El índice d compacidad, trata d expresar la influencia del perímetro y el área d una cuenca en la escorrentía, particularmente en las características del hidrograma. Si K = 1, la cuenca será d forma circular; x lo general, para cuencas alargadas se espera q K > 1. Las cuencas d forma alargada, reducen las probabilidades, d q sean

cubiertas en su totalidad x una tormenta, lo q afecta el tipo d respuesta q se presenta en el río.2.5 Rectángulo equivalente .El rectángulo equivalente es una transformación geométrica, q permite representar a la cuenca, d su forma heterogénea, con la forma d un rectángulo, q tiene la misma área y perímetro (y x lo tanto el mismo índice d compacidad ó índice d Gravelious), igual distribución d alturas (y x lo tanto igual curva hipsométrica), e igual distribución d terreno, en cuanto a sus condiciones d cobertura. En este rectángulo, las curvas d nivel se convierten en rectas paralelas al lado menor, siendo estos lados, la primera y última curvas d nivel (figura 2.11).2.6 Indice d pendienteEl índice d pendiente, es una ponderación q se establece entre las pendientes y el tramo recorrido x el río. Con este valor se puede establecer el tipo d granulometría q se encuentra en el cauce. Además, expresa en cierto modo, el relieve d la cuenca. Se obtiene utilizando el rectángulo equivalente, con la siguiente ecuación:2.7 Pendiente d la cuencaLa pendiente d una cuenca, es un parámetro muy importante en el estudio d toda cuenca, tiene una relación importante y compleja con la infiltración, la escorrentía superficial, la humedad del suelo, y la contribución del agua subterránea a la escorrentía. Es uno d los factores, q controla el tiempo d escurrimiento y concentración dela lluvia en los canales d drenaje, y tiene una importancia directa en relaciónala magnitud d las crecidas.Existen diversos criterios para evaluar la pendiente d una cuenca, entre las q se pueden citar:^ Criterio d Alvord^ Criterio d Horton^ Criterio d Nash^ Criterio del rectángulo equivalenteCriterio d AlvordEste criterio está basado, en la obtención previa d las pendientes existentes entre las curvas d nivel. Dividiendo el área d la cuenca, en áreas parciales x medio d sus curvas d nivel, y las líneas medias d las curvas

d nivel, se tiene la figura:

Criterio del rectángulo equivalenteCon este criterio, para hallar la pendiente d la cuenca, se toma la pendiente media del rectángulo equivalente, es decir:H2.8 Perfil longitudinal del curso d aguaSi se plotea la proyección horizontal d la longitud d un cauce versus su altitud (figura 2.14), se obtiene el perfil longitudinal del curso d agua (figura 2.15).Método I. Pendiente uniformeEste método considera la pendiente del cauce, como la relación entre el desnivel q hay entre los extremos del cauce y la proyección horizontal d su longitud, es decir:La importancia d conocer el perfil longitudinal del curso principal, radica en q nos proporciona una idea d las pendientes q tiene el cauce, en diferentes tramos d su recorrido, y q es un factor d importancia para ciertos trabajos, como control d las aguas, puntos d captación y ubicación d posibles centrales hidroeléctricas.2.9 Pendiente del cauceEl conocimiento d la pendiente del cauce principal d una cuenca, es un parámetro importante, en el estudio del comportamiento del recurso hídrico, como x ejemplo, para la determinación d las características óptimas d su aprovechamiento hidroeléctrico, o en la solución d problemas d inundaciones.En general, la pendiente d un tramo d un cauce d un río, o, se puede considerar como el cociente, q resulta d dividir, el desnivel d los extremos del tramo, entre la longitud horizontal d dicho tramo. Existen varios métodos para obtener la pendiente d un cauce, entre los q se pueden mencionar:Método II. Compensación d áreasUna manera más real d evaluar la pendiente d un cauce, es compensándola, es decir, elegir la pendiente d una línea q se apoya en el extremo final del tramo x estudiar, y q tiene la propiedad d contener la misma área (abajo y arriba), respecto al perfil del cauce (figura 2.16).

^ Longitud d los tributarios^ Densidad d corriente ^ Densidad d drenaje2.10 Red d drenajeLa red d drenaje d una cuenca, se refiere a las trayectorias o al arreglo q guardan entre sí, los cauces d las corrientes naturales dentro d ella. Es otra característica importante en el estudio d una cuenca, ya q manifiesta la eficiencia del sistema d drenaje en el escurrimiento resultante, es decir, la rapidez con q desaloja la cantidad d agua q recibe. La forma d drenaje, proporciona también indicios d las condiciones del suelo y d la superficie d la cuenca.Las características de' una red d drenaje, pueden describirse principalmente d acuerdo con:^ El orden d las corrientesOrden d las corrientesAntes d hablar del orden d las corrientes, conviene ver su clasificación. Todas las corrientes pueden dividirse en tres clases generales dependiendo del tipo d escurrimiento, el cual está relacionado con las características físicas y condiciones climáticas d la cuenca.Así, una corriente puede ser efímera, intermitente o perenne.^ Una corriente eftímera, es aquella q solo lleva agua cuando llueve e inmediatamente después.^ Una corriente intermitente, lleva agua la mayor parte deltiempo, pero principalmente en época d lluvias; su aporte cesacuando el nivel freático desciende x debajo del fondo delcauce.^ La corriente perenne, contiene agua todo el tiempo, ya q aún en época d sequía es abastecida continuamente, pues el nivel freático siempre permanece x arriba del fondo del cauce.El orden d las corrientes, es una clasificación q proporciona el grado d bifurcación dentro d la cuenca. Para hacer esta clasificación, se requiere d un plano d la cuenca q incluya tanto corrientes perennes como intermitentes. El procedimiento más común para esta clasificación, es considerar como corrientes d orden

uno, aquellas q no tienen ningún tributario; d orden dos, a las q solo tienen tributarios d orden uno; d orden tres, aquellas corrientes con dos o más tributarios d orden dos, etc (figura 2.18). Así, el orden d la principal, indicará la extensión d la red d corrientes dentro d la cuenca.Densidad d corrienteEs la relación entre el número d corrientes y el área drenada, esNLongitud d los tributariosLa longitud d los tributarios es una indicación d la pendiente d la cuenca, así como del grado d drenaje. Las áreas escarpadas y bien drenadas, usualmente tienen numerosos tributarios pequeños, mientras q en regiones planas, donde los suelos son profundos y permeables, se tienen tributarios largos, q generalmente son corrientes perennes.La longitud d los tributarios se incrementa como una función d su orden. Este arreglo es también, aproximadamente, una ley d progresión geométrica. La relación no es valida para corrientes individuales.La medición d las corrientes, se realiza dividiendo la corriente en una serie d segmentos lineales, trazados lo más próximo posible a las trayectorias d los cauces d las corrientes.Para determinar el número d corrientes, solo se consideran las corrientes perennes e intermitentes. La corriente principal se cuenta como una desde su nacimiento hasta su desembocadura. Después se tendrán todos los tributarios d orden inferior, desde su nacimiento hasta la unión con la corriente principal, y así sucesivamente, hasta llegar a los tributarios d orden uno.Esta relación entre el número d corrientes y el área drenada no proporciona una medida real d la eficiencia d drenaje, pues puede suceder, q se tengan dos cuencas con la misma densidad d corriente, y estén drenadas en muy diferente forma, dependiendo d la longitud d sus corrientes.Densidad d drenajeEsta característica proporciona una información más real q la anterior, ya q

se expresa como la longitud d las corrientes, x unidad d área, es decir:La densidad d drenaje, es un parámetro q indica la posible naturaleza d los suelos, q se encuentran en la cuenca. También da una idea sobre el grado d cobertura q existe en la cuenca. Valores altos, representan zonas con poca cobertura vegetal, suelos fácilmente erosionables o impermeables. —Por el contrario, valores bajos, indican suelos duros, poco erosionables o muy permeables y cobertura vegetal densa.

