instituto tecnológico de Cancún

materia: hidrología superficial

unidad3: escurrimiento e infiltración alumno: 

geovanni antonio hernandez Mijangos

  docente: ing. Miguel ángel Briceño chan

carrera: ingeniería civil

Escurrimiento: se define como el agua proveniente de la precipitación que circula sobre o debajo de la superficie terrestre y que llega a una corriente para que finalmente pueda ser drenada hasta la salida de la cuenca.

El agua de la precipitación llega primero a los objetos que están sobre la superficie del terreno, como son los árboles, casas, cultivos, pasto, rocas, etc. En estos lugares parte de la lluvia es interceptada, como se mencionó anteriormente, y parte de ella llega al suelo, en donde se infiltra para llenar las depresiones topográficas y se va acumulando en el terreno hasta saturar el terreno y fluir superficialmente por las laderas hacia los cauces.

3.1 Procesos De Escurrimiento

3.2 Tipos de escurrimiento

Escurrimiento superficial

Escurrimiento subsuperficial

Escurrimiento subterráneo

• Escurrimiento superficial, el cual está compuesto por el que escurre tanto por el terreno como por los arroyos y ríos.

• Escurrimiento sub-superficial, la cual se encuentra bajo la superficie del terreno, pero cerca de ella y que se encuentra en la zona de saturación del subsuelo.

• Escurrimiento subterráneo, es aquella agua que logra infiltrarse en el terreno hasta niveles inferiores al nivel freático o zona de saturación.

• El flujo superficial se realiza en forma rápida, sobre todo comparado con el subterráneo, que es lento, sin embargo el superficial puede ser sólo un poco menos rápido o tan lento como el subterráneo, dependiendo de las condiciones del suelo.

• Por esta razón se ha clasificado al escurrimiento, en términos de su rapidez, en dos clases que son:

• Escurrimiento directo.- Es aquel que se forma por los flujos de superficie y subsuperficial rápido, es decir aquel que tiene una respuesta rápida a la lluvia y que se considera como el resultado de la lluvia efectiva o en exceso.

• Escurrimiento base.- Es el formado por el flujo subsuperficial lento y el subterráneo, es decir es el que no depende esencialmente de la presencia de la lluvia.

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL ESCURRIMIENTO

Todas las particularidades de un régimen de lluvia se reproducen en la circulación de las aguas, por lo que las corrientes son afectadas principalmente por los siguientes factores:

a) Precipitaciónb) Características fisiográficas.c) Uso del suelo y cobertura vegetal.d) Condiciones hidrológicas antecedentes.

3.3 Medición De Escurrimiento Y Registros De AforoLos Métodos Para Hacer El Aforo De Un Río, Son:

• A. Sección De Control• B. Relación Sección - Pendiente• C. Relación Sección - Velocidad

• Sección De Control.-

• Una sección de control en una corriente es aquella donde existe una relación única entre el tirante del agua y el gasto, por lo que es necesario revestir el cauce en un tramo de éste para evitar que se pueda alterar la forma de la sección y la pendiente de dicho tramo. Una ventaja de utilizar éste método es que solo se requiere conocer el nivel del agua y la forma de la sección, para determinar el gasto. Entre las desventajas están el costo elevado de construir la sección en ríos caudalosos y que a veces al estrechar el cauce para tener la sección de control, se restringe el transporte de objetos arrastrados por la corriente que pueden obstruir la sección, recomendándose éste método para cuencas experimentales o en ríos u arroyos de sección pequeña.

Relación Sección – Velocidad: • Es el más usado de los métodos de aforos. El análisis parte de

la ecuación Q = S * V (caudal = sección * velocidad). Para realizar el aforo debe tenerse una estación de aforos, que contiene una sección de medición donde se materializa el aforo, una escala hidrométrica para relacionar las alturas de agua en el momento del aforo, y un control de que esa estación de aforo sea una sección donde se asegure que la relación altura – caudal sea directa, y no que para una misma altura se manifiesten dos caudales, posibilitando la relación H – Q en todas las alturas de agua del río.

Relación Sección – Pendiente: • Parte el análisis de la fórmula de velocidad propuesta por Manning:

V = 1/n * R^⅔ * S^½, donde n es el coeficiente de rugosidad de Manning, R radio hidráulico y S pendiente del pelo de agua. Requiere de un tramo del río lo mas recto posible, uniforme en la conformación de la sección de escurrimiento, dos secciones específicas y la medición de la altura hidrométrica del río en el lugar. Con el promedio de las 2 secciones y los 2 radios hidráulicos, calculando la pendiente con el desnivel de agua dividido la longitud de separación entre secciones, y considerando que el delta h es la suma de la altura de agua mas altura de velocidad mas la altura de turbulencia, despreciando estas últimas por poca significación, se puede calcular el caudal multiplicando la sección de escurrimiento promedio por la velocidad según Manning. La precisión se obtiene con la seguridad de definición del coeficiente de rugosidad n.

• Aforo: Es la operación de campo que tiene como fin realizar el cálculo del caudal que escurre por una sección de un río.

Aforo Químico:• En el caso de ríos o arroyos de montaña los anteriores

métodos quedan inhabilitados, a excepción de la sección de control. En esos casos se recomienda el aforo químico, que se basa en la medición de la variación de concentración de una disolución al vertirse a un río que tiene un determinado caudal que se quiere calcular. La disolución mas usada es el dicromato de sodio. El aforo clásico establece un régimen permanente de caudal q de la disolución concentrada sobre el caudal Q del río, donde la disolución pasa a ser muy diluida, y generándose la nube de concentración que corre río abajo. Estas nubes de concentración de la disolución pueden ser elemental o con meseta:

Aforos Por Flotadores: • En casos expeditivos donde no se requiere demasiada

precisión, se puede usar el método de los flotadores. Son elementos que se tiran al agua, flotan y son arrastrados por la corriente, por lo que al medir el tiempo de traslado en una determinada longitud se estima la velocidad de escurrimiento. Los flotadores mas utilizados con corchos, botellas, ramas, etc.). El cálculo de la V = L/T, y el Q = V * S, considerando que la velocidad es superficial, salvo que el flotador tenga un determinado peso y se hunda a una determinada profundidad, donde en ese caso será la velocidad de esa profundidad.

• Caudal: Es el volumen de agua por unidad de tiempo que pasa por una sección de un cauce. Sus unidades normales son m3/s o l/s. Valores característicos de caudales medios de los principales ríos de la región: Paraná 16.000 m3/s en sección Corrientes (máximo de 60.000 m3/s en inundación de 1983). Paraguay 4.000 m3/s en la desembocadura. Bermejo, en El Colorado, 380 m3/s (máximo de 2.200 m3/s). Negro en Resistencia, 30 m3/s, con caudales máximos de 214 m3/s en Abril 1986.

• Hidrograma: Es la representación del caudal en función del tiempo, expresando las variaciones temporales de los caudales o los aportes de un río en una sección determinada.

• Medición de niveles: La determinación de los niveles que puede alcanzar el agua o las alturas de agua de un río, se deben hacer en una sección determinada, Paraná frente a Corrientes, río Negro en el puente de avenida San Martín de Barranqueras, y esa sección debe ser fija, inalterable en el tiempo, para que las mediciones de alturas de agua se puedan relacionar en el tiempo. Las alturas de agua de un río se hacen en estaciones hidrométricas, tales como Puerto Iguazú para el río Paraná superior, Puerto Barranqueras en el Gran Resistencia, y todas las mediciones de alturas de agua, medidas en metros y centímetros, deben referirse a un cero (0), que debe ser el nivel mínimo que tiene el agua en una sección, o aquél nivel debajo del cual no existe escurrimiento en ese río.

• 3.4 ANALISIS DE REGISTROS DE ESCURRIMIENTO

• Las estaciones hidrométricas consisten esencialmente en una o varias reglas graduadas (escala o limnímetro) colocadas verticalmente y perfectamente niveladas entre sí y con referencia a un plano dado (el cero Wharton corresponde al cero de la escala del Puerto de Montevideo) en una sección de río, arroyo, laguna o embalse.

• Mediante el auxilio de un operador (escalero) que reside o trabaja en las proximidades de la estación se registra en planillas los niveles observados a horas preestablecidas y todo otro evento relevante para el funcionamiento de la estación.  Estas planillas se remiten mensualmente a las oficinas de la DNH para su procesamiento.

• REGISTRO DE NIVELES:• AUTOMATIZACIÓN• Donde es posible o necesario, por la

topografía del lugar, la existencia de infraestructura y accesos mínimos o la importancia de la sección de medición, se colocan además instrumentos automáticos de registro continuo (mareógrafo o limnígrafo), de funcionamiento mecánico o electrónico. 

• Instalación de limnígrafo mecánico sobre un puente.

 • Esta automatización de las

estaciones permite tener una mayor continuidad de datos y reducir factores de falla por factor humano, pero en cambio aumenta drásticamente el volumen de información a almacenar y requiere mayor especialización en la instalación, operación y mantenimiento de los instrumentos.

• MEDICIÓN DE CAUDALES• Los caudales se determinan mediante

mediciones directas de caudal (aforos) que se correlacionan con las lecturas de nivel simultáneas. Cuando se cubre con aforos suficientes una parte significativa del rango de variación de niveles se define la ecuación de caudales o curva de aforo característica de cada estación.

• Aforo desde puente con molinete, carro y torno. 

• Con los datos de niveles y caudales obtenidos durante un período suficientemente extenso se pueden calcular los valores estadísticos característicos de cada cuenca: promedios diarios, mensuales y anuales, caudales específicos, máximos y de estiaje, frecuencias, período de retorno, etc. 

InfiltraciónSe define como el movimiento del agua, atraves de la superficie del suelo y hacia adentro del mismo producido por las fuerzas gravitacionales y capilares. Es un proceso que depende fundamentalmente del agua disponible a infiltrar, la naturaleza del suelo, el estado de la superficie y las cantidades de agua y aire inicialmente presentes en su interior.

3.5 Proceso de infiltración El agua precipitada sobre la superficie de la tierra, queda detenida, se evapora, discurre por ella o penetra hacia el interior. Es un proceso que depende fundamentalmente del agua disponible a infiltrar, la naturaleza del suelo, el estado de la superficie y las cantidades de agua y aire inicialmente presentes en su interior. A medida que el agua infiltra desde la superficie, las capas superiores del suelo se van humedeciendo de arriba hacia abajo, alterando gradualmente su humedad. En cuanto al aporte de agua, el perfil de humedad tiende a la saturación en toda la profundidad, siendo la superficie el primer nivel a saturar. Normalmente la infiltración proveniente de precipitaciones naturales no es capaz de saturar todo el suelo, sólo satura las capas más cercanas a la superficie, conformando un perfil típico donde el valor de humedad decrece con la profundidad.

3.6 Medición y análisis de la infiltración El análisis de la infiltración en el ciclo hidrológico es de importancia básica en la relación entre la precipitación y el escurrimiento.

Factores que afectan la capacidad de infiltración:

Capacidad de infiltración:Se denomina capacidad de infiltración a la cantidad máxima de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones, valor que es variable en el tiempo en función de la humedad del suelo, el material que conforma al suelo, y la mayor o menor compactación que tiene el mismo.

Entrada superficial: La superficie del suelo puede estar cerrada por la acumulación de partículas que impidan, o retrasen la entrada de agua al suelo.

Transmisión a través del suelo: El agua no puede continuar entrando en el suelo con mayor rapidez que la de su transmisión hacia abajo, dependiendo de los distintos estratos.

Acumulación en la capacidad de almacenamiento: El almacenamiento disponible depende de la porosidad, espesor del horizonte y cantidad de humedad existente.

La temperatura: Si la temperatura del suelo es suficientemente baja para producir la congelación del agua recibida, la capa helada impide o dificulta la Infiltración.

El contenido inicial de humedad en el suelo: tiene una gran influencia. Si el terreno está muy seco, a la acción de la gravedad, se une una fuerte tensión capilar con lo que aumenta la Infiltración. A medida que el terreno se humedece se hinchan las arcillas y coloides y se reduce el tamaño de los poros y la capacidad del suelo para infiltrar

Características del medio permeable: La capacidad de infiltración está relacionada con el tamaño del poro y su distribución, el tipo de suelo –arenoso, arcilloso-, la vegetación, la estructura y capas de suelos.

Características del fluido: La contaminación del agua infiltrada por partículas finas o coloides, la temperatura y viscosidad del fluido, y la cantidad de sales que lleva.

Medición de la infiltración

Infiltrómetros:Para realizar el ensayo de infiltración en el campo se utiliza el infiltrómetro. Es un aparato sencillo, de uno o dos tubos de chapa de diámetro fijo. Se clava en el suelo a una profundidad variable, se le agrega una cierta cantidad de agua y se observa el tiempo que tarda en infiltrarse.

Simuladores de lluvia: Aplican agua en forma constante reproduciendo lo más fielmente el acontecer de la precipitación. Las gotas son del tamaño de las de la lluvia y tienen una energía de impacto similar, comparándose los efectos. Varían en tamaño, cantidad de agua necesaria y método de medición.

Método de horton

• Una de las primeras ecuaciones de infiltración fue desarrollada por Horton en1939, quien a partir de experimentos de campo, estableció, para el caso de un suelo sometido a una precipitación con intensidad siempre superior a la capacidad de infiltración, una relación empírica para representar el declive de la infiltración con el tiempo puede ser presentada de la siguiente forma: