Hidrología de Cuencas
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CAPITULO I HIDROLOGIA. 1.1. DEFINICION. La hidrología juega un rol muy importante en la planificación de cuenca, principalmente en los aspectos que tienen relación con el dimensionamiento de estructuras de uso y control de agua así como estudios y gestión del medio ambiente. La hidr hidrol olog ogía ía es la cien cienci ciaa natu natura rall qu quee estu estudi diaa al agua agua,, su existencia, ocurrencia, circulación y distribución en la superficie de la tierra, sus propiedades físicas y químicas y su influencia sobre el medio ambiente, incluyendo su relación con los seres vivos. El dominio de la hidrología abarca la historia completa del agua sobre la tierra. La hidrología, que cubre todas las fases del agua en la tierra, es unaa mate un materi riaa de gran gran impor importa tanc ncia ia para para el ser ser hu huma mano no y su ambiente. Aplicaciones prácticas de la hidrología se encuentran en labores tales como diseño y operación de estructuras hidráulicas, abas abaste teci cimi mien ento to de agua agua,, trat tratam amie ient ntoo y disp dispos osic ició iónn de agua aguass residuales, irrigación y control de sedimentos, control de salinidad, dism dismin inuc ució iónn de cont contam amin inac ació ión, n, uso uso recr recrea eaci cion onal al del del agua agua protección de la vida terrestre y acuática. 1.2. 1.2. EL CI CICLO CLO HI HIDROLO ROLOG GICO. CO. El ciclo hidrológico es la sucesión de un conjunto de cambios que experimenta el agua en la naturaleza es decir sufre cambios en la hidrosfera y que obedece a leyes físicas, tanto en su estado sólido, liquido y gaseoso, como en su forma de agua superficial y agua I-1
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subterránea, etc. Se puede decir que es un proceso continuo cíclico de los fenómenos hidrológicos que no tiene principio ni fin, como ya se mencionó, se considera el concepto fundamental de la hidrología. Para una mejor comprensión, el ciclo hidrológico comienza con la emisión de vapor producido por la evaporación, transpiración y evapotranspiración que son producidas por el agua, vegetación y el suelo, que asciende hasta cierta altura de la atmósfera que son llevados por las masas de aire en movimiento, donde se condensa el vapor enfriado en gotitas visibles que forman nubes o neblinas, las mismas gotitas se agrandan lo suficientemente para caer a la tierra que dan origen a la precipitación, donde interceptada, detenida y retenida por la vegetación y estructuras, precipitación que se pierde por evaporación y transpiración antes de penetrar en el suelo, una parte de agua es almacenado en las depresiones del terreno, parte de la precipitación se convierte en escorrentía que fluye por la superficie del terreno (escorrentía superficial para formar ríos y quebradas que van a desembocar a lagos y océano) o por debajo de aquel (escorrentía subterránea) y la otra se infiltra en forma de conducto a través de materiales naturales o artificiales y la otra parte se percola a través de un medio poroso, por ejemplo de agua en el suelo bajo la acción de la gradientes hidráulicos moderado; principalmente es un flujo debido a la acción de la gravedad, y el resto se transporta por la capilaridad presentando al agua capilar que son tratados en medios poroso, donde actúan dos fuerzas la de adhesión que es mayor al de la fuerza de cohesión del liquido. El resto de la precipitación se tiene como derretimiento que es la acción de volver liquida por medio de calor el agua en estado sólido, tal como nieve, granizo etc., y como filtración es un movimiento y paso de agua alrededor de estructuras. En conclusión se puede deducir que unas dos terceras partes de la precipitación que llega a la superficie del terreno regresan a la atmósfera por evaporación de las superficies del agua, del suelo y de la vegetación, y por la transpiración de las plantas, la porción I-2
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restante de la precipitación regresa finalmente al océano a través de los conductos superficiales o subterráneos. Los procesos del ciclo hidrológico discurren en la atmósfera y en la superficie terrestre por lo que se puede admitir dividir el ciclo del agua en dos ramas: aérea y terrestre. El agua que precipita sobre los suelos va a repartirse, a su vez, en tres grupos: una que es devuelta a la atmósfera por evapotranspiración y dos que producen escurrimiento superficial y subterráneo. Esta división está condicionada por varios factores, unos de orden climático y otros dependientes de las características físicas del lugar donde ocurre la precipitación. Así, la precipitación, al encontrar una zona impermeable, origina escurrimiento superficial y la evaporación directa del agua que se acumula y queda en la superficie. Si ocurre en un suelo permeable, poco espeso y localizado sobre una formación geológica impermeable, se produce entonces escurrimiento superficial, evaporación del agua que permanece en la superficie y aún evapotranspiración del agua que fue retenida por la cubierta vegetal. En ambos casos, no hay escurrimiento subterráneo; este ocurre en el caso de una formación geológica subyacente permeable y espesa. La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes. La fuerza de gravedad da lugar a la precipitación y al escurrimiento. El ciclo hidrológico es un agente modelador de la corteza terrestre debido a la erosión y al transporte y deposición de sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura vegetal y, de una forma más general, la vida en la Tierra. El ciclo hidrológico puede ser visto, en una escala planetaria, como un gigantesco sistema de destilación, extendido por todo el Planeta. El calentamiento de las regiones tropicales debido a la I-3
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radiación solar provoca la evaporación continua del agua de los océanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por la circulación general de la atmósfera, a otras regiones. Durante la transferencia, parte del vapor de agua se condensa debido al enfriamiento y forma nubes que originan la precipitación. El regreso a las regiones de origen resulta de la acción combinada del escurrimiento proveniente de los ríos y de las corrientes marinas. 1.3. ESQUEMA DEL CICLO HIDROLOGICO. En las figuras 1.1 y 1.2 se observa dos esquemas del ciclo hidrológico con sus principales componentes. 1.4. EL RECURSO AGUA EN EL MUNDO. El cálculo de la cantidad total de agua de la tierra y en numerosos procesos del ciclo hidrológico ha sido tema de exploración científica, sin embargo, la información cuantitativa es escasa, particularmente en los océanos, lo cual significa que las cantidades de agua en varios componentes del ciclo hidrológico global todavía no se conocen en forma precisa. En la tabla 1.1 se encuentran las cantidades estimadas de agua en las diferentes formas que existe en la tierra. La cantidad total de agua es de 1,338,000,000 billones de Km3 pero el 96.5% se encuentra en los océanos y en el mar, el 1.7% se encuentra en los hielos polares, el 1.7 en manantiales subterráneos y solamente el 0.1% en los sistemas de agua superficial y atmosférica. Cerca de dos terceras partes del agua dulce de la tierra son hielo polar y la mayoría es agua subterráneo que va desde 200 hasta 600 m de profundidad. La mayor parte que se encuentra debajo de esta profundidad es salina. Solamente el 0.006% del agua dulce esta en ríos. El agua biológica que se encuentra en los animales y vegetales representa cerca del 0.003% de toda el agua dulce, equivalente a la mitad del volumen contenido en los ríos. I-4
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A pesar de que inmensas cantidades de agua pasan anualmente a través de ellos. En la tabla 1.2 se muestra la distribución de la escorrentía mundial que presenta distribuido en siete áreas continentales del planeta, Para ello han sido cuantificada por varios autores, aquí solo mencionaremos la de SHIKLOMANOV. Se ha estimado que la precipitación total sobre los continentes es, en promedio de 1000.000 km3 por año lo que equivale a 685ml anuales. De esta enorme cantidad de agua un elevado porcentaje, el 65%, se evapora y regresa a la atmósfera. De la masa hídrica restante, una parte se infiltra y, eventualmente da lugar a la escorrentía subterránea: otra, contribuye al mantenimiento de diversas formas de retención superficial, y la mayor parte constituye la escorrentía superficial, la que en cifra redondas y como promedio plurianual es de 35,000 km por año. En consecuencia, los ríos de la tierra conducen hacia los mares y océanos una cantidad anual de agua equivalente 35,000,000,000,000m3. Estimaciones hecha por el U. S. Geological Survey fijan la escorrentía superficial en 1,170,400 m3/seg, en tanto que según el balance mundial efectuado por la antigua Unión Soviética, este valor seria de 1,154,200m3/seg. A pesar de que inmensas cantidades de agua pasan anualmente a través de ellos. En la tabla 1.3 se muestra la distribución del recurso agua en el espacio y el tiempo es decir el balance anual del agua en el mundo, por continentes. 1.5. CONCEPTO DE SISTEMA HIDROLOGICO. Como de se puede apreciar en la figura 1.1 el ciclo hidrológico es un fenómeno muy complejo y es posible que nunca se les entienda en su totalidad por la gran cantidad de variables que intervienen. Para una mejor comprensión se puede simplificar el problema, en que los hidrólogos han introducido el concepto de SISTEMA para I-5
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entender el ciclo hidrológico y de esta manera lograr su aplicación practica en la solución de problemas de Ingeniería Hidráulica e Hidrología.
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Figura 1.1 Ciclo Hidrológico. I-7
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Figura 1.2 Proceso del Ciclo Hidrológico.
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Figura 1.2 Proceso del Ciclo Hidrológico.
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TABLA N° 1.1 Cantidades Estimadas de Agua en el Mundo. Item Océanos Agua Subterránea - Dulce - Salada Humedad del Suelo. Hielo polar. Hielo no polar y nieve. Lagos. - Dulce - Salada Pantanos. Ríos. Agua biológica. Agua atmosférica. Agua total. Agua dulce.
Área(10^6 km2)
Volumen(Km3) porcentaje de agua total porcentaje de agua dulce
361.3
1338000000
96.5
134.8 134.8 82.0 16.0 0.3
10530000 12870000 16500 24023500 340600
0.7597 0.9286 0.0012 1.7333 0.0246
1.2 0.8 2.7 148.8 510.0 510.0 510.0 148.8
91000 85400 11470 2120 1120 12900 1385984610 35029210
0.0066 0.0062 0.0008 0.0002 0.0001 0.0009 100.00 2.5274
Fuente: Chow Ven Te, Hidrología Aplicada 1994.
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30.0606 0.0471 68.5813 0.9723 0.2598 0.0327 0.0061 0.0032 0.0368 100.00
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TABLA N° 1.1 Cantidades Estimadas de Agua en el Mundo. Item
Área(10^6 km2)
Océanos Agua Subterránea - Dulce - Salada Humedad del Suelo. Hielo polar. Hielo no polar y nieve. Lagos. - Dulce - Salada Pantanos. Ríos. Agua biológica. Agua atmosférica. Agua total. Agua dulce.
Volumen(Km3) porcentaje de agua total porcentaje de agua dulce
361.3
1338000000
96.5
134.8 134.8 82.0 16.0 0.3
10530000 12870000 16500 24023500 340600
0.7597 0.9286 0.0012 1.7333 0.0246
1.2 0.8 2.7 148.8 510.0 510.0 510.0 148.8
91000 85400 11470 2120 1120 12900 1385984610 35029210
0.0066 0.0062 0.0008 0.0002 0.0001 0.0009 100.00 2.5274
30.0606 0.0471 68.5813 0.9723 0.2598 0.0327 0.0061 0.0032 0.0368 100.00
Fuente: Chow Ven Te, Hidrología Aplicada 1994.
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Tabla 1.2 Distribución Continental de la Escorrentía Mundial Según SHIKLOMANOV Caudal Anual REGIÓN Europa Asia África América del Norte y central América del Sur Australia y tasmania Oceanía Antártica Total Mundial
Mm 306 332 151 339 661 45 1610 160 314
Km3 3210 14410 4570 8200 11760 348 2040 2230 46768
Porcentaje de la escorrentía Superficie total 103 km3 7 10500 31 43475 10 30120 17 24200 25 17800 1 7683 4 1267 5 13977 100 149022
Caudal : 1 483 004 m 3/s. Fuente: Arturo Rocha; Introducción a la Hidráulica Fluvial.
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Descarga especifica l/seg/km2 9.7 10.5 4.8 10.7 20.9 1.4 51.1 5.1 10.0
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Tabla 1.2 Distribución Continental de la Escorrentía Mundial Según SHIKLOMANOV Caudal Anual REGIÓN Europa Asia África América del Norte y central América del Sur Australia y tasmania Oceanía Antártica Total Mundial
Mm 306 332 151 339 661 45 1610 160 314
Km3 3210 14410 4570 8200 11760 348 2040 2230 46768
Porcentaje de la escorrentía Superficie total 103 km3 7 10500 31 43475 10 30120 17 24200 25 17800 1 7683 4 1267 5 13977 100 149022
Descarga especifica l/seg/km2 9.7 10.5 4.8 10.7 20.9 1.4 51.1 5.1 10.0
Caudal : 1 483 004 m 3/s. Fuente: Arturo Rocha; Introducción a la Hidráulica Fluvial.
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Tabla 1.3 Balance anual de Agua en el Planeta. Variable Área Precipitación
Unidades (Km2)
(km3/año) (mm/año) (plg/año) Evaporación (km3/año) (mm/año) (plg/año) Escorrentía hacia los Océanos Ríos (km3/año) Agua Subterránea (km3/año) Escorrentía Total (km3/año) (mm/año) (plg/año)
Océano Tierra 361,300,00 148,800,000 0 458,000 119,000 1,270 800 50 31 505,000 72,000 1,400 484 55 19 44,700 2,200 47,000 316 12
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Tabla 1.3 Balance anual de Agua en el Planeta. Variable Área Precipitación
Unidades (Km2)
(km3/año) (mm/año) (plg/año) Evaporación (km3/año) (mm/año) (plg/año) Escorrentía hacia los Océanos Ríos (km3/año) Agua Subterránea (km3/año) Escorrentía Total (km3/año) (mm/año) (plg/año)
Océano Tierra 361,300,00 148,800,000 0 458,000 119,000 1,270 800 50 31 505,000 72,000 1,400 484 55 19 44,700 2,200 47,000 316 12
Fuente: UNESCO 1978
Por lo tanto el ciclo hidrológico es un medio apropiado para describir el alcance de la hidrología, la cual se limita a la parte del ciclo que cubre desde la precipitación del agua sobre la tierra hasta el regreso de ésta bien sea a la atmósfera o a los océanos, mares, lagos, etc. El ciclo hidrológico sirve para destacar cuatro fases básicas de interés para el hidrólogo: Precipitación, evaporación y transpiración, escorrentía superficial y agua subterránea y otras fases del ciclo hidrológico de interés. Si aplicamos el concepto de sistema al ciclo hidrológico en forma simplificada, pues un SISTEMA es un conjunto de partes conectadas en sí, que forman un todo. El ciclo hidrológico puede tratarse como un sistema cuyos componentes que son sus procesos. Estos componentes forman los subsistemas del ciclo total, que se pueden analizar separadamente y combinarse los resultados de acuerdo con las interacciones entre los subsistemas. I - 11
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En el ciclo hidrológico global se representa como un sistema. Lo que se dividen en tres subsistemas: el sistema de agua atmosférica contiene los procesos de precipitación, evaporación, intercepción y transpiración; el sistema de agua superficial contiene los procesos de flujo superficial, escorrentía superficial, nacimientos de agua subsuperficial y subterránea, y escorrentía hacia ríos, lagos, mares y océano; y el sistema de agua subsuperficial contiene los procesos de infiltración, recarga de acuífero, flujo subsuperficial y flujo de agua subterránea. Por tanto, un sistema hidrológico se define como una estructura o volumen en el espacio, rodeada por una frontera que acepta agua y otras entradas, opera en ellas internamente y las produce como salidas, Por ejemplo un sistema se puede considerar a una presa, a un vaso, una cuenca o una hoya, etc. para efectos prácticos, en una cuenca acuífera se considera que la entrada, más importante del sistema es la precipitación y las salidas igualmente importantes son el caudal y la evaporación, que normalmente los limites de frontera son las divisorias de las aguas. Entrada
Operación
Salida
Si se utiliza el concepto de un sistema, el esfuerzo se dirige hacia la construcción de un modelo que relacione entradas y salidas en lugar de llevar a cabo la extremadamente difícil tarea de una representación exacta de los detalles del sistema, los cuales pueden ser desconocidos o no significativos desde un punto de vista práctico. Sin embargo, el conocimiento de un sistema físico ayuda en el desarrollo de un buen modelo y en la determinación de su precisión, esto es producto de un numero de caminos que se examinan en la superficie y el suelo de una cuenca caso como la forma, la pendiente y la rugosidad que cambian continuamente en el tiempo, del mismo modo la precipitación varia aleatoriamente en el espacio y el tiempo.
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1.6. ECUACIÓN FUNDAMENTAL HIDROLOGIA.
DE
LA
La ecuación fundamental esta dada por la simple relación de un sistema considerando como una idea central de entradas y salidas dentro de un volumen de control, produciendo un cambio de almacenamiento, es decir lo que entra menos lo que sale es igual al cambio de almacenamiento. La ecuación siguiente se calcula para un determinado periodo de tiempo y para su volumen de control. I − O =
∆S ∆t
Considerando una cuenca hidrográfica y hidrológica se tiene la siguiente relación: Entradas (I):
Precipitación. Importaciones de agua. Escorrentía superficial desde otras cuencas vecinas. Aguas subterráneas desde otras cuencas vecinas. Salidas (O):
Evaporación. Transpiración, Escorrentía superficial hacia otras cuencas vecinas. Exportaciones de agua. Aguas subterráneas hacia otras cuencas vecinas. Infiltración. Cambios de Almacenamiento ( ∆S ):
Almacenamiento de aguas subterráneas. I - 13
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Almacenamiento por cambio de humedad del suelo. Almacenamiento superficial en embalses, en canales y en la propia escorrentía superficial. 1.7. APLICACIONES DE LA HIDROLOGIA.
Escogencia de fuentes de abastecimiento de agua para uso domestico o industrial. Estudio de diferentes proyectos de infraestructura hidráulica. Ejecución o construcción de obras hidráulicas. Drenaje. Irrigación. Regulación de los Cursos de agua. Control de inundaciones. Control de polución. Control de erosión. Navegación. Aprovechamiento hidroeléctrico. Operación de sistemas hidráulicos complejos. Recreación y preservación del medio ambiente. Preservación y desenvolvimiento de la vida acuática.
1.8. MODELOS HIDROLOGICOS. Como el ciclo hidrológico es representado y considerado como un sistema, por lo tanto éste es posible representarlo mediante un modelo. Un modelo de sistema hidrológico es una aproximación al sistema real.; sus entradas y salidas son variables hidrológicas mensuradas y su estructura es un conjunto de ecuaciones que conectan las entradas y las salidas. Por lo tanto un modelo hidrológico tratará de representar en forma aproximada al ciclo hidrológico y su
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objetivo de análisis del sistema hidrológico es estudiar la operación del sistema y predecir su salida. Un modelo hidrológico puede dividirse en dos clases: modelo físico y modelo abstracto. Los primeros trata de representar a escala el ciclo hidrológico como sistema en una escala reducida, tal como un modelo hidráulico del vertedero de una presa. Y el modelo abstracto representa al ciclo hidrológico como sistema en forma matemática. La operación del sistema se describe por medio de un conjunto de ecuaciones que relacionan las variables de entrada y de salida, este modelo es la que se usa mayormente en la hidrología. En la práctica, la importancia del modelo matemático reside en que conociendo las entradas y estudiando la operación del sistema es posible predecir su salida. Las variables pueden ser funciones del espacio y del tiempo, y también pueden ser variables probabilísticas o aleatorios que no tienen un valor fijo en un punto particular del espacio y del tiempo, pero que están descritas a través de distribuciones de probabilidad, por ejemplo más aun tratándose de la lluvia como entrada que es un fenómeno altamente aleatorio.
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