Precipitación3.1 DefiniciónLa precipitación, es toda forma d humedad q originándose en las nubes, llega hasta la superficie del suelo; d acuerdo a esta definición la precipitación puede ser en forma de:• lluvias^ granizadas^ garúas^ nevadasDesde el punto d vista d la ingeniería hidrológica, la precipitación es la fuente primaria del agua d la superficie terrestre, y sus mediciones y análisis, forman el punto d partida d los estudios concernientes al uso y control del agua.3.2 Origen d la precipitaciónUna nube está constituida x pequeñísimas gotas d agua, q se mantienen estables gracias a su pequeño tamaño, algunas características d las gotitas d las nubes son:^ diámetro aproximado d las gotitas 0.02 mm^ espaciamiento entre gotitas 1 mm.^ masa 0.5 a 1 gr/m3Por el contrario, las gotas d lluvia, tienen un diámetro d 0.5 a 2 mm, es decir, un aumento en el volumen d las gotitas d las nubes, d 100.000 a 1.000.000 d veces.En este sorprendente aumento, está el origen d las precipitaciones y se asume principalmente gracias a dos fenómenos:^ Unión entre sí d numerosas gotitas^ Engrosamiento d una gota x la fusión y condensación d otras3.3 Formas d precipitación

^ Llovizna, pequeñas gotas d agua, cuyo diámetro varía entre 0.1y 0.5 mm, las cuales tienen velocidades d caída muy bajas.^ Lluvia, gotas d agua con diámetro mayor 0.5 mm.^ Escarcha, capa d hielo x lo general transparente y suave, pero q usualmente contiene bolsas d aire.^ Nieve, compuesta d cristales d hielo blanco traslúcido, principalmente d forma compleja.^ Granizo, precipitación en forma d bolas o formas irregulares d hielo, q se producen x nubes convectivas, pueden ser esféricos, cónicos o d forma irregular, su diámetro varía entre 5 y 125 mm.3.4 Clasificación d la precipitaciónLa formación d la precipitación, requiere la elevación d una masa d agua en la atmósfera, d tal manera q se enfríe y parte d suhumedad se condense. Atendiendo al factor q provoca la elevación del aire en la atmósfera, la precipitación se clasifica en:Precipitación d convección.En tiempo caluroso, se produce una abundante evaporación a partir d la superficie del agua, formando grandes masas d vapor d agua, q x estar más calientes, se elevan sufriendo un enfriamiento d acuerdo a la adiabática seca o húmeda. En el curso d su ascenso, se enfrían según el gradiente adiabático seco (1° C /100m), o saturado (0.5°C /100m).Las masas d vapor se acumulan en los puntos llamados células d convección (figura .3.1). A partir d este punto, estas masas pueden seguir elevándose hasta llegar a las grandes alturas, donde encuentran condiciones q provocan la condensación y la precipitación. Generalmente viene acompañada d rayos y truenos. Son precipitaciones propias d las regiones tropicales, donde las mañanas son muy calurosas, el viento es calmo y hay una predominancia d movimiento vertical del aire.Precipitación orográficaSe producen cuando el vapor d agua q se forma sobre la superficie d agua es empujada x el viento hacia las montañas, aquí las nubes siguen x las

laderas d las montañas, y ascienden a grandes alturas, hasta encontrar condiciones para la condensación y la consiguiente precipitación (figura 3.2).Precipitación ciclónicaSe producen cuando hay un encuentro d dos masas d aire, con diferente temperatura y humedad, las nubes mas calientes son violentamente impulsadas a las partes más altas, donde pueden producirse la condensación y precipitación. Están asociadas con el paso d ciclones o zonas d baja presión (figura 3.3).Todas estas formas d originarse las lluvias, en la naturaleza se presentan combinadas, d modo q una lluvia determinada puede provenir d cualquiera d las formas o d la combinación d ellas.3.5 Medición d la PrecipitaciónLa precipitación se mide en términos d la altura d lámina d agua (hp), y se expresa comúnmente en milímetros. Esta altura d lámina d agua, indica la altura del agua q se acumularía en una superficie horizontal, si la precipitación permaneciera donde cayó. Los aparatos d medición, se basan en la exposición a la intemperie d un recipiente cilíndrico abierto en su parte superior, en el cual se recoge el agua producto d la lluvia u otro tipo d precipitación, registrando su altura. Los aparatos d medición, se clasifican d acuerdo con el registro d las precipitaciones, en pluviómetros y pluviógrafos.PluviómetroConsiste en un recipiente cilíndrico d lámina, d aproximadamente 20 cm d diámetro y d 60 cm d alto. La tapa del cilindro es un embudo receptor, el cual se comunica con una probeta d sección 10 veces menor q la d la tapa (figura 3.4).Esto permite medir la altura d lluvia en la probeta, con una aproximación hasta décimos d milímetro, ya q cada centímetro medido en la probeta, corresponde a un milímetro d altura d lluvia; para medirla se saca la probeta y se introduce una regla .graduada, con la cual se toma la lectura; generalmente se acostumbra hacer una lectura cada 24 horas.Pluviógrafo

Es un instrumento, q registra la altura d lluvia en función del tiempo, lo cual permite determinar la intensidad d la precipitación, dato importante para el diseño d estructuras hidráulicas.Los pluviógrafos más comunes son d forma cilíndrica, y el embudo receptor está ligado a un sistema d flotadores, q originan el movimiento d una aguja sobre un papel registrador, montado en un sistema d reloj (figura 3.5). Como el papel registrador tiene un cierto rango en cuanto a la altura d registro, una vez q la aguja llega al borde superior, automáticamente regresa al borde inferior y sigue registrando. El gráfico resultante recibe el nombre d pluviograma (figura 3.6)Cuando hay necesidad d conocer la pluviometría mensual o estacional, d una zona d difícil acceso, donde sólo se va unas pocas veces al año, se utilizan los pluviómetros totalizadores. Estos pluviómetros, acumulan el agua llovida durante un período d tiempo más o menos largo. Para proteger el agua d la congelación, se usa cloruro d calcio u otro anticongelante, y para protegerla d la evaporación, se usa una capa d aceite.3.6 Cálculo d la precipitación media sobre una zonaEn general, la altura d precipitación q cae en un sitio dado, difiere d la q cae en los alrededores, aunque sea en sitios cercanos.Los pluviómetros registran la lluvia puntual, es decir, la q se produce en el punto en la q está instalada el aparato. Para muchos problemas hidrológicos, se requiere conocer la altura d precipitación media d una zona, la cual puede estar referida a la altura d precipitación diaria, mensual, anual, media mensual, media anual.Altura d precipitación diaria, es la suma d las lecturas observadas en un día.Altura d precipitación media diaria, es el promedio aritmético d las lecturas observadas en un día.Altura d precipitación mensual, es la suma d las alturas diarias, ocurridas en un mes.Altura d precipitación media mensual, es el promedio aritmético d las alturas d precipitación mensual,

correspondiente a un cierto número d meses.Altura d precipitación anual, es la suma d las alturas d precipitación mensual, ocurridas en un año.Altura d precipitación media anual, es el promedio aritmético d las alturas d precipitación anual, correspondiente a un cierto número d años.Para calcular la precipitación media d una tormenta o la precipitación media anual, existen tres métodos d uso generalizado:Promedio aritméticoConsiste en obtener el promedio aritmético, d las alturas d precipitaciones registradas, d las estaciones localizadas dentro d la zonaIsoyetasPara este método, se necesita un plano d isoyetas d la precipitación registrada, en las diversas estaciones d la zona en estudio. Las isoyetas son curvas q unen puntos d igual precipitación (figura 3.9). Este método es el más exacto, pero requiere d un cierto criterio para trazar el plano d isoyetas. Se puede decir q si la precipitación es d tipo orográfico, las isoyetas tenderán a seguir una configuración parecida a las curvas d nivel. x supuesto, entre mayor sea el número d estaciones dentro d la zona en estudio, mayor será la aproximación con lo cual se trace el plano d isoyetas.2. Trazar las isoyetas, interpolando las alturas d precipitación entre las diversas estaciones, d modo similar a cómo se trazan las curvas d nivel.3. Hallar las áreas A1, A2, A,, entre cada 2 isoyetas seguidas.4. Si Po, P1,..... Pn son las precipitaciones representadas x las isoyetas respectivas, calcular la precipitación media utilizando:El método consiste en:1. Ubicar las estaciones dentro y fuera d la cuenca.3.7 Estudio d una tormenta DefiniciónSe entiende x tormenta o borrasca, al conjunto d lluvias q obedecen a una misma perturbación meteorológica y d características bien definidas. d acuerdo a esta definición, una tormenta puede durar desde unos

pocos minutos hasta varias horas y aún días, y puede abarcar extensiones d terrenos muy variables, desde pequeñas zonas, hasta vastas regiones.Importancia del análisis d las tormentasEl análisis d las tormentas, está íntimamente relacionado con los cálculos o estudios previos, al diseño d obras d ingeniería hidráulica, como son:^ Estudio d drenaje.^ Determinación d caudales máximo, q deben pasar x el aliviadero d una represa, o q deben encausarse, para impedir las inundaciones.^ Determinación d la luz d un puente.^ Conservación d suelos.^ Cálculo del diámetro d alcantarillas.Las dimensiones d estas obras, dependen principalmente d la magnitud q las tormentas tengan, y d la frecuencia o período d retorno, esto a su vez determina el coeficiente d seguridad q se da a la obra, o los años d vida probable d la misma.Se comprende q lo mejor sería diseñar una obra para la tormenta d máxima intensidad y d duración indefinida, pero esto significa grandes dimensiones d la misma y lógicamente hay un límite, después del cual, los gastos ya no compensan el riesgo q se pretende cubrir. Entonces, en la práctica, no se busca una protecciónabsoluta, sino la defensa contra una tormenta d características bien definidas, o d una determinada probabilidad d ocurrencia.Elementos fundamentales del análisis d las tormentasDurante el análisis d las tormentas hay q considerar:a) La intensidad, es la cantidad d agua caída x unidad d tiempo. Lo q interesa particularmente d cada tormenta, es la intensidad máxima q se haya presentado, ella es la altura máxima d agua caída x unidad d tiempo. d acuerdo a esto la intensidad se expresa así:P/t donde¡,,&=intensidad máxima, en mm/horaP = precipitación en altura d agua, en mm t = tiempo en horas

b) La duración, corresponde al tiempo q transcurre entre el comienzo y el fin d la tormenta. Aquí conviene definir el período d duración, q es un determinado período d tiempo, tomado en minutos u horas, dentro del total q dura la tormenta. Tiene mucha importancia en la determinación d las intensidades máximas.Ambos parámetros, se obtienen d un pluviograma como se muestra en la figura 3.13c) La frecuencia,. es el número d veces q se repite una tormenta, d características d intensidad y duración definidas en un período d tiempo más o menos largo, tomado generalmente en años.d) Periodo d retorno, intervalo d tiempo promedio, dentro del cual un evento d magnitud x, puede ser igualado o excedido, x lo menos una vez en promedio. Representa el inverso d la frecuencia, es decir:T=-1-fAsí se puede decir x ejemplo, q para la localidad d Cartago, se presentará una tormenta d intensidad máxima igual a 60 mm/hr, para una duración d 30 min, y un período d retorno d 10 años.El hietograma y la curva masa d precipitaciónLa intensidad d la precipitación, varía en cada instante durante el curso d una misma tormenta, d acuerdo a las características d ésta. Es absolutamente indispensable, cuando se hace el análisis d las tormentas, determinar estas variaciones, porque d ellas dependen muchas d las condiciones, q hay q fijar para las obras d ingeniería hidráulica, para las q se hacen principalmente esta clase d estudios. Esto se consigue mediante dos gráficos: el hietograma y la curva masa d precipitación.HietogramaEs un gráfico d forma escalonada como un histograma, q representa la variación d la intensidad expresada en mm/hora d la tormenta, en el transcurso d la misma expresada en minutos u horas. En la figura 3.14, se puede ver esta relación q corresponde a una tormenta registrada x un pluviograma.

Mediante este hietograma es muy fácil decir a q hora, la precipitación adquirió su máxima intensidad y cual fue el valor d ésta. En la figura 3.14, se observa q la intensidad máxima d la tormenta, es d 6 mm/hr, y se presentó a los 500 min, 700 min y 800 min, d iniciado la tormenta. Matemáticamente este gráfico representa la relación:Curva masa d precipitaciónLa curva masa d precipitación (figura 3.15), es la representación d la precipitación acumulada vs el tiempo. Se extrae directamente del pluviograma.La curva masa d precipitación, es una curva no decreciente, la pendiente d la tangente en cualquier punto, representa la intensidad instantánea en ese tiempo.Observaciones:^ Conforme disminuye el intervalo d tiempo At, el hietograma` se aproxima más a la variación real d la lluvia.^ Al calcular el hietograma para un intervalo, igual a la duración d la tormenta (en este caso d = 12 hr), se tendrá la misma información q si sólo se dispusiera d un pluviómetro.3.8 Fórmulas q expresan la intensidad máxima, en función d la duración y del período d retornoOtra forma d determinar el valor d intensidades máximas, para una duración y un período d retorno dado, es a través d fórmulas empíricas.Fórmula d TalbotLa fórmula empírica propuesta x Talbot, q relaciona la intensidad máxima y- la duración, para un- período d retorno dado, se expresa por:Curvas intensidad — duración — período d retornoVahrson Wilhelm y Alfaro Marvin (1992), desarrollaron una investigación sobre las intensidadet máximas para los principales centros urbanos d Costa Rica; el estudio lo realizaron para las ciudades de: San José, Cartago, Alajuela, Puntarenas, Limón, y Liberia.En este proyecto, el registro en la mayoría d los casos fue d 21 años, obteniéndose registro d intensidades, para duraciones desde 5 hasta 720 min, y para períodos d retorno d 2

hasta 200 años, utilizando la distribución Gumbel.De este estudio, se obtuvieron para cada ciudad, las ecuaciones, tablas y gráficos, q relacionan la intensidad máxima (¡,,,,,,)enEscurrimiento4.1 Aspectos GeneralesEl escurrimiento es otra componente del ciclo hidrológico, y se define como el agua proveniente d la precipitación, laque circul o bajo .la superficie terrestre, y q llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida d la-cuenca -(estación d aforo).Si se analiza un corte esquemático d la superficie terrestre, se tiene q la precipitación cuando llega a la superficie, se comporta d la siguiente manera:1. Una parte d la precipitación se infiltra.^ Una parte d ésta, satisface la humedad del suelo, d lascapas q se encuentran sobre el nivel freático del agua.^ Una vez q estas capas se han saturado, el agua subterráneaes recütada, x la parte restante del agua q se infiltra.2. Otra parte d la precipitación, tiende a escurrir sobre la superficie terrestre; a la precipitación q ocasiona este escurrimiento, se llama altura d precipitación en exceso (hp).3. Una pequeña proporción se pierde.Con base en lo anterior, el escurrimiento se clasifica en tres tipos:^ Escur rimiento superficial (Q)^ Escurrimiento subsuperficial (Qs).• Escurrimiento subterráneo (Qg)En la figura 4. 1, se muestra un esquema donde se indica la relación entre la precipitación y el escurrimiento total.Escurrimiento superficial, es aquel q proviene d la precipitación no infiltrada y q escurre sobre la superficie del suelo. El efecto sobre el escurrimiento total es inmediato, y existirá durante la tormenta e inmediatamente después d q esta termine.La parte d la precipitación total q da lugar a este escurrimíento, se

denomina precipitación en exceso (hp).Incurrimiento subsuperficial, es aquel q proviene d una parte d la precipitación infiltrada. El efecto sobre el escurrimiento total, puede, ser inmediato o retardado. Sí es inmediato se le da el mismo tratamiento q al escurrimiento superficial, en caso contrario, como escurrimiento subterráneo.Escurrimiento subterráneo, es aquel q proviene del agua subterránea, la cual es recargada x la parte d la precipitación q se infiltra, una vez q el suelo se ha'saturado.Con base en la forma en q contribuyen al escurrimiento total, el escurrimiento, se clasifica en escurrimiento directo, cuando su efecto es inmediato, y escurrimiento base si su efecto es retardado. El hecho d presentarse una precipitación, no implica necesariamente que, haya escurrimiento currimiento superficial, y en algunos casos tampoco escurrimiento subterráneo, esto depende d una serie d factores.4.2 Factores q afectan el escurrimiento superficial.El escurrimiento superficial, depende fundamentalmente d dos tipos d factores:Meteorológicos, se pueden considerar la forma, el tipo, la duración y la intensidad d la precipitación, la dirección y la velocidad d la tormenta, y la distribución d la lluvia en la cuenca.Fisiográficos, se pueden considerar las características físicas d la cuenca (superficie, forma, elevación, pendiente), tipo y uso del suelo, humedad antecedente del mismo.Factores meteorológicos'Forma y tipo d la precipitaciónLa manera d como se origina la precipitación, y la forma q adopta la misma, tiene gran influencia en la distribución d los escurrimientos en la cuenca. Así x ejemplo, si la precipitación es d origen orográfico, seguramente ocurrirá en las zonas montañosas en la parte alta d la cuenca, x lo q los escurrimientos se regularizarán notablemente durante su recorrido, y se tendrán valores

relativamente bajos del caudal en la descarga.El efecto d la forma d la precipitación, se manifiesta principalmente en el tiempo d concentración d los escurrimientos. Si la precipitación cae en forma d lluvia, con intensidad y duración suficiente, el escurrimiento superficial se presentará casi d inmediato, no ocurriendo lo mismo cuando la precipitación es en forma d nieve, donde la respuesta d la cuenca, será más lenta debido al tiempo necesario para q se produzca el deshielo.Intensidad d precipitaciónCuando la intensidad d lluvia excede a la capacidad d infiltración del suelo, se presenta el escurrimiento superficial, observándose para incrementos posteriores en la intensidad d lluvia, aumento en el caudal transportado x el río. Esta respuesta, sin embargo, no es inmediata, pues existe un retardo debido al tamaño d la cuenca, alalmacenamiento en las depresiones y al efecto regulador d los cauces.Duración d la precipitaciónLa capacidad d infiltración del, suelo disminuye durante la precipitación, x lo q puede darse el caso, q tormentas con intensidad d lluvia relativamente baja, produzcan un escurrimiento superficial considerable, si su duración es extensa. En algunos casos, particularmente en las zonas bajas d la cuenca, para lluvias d mucha duración el nivel freático puede ascender hasta la superficie del suelo, llegando a nulificar la infiltración, aumentado x lo tanto, la magnitud del escurrimiento.Se ha observado, q los caudales q se presentan en la descarga d una cuenca, son máximos cuando el tiempo q tardan en concentrarse (tiempo d concentración), es similar a la duración d la tormenta q los origina.Distribución d la lluvia en la cuencaEs muy difícil, sobre todo en cuencas d gran extensión, q la precipitación se distribuya uniformemente, y con la misma intensidad en toda el área d la cuenca.El escurrimiento resultante d cualquier lluvia, depende d la distribución en tiempo y espacio d ésta. Si la precipitación se concentra en la parte

baja d la cuenca, producirá caudales mayores, q los q se tendrían si tuviera lugar en la parte alta, donde el efecto regulador d los caudales, y el retardo en la concentración, se manifiesta en una disminución del caudal máximo d descarga.Dirección y velocidad d la tormentaLa dirección y velocidad con q se desplaza la tormenta, respecto a la dirección general del escurrimiento, en el sistema hidrográfico d la cuenca, tiene una influencia notable en el caudal máximo resultante y en la duración del escurrimiento superficial. En general, las tormentas q se mueven en el sentido d la corriente, producen caudales d descarga mayores, q las q se desplazan hacia la parte alta d la cuenca.Otras condiciones meteorológicasAunque la lluvia es el factor más importante q afecta y determina la magnitud d un escurrimiento, no es el único q debe considerarse. Existen condiciones meteorológicas generales q influyen, aunque d una manera indirecta en el escurrimiento superficial, como es el caso d la temperatura, la velocidad del viento, la humedad relativa, la presión barométrica, etc.Factores fisiográficos Superficie d la cuencaDebido a q la cuenca, es la zona d captación d las aguas pluviales q integran el escurrimiento d la corriente, su tamaño tiene una influencia, q se manifiesta d diversos modos en la magnitud d los caudales q se presentan. Se ha observado q la relación entre el tamaño del área y el caudal d descarga no es lineal. A igualdad d los demás factores, para cuencas mayores, se observa una disminución relativa en el caudal máximo d descarga, debido a q son mayores, el efecto d almacenaje, la distancia recorrida x las aguas, y x lo tanto, el tiempo d regulación en los cauces naturales.Otro factor importante, q afecta la relación entre el caudal y la superficie d la cuenca, es q la máxima intensidad d lluvia, q puede ocurrir con cualquier frecuencia, decrece conforme aumenta la superficie q cubre la tormenta, x lo.

q para cuencas mayores, se tendrán intensidades d precipitación (referidas a la superficie d la cuenca), y caudales específicos d descarga menores.Forma d la cuenca?ara tomar en cuenta, cuantitativamente la influencia q la forma .de la cuenca, tiene en el valor del escurrimiento, se han propuesto índices numéricos, como es el caso del factor d forma y el coeficiente d compacidad.El factor d forma, expresa la relación entre el ancho promedio y la longitud d la cuenca, medida esta última desde el punto mas alejado hasta la descarga. El ancho promedio se obtiene, a su vez, dividiendo la superficie d la cuenca entre su longitud. Para cuencas muy anchas o con salidas hacia los lados, el factor d forma puede resultar mayor q la unidad.Los factores d forma inferiores a la unidad, corresponden a cuencas mas bien extensas, en el sentido d la corriente.El coeficiente d compacidad, . es indicador d la regularidad geométrica d la forma d la cuenca. Es la relación entre el perímetro d la cuenca, y la circunferencia d un círculo con igual superficie q el la dé la cuenca.Elevación d la cuencaLa elevación media d la cuenca, así como la diferencia entre sus elevaciones extremas, influye en las características meteorológicas, q determinan principalmente las formas d la precipitación, cuyo efecto en la distribución se han mencionado anteriormente. x lo

general, existe una buena correlación, entre la precipitación y la elevación d la cuenca, es decir, a mayor elevación la precipitación es también mayor.PendienteLa pendiente media d la cuenca, es uno d los factores q mayor influencia tiene en la duración del escurrimiento, sobre el suelo y los cauces naturales, afectando d manera notable, la magnitud d las descargas; influye así mismo, en la infiltración, la humedad del suelo y la probable aparición d aguas subterránea al escurrimiento superficial, aunque es difícil la

estimación cuantitativa, del efecto q tiene la pendiente sobre el escurrimiento para estos casos.Tipo y uso del sueloEl tamaño d los granos del suelo, su ordenamiento y comparación, su contenido d materia orgánica, etc, son factores íntimamente ligados a la capacidad d infiltración y d retención d humedad, x lo q el tipo d suelo, predominante en la cuenca, así como su uso, influye d manera notable en la magnitud y distribución d los escurrimientos.Estado d humedad antecedente del sueloLa cantidad d agua existente en las capas superiores del suelo, afecta el valor del' coeficiente d infiltración. Si la humedad del suelo, es alta en el momento d ocurrir una tormenta, la cuenca generará caudales mayores debido a la disminución d la capacidad d infiltración.otros factoresExisten algunos factores d tipo fisiográfico, q influyen en las características del escurrimiento, como son x ejemplo, la localización y orientación d la cuenca, la eficiencia d la red d drenaje natural, la extensión d la red hidrográfica y otros d menor importancia.4.3 Medición del escurrimiento ( aforos)La hidrometría, es la rama d la hidrología q estudia la medición del escurrimiento. Para este mismo fin, es usual emplear otro término denominado aforo. Aforar una corriente, significa determinara través d mediciones, el caudal q pasa x una sección dada y en un momento dado.Existen diversos métodos, para determinar el caudal d una corriente d agua, cada uno aplicable a diversas condiciones, según el tamaño d la corriente o según la precisión con q se requieran los valores obtenidos. Los métodos más utilizados son:^ Aforos con flotadores^ Aforos volumétricos^ Aforos químicos^ Aforos con vertederos^ Aforos con correntómetro o molinete^ Aforos con medidas d la sección y la pendie3

Aforos con flotadoresUna forma sencilla d aproximar el valor del caudal d un cauce, es realizar el aforo con flotadores (figura 4.2).Por este método, se mide la velocidad superficial (v) d la corriente y el área d la sección transversal (A), luego con estos valores aplicando la ecuación d continuidad, se calcula el caudal con la formula: