Clases de Hidrología General_Semana 06_FICA_UNHEVAL

CLASES S06 - CICLO 2015.1 Curso:

HIDROLOGÍA GENERAL

Código:

4105

Condición:

OBLIGATORIO

Pre - requisitos:

ESTADISTICA Y MECANICA DE FLUIDOS II

Responsable de cátedra :

C. M Sc. en Ingeniería Hidráulica Hidráulica UNI Lima - Perú –

–

Huánu co . Mayo del 2015 1/50

Curso: HIDR OL OGÍA GENER A L – CICLO 2015 - 1

Escorrentía-Infiltración OBJETIVOS   

s o v i t e j b O

Conocer los procesos de escorrentía e infiltración Entender que factores regulan estos procesos Comprender las bases físicas de la permeabilidad del suelo

ESQUEMA DE CONTENIDOS:      

Generalidades Distribución de la precipitación en el suelo Parámetros característicos de la infiltración Métodos de medición de la capacidad de infiltración Factores que intervienen en la capacidad de infiltración Ecuación de la Curva de Capacidad de Infiltración contra el Tiempo

Fuente: HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA Máximo Villón Béjar, 3era.Edic. Abril, 2005,Lima-Perú –


Escorrentía-Infiltración CONCEPTO DE ESCORRENTÍA 

s o t p e c n o C



Se define como la lámina de agua que circula en una cuenca de drenaje, medida en mm. de altura de agua de lluvia escurrida y extendida dependiendo de la pendiente del terreno. La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una cuenca y el que escurre por su salida están constituidas por la intercepción en el follaje de las plantas y en los techos de las construcciones, depósitos artificiales sobre suelo natural o recubiertos, la retención en las depresiones o charcos (que posteriormente se evaporan o se infiltra parcial o totalmente), la evaporación y la infiltración a nivel de cuenca.



Escorrentía-Infiltración CONCEPTO DE INFILTRACIÓN Y VELOCIDAD O TASA DE INFILTRACIÓN 

s o t p e c n o C





Se define como la cantidad de agua en movimiento que atraviesa verticalmente la superficie del suelo producto de la acción de las fuerzas gravitacionales y capilares, ésta cantidad de agua quedará retenida en el suelo o alcanzará el nivel freático del acuífero incrementando el volumen de este Se distingue del proceso de percolación porque éste último es el movimiento hacia abajo de agua desde o a través de la zona no saturada hasta el nivel freático o zona saturada. Entre los factores más importantes que afectan la velocidad y la tasa de infiltración son: - Características físicas de la textura del suelo - Carga hidráulica o lámina sobre la superficie del suelo - Contenido de materia orgánica y carbonatos en el suelo Fuente: HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA Máximo Villón Béjar, 3era.Edic. Abril, 2005,Lima-Perú –


Escorrentía-Infiltración CONCEPTO DE INFILTRACIÓN Y VELOCIDAD O TASA DE INFILTRACIÓN..

s o t p e c n o C

- Contenido de humedad del suelo (inicial y saturación) - Grado de uniformidad en el perfil del suelo - Acción microbiana en el suelo - Temperatura del suelo y del agua - Cobertura vegetal - Uso del suelo - Cantidad atrapado de aire atrapado en el suelo - Lavado del material fino - Compactación



Escorrentía-Infiltración

s o t p e c n o C

DISTRIBUCIÓN DEL AGUA DE PRECIPITACIÓN EN EL SUELO



s o t p e c n o C



s o t p e c n o C

PERFIL EDÁFICO DEL SUELO



s o t p e c n o C

ESQUEMA REPRESENTATIVO DE LOS MECANISMOS DE GENERACIÓN DE INFILTRACIÓN



s o t p e c n o C

ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL FRENTE DE HUMEDAD DURANTE LA INFILTRACIÓN



s o t p e c n o C

ESQUEMAS DE LAS DIFERENTES ZONAS Y FLUJOS QUE APARECEN EN EL TERRENO



s o t p e c n o C

TIEMPOS ESTIMADOS DEL MOVIMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS


Escorrentía-Infiltración Uno de los objetivos principales de la Hidrología Superficial es calcular la escorrentía se va a generar si se produce una precipitación determinada (calcular el hidrograma que va a generar un hietograma). El tema es muy complejo y se plantean actuaciones diversas. Un evento concreto o continuo: A veces estudiamos qué caudales generará cierta precipitación, o bien queremos conocer el proceso de un modo continuo, por ejemplo, el funcionamiento de la cuenca a los largo de un año. Precipitaciones reales o supuestas: Podemos desear calcular los caudales generados por precipitaciones reales o bien trabajamos con una tormenta de diseño, para calcular el hidrograma de diseño. Si se va a construir una obra (canal, presa….) debe hacerse sobre caudales teóricos que calculamos que se producirán por precipitaciones teóricas que se producirán una vez cada 5, 10, 25, 50, 100, 500, 1000 … años, dependiendo de la categoría de Obra Hidráulica (A,B,C,D). 

s e n o i c a c i l p A



Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)


Escorrentía-Infiltración En el estudio de una cuenca real con datos reales es necesario utilizar un modelo en ordenador, en el que se introducen las características físicas de la cuenca. En otras ocasiones es posible abordar el problema manualmente. 


Separación de la lluvia neta: Calcular que parte de la precipitación caída va a generar escorrentía superficial



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Cálculo de la escorrentía producida por esa precipitación neta. Existen diversos métodos: Método racional, Hidrogramas sintéticos, Hidrograma Unitario, etc. El hidrograma calculado se suma al caudal base, si existía previamente Cálculo de la variación del hidrograma calculado en el paso anterior a medida que circula lo largo del cauce; esto se denomina “Tránsito del hidrograma” Opcionalmente, y teniendo en cuenta la geometría del cauce en una zona concreta, calcular la altura que alcanzará el agua y, por tanto, las áreas que quedarán inundadas cuando el hidrograma calculado en los pasos anteriores pase por allí. Se pueden realizar cálculos aproximados de la sección inundable, pero para un cálculo fiable es necesario utilizar el programas HEC-RAS.



Escorrentía-Infiltración PROCEDIMIENTO GENERAL 1. Hietograma


Para precipitaciones reales se obtiene de un pluviógrafo, aunque estos cálculos no suelen realizarse con una precipitación que ya sucedió , sino con intensidades de precipitación calculadas estadísticamente (“precipitaciones de diseño”). Su distribución en el tiempo (la forma del hietograma) puede calcularse o puede estar catalogada previamente dependiendo de la zona geográfica.

2. Separación de la Precipitación neta El cálculo de que parte de la precipitación va a generar escorrentía puede realizarse para cada incremento de tiempo (por ejemplo: hora a hora o de 5 en 5 minutos como se indica en el esquema adjunto mostrado), o también para todo el evento en forma conjunta (Por ejemplo: Cuando se usa el método del Ex -Servicio de Conservación de Suelos del los EE.UU (SCS: Soil Conservation Service) actual Servicio de Conservación de los Recursos Naturales-SCRN del USDA, o simplemente aplicando un coeficiente de escorrentía calculado o estimado. Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)







Fuente: GOULART, et al 1992


Escorrentía-Infiltración PROCEDIMIENTO GENERAL.. 3. Hidrograma En esta fase se calcula el Hidrograma generado por la precipitación neta (Método Racional, Hidrogramas sintéticos, Hidrograma unitario)


Al hidrograma se le añade el caudal básico si existía previamente



Escorrentía-Infiltración PROCEDIMIENTO GENERAL.. 3. Hidrograma




Escorrentía-Infiltración PROCEDIMIENTO GENERAL.. 3. Hidrograma




Escorrentía-Infiltración PROCEDIMIENTO GENERAL.. 4. Tránsito de la avenida: Retardo y Atenuación


Si el hidrograma calculado aún debe recorrer cierta distancia hasta llegar a la zona de interés, debemos calcular el tránsito de la avenida: retardo y atenuación – disminución del caudal punta (por ejemplo: Método de Muskingum)



Escorrentía-Infiltración PROCEDIMIENTO GENERAL.. 5. Cálculo de la sección y de las áreas inundables


El hidrograma calculado (y, transitado) provocará una altura de inundación que dependerá de la geometría del cauce (y de sus áreas colindantes), de la pendiente, del tipo de cauce, etc. , cuyo comportamiento podemos simular usando el programa Hec-RAS en cauces con pendientes menores a 6%, o aproximaciones del comportamiento del flujo usando la fórmula de Manning.


Escorrentía-Infiltración DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO


La lluvia que cae se consume totalmente en los siguientes eventos: a) Intercepción b) Detención Superficial c) Humedad del Suelo c.1) Zona Saturada c.2) Zona No Saturada c.2.1.) Humedad higroscópica c.2.2) Humedad capilar c.2.3) Humedad Gravitacional

Índices para determinar el contenido de humedad del suelo - Coeficiente higroscópico: Es la humedad máxima que una muestra, inicialmente seca, absorbe cuando se pone en contacto con una atmósfera al 50% de humedad relativa y a 25 C. Punto de Marchitez : Es el contenido de humedad por el cual se presenta marchitez permanente de las plantas; depende del tipo de plantas, de su edad y sistema de raíces, del clima, del volumen del suelo, etc. Capacidad de Campo: Es la cantidad de agua que un suelo saturado puede retener después de ser centrifugado con una fuerza de 1,000 g; también es la cantidad máxima de agua que puede ser retenida por el suelo en contra de la acción de las fuerzas de gravedad °

-

-



s e n o i c a c i l p A MECANISMOS DE RETENCIÓN DEL AGUA POR PARTE DEL SUELO




Se puede observar en esquema adjunto, movimiento del agua medida que transcurre tiempo

el el a el

MECANISMOS DE RETENCIÓN DEL AGUA POR PARTE DEL SUELO


Escorrentía-Infiltración TIPOS DE HUMEDAD DEL SUELO E ÍNDICES RESPECTIVOS Cuando el contenido de humedad del suelo es menor que la capacidad de campo, la diferencia entre esos dos valores es la deficiencia de humedad del suelo o déficit de humedad, que representa el agua que el suelo tomará del total que se infiltre en cada lluvia, antes de que aparezcan las otras componentes.


Suelo saturado, humedad = 100% Capacidad de campo Punto de Marchitez Coeficiente Higroscópico Suelo reseco, humedad

ESQUEMA REPRESENTATIVO DE TIPOS DE HUMEDAD E ÍNDICE RESPECTIVOS


Escorrentía-Infiltración DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.. d) e) f) g)


Precipitación directa sobre la corriente de agua que sirve de drenaje al área considerada Agua Subterránea Flujo Sub-superficial Escorrentía Superficial

Esc.Superf .Total  Esc.Superf .directa  FlujoSubSuperf .





Escorrentía-Infiltración MODELADO DE UNA CUENCA




s o v i t a c l p x E s o l e d o M

Tal como se ha mostrado en los esquemas la formación de la infiltración está asociada a la generación de Escorrentía Directa. Hay dos modelos explicativos de generación de la escorrentía y que están asociados al proceso de infiltración: Modelo de Horton y Modelo de Dunne.

Modelo de Horton Cuando existe saturación en la superficie del terreno, es decir cuando el terreno se encharca, porque la intensidad de la precipitación es superior a la capacidad de infiltración del terreno, se acumulará el agua en el mismo y se producirá Escorrentía Directa. La capacidad de infiltración del terreno está relacionada con la permeabilidad del mismo a través de la Ecuación de Darcy, originalmente desarrollada para suelos saturados. 2 1

I r



K . grad h



[ L T ] 

Donde K es la permeabilidad del terreno y h el nivel piezométrico h



z 

P 

Siendo z la profundidad o cota geométrica y P/ ɣ

la altura de presiones. Si suponemos que el suelo no está sometido a un gradiente de presiones (suelo a presión atmosférica) y que la infiltración se produce por gravedad, el gradiente del nivel piezométrico coincide con el gradiente de la cota geométrica


Escorrentía-Infiltración Modelo de Horton..

grad h




h  z



dz

 1

dz

En consecuencia

I r



K

En los instantes iniciales se satura la capa más superficial del suelo edáfico, por lo que si la intensidad de precípitación es superior a la Ksat se formará Escorrentía Directa (I>K sat )ya que el suelo no tiene la capacidad suficiente para “absorver ” ese caudal o intensidad.


Escorrentía-Infiltración Modelo de Dunne


Dunne (1978), explica que la generación de escorrentía Directa cuando el nivel freático es somero por la existencia de materiales poco permeables cerca de la superficie, o por encontrarnos cerca de los cauces de los ríos. En este caso la infiltración conduce a que la saturación se produzca desde dichos niveles freáticos desplazándose y alcanzando la superficie. En ese instante toda la precipitación se convierte en Escorrentía Directa.


Escorrentía-Infiltración Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración 




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El concepto de capacidad de Infiltración es aplicado al estudio de la infiltración para diferenciar el potencial que el suelo tiene de absorber agua a través de su superficie, en términos de lámina de tiempo, de la tasa real de infiltración que se produce cuando hay disponibilidad de agua para penetrar en el suelo. Una curva de tasas reales de infiltración, solamente coincide con la curva de las capacidades de infiltración de un suelo cuando el aporte superficial de agua, proveniente de la precipitación y de escurrimientos superficiales de otras áreas, tiene una intensidad superior o igual a la capacidad de infiltración Cuando cesa la infiltración, parte del agua en el interior del suelo se propaga a las capas más profundas y una parte es transferida a la atmósfera por evaporación directa o por evapotranspiración. Ese proceso hace que el suelo vaya recuperando su capacidad de infiltración, tendiendo a un límite superior a medida que las capas superiores del suelo van perdiendo humedad Si la precipitación presenta una intensidad menor a la capacidad de infiltración, toda el agua penetra el suelo, provocando una progresiva disminución de su capacidad de infiltración, ya que el suelo se está humedeciendo. Si la precipitación continua, puede ocurrir, dependiendo de su intensidad, un momento en que la capacidad de infiltración disminuye tanto que su intensidad se iguala a la de la precipitación. A partir de ese momento, manteniéndose la precipitación, la infiltración real iguala a la capacidad de infiltración, que pasa a decrecer exponencialmente en el tiempo tendiendo a un valor mínimo. La parte no infiltrada de la precipitación escurre superficialmente hacia área más bajas, pudiendo infiltrar nuevamente si hubiera condiciones.


Escorrentía-Infiltración Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración..

s o v i t a c l p x E s o l e d o M CURVAS DE CAPACIDAD Y TASAS DE INFILTRACIÓN


Escorrentía-Infiltración Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración

…






Cuando termina la precipitación y no hay más aporte superficial la tasa de infiltración real se hace cero rápidamente y la capacidad de infiltración vuelve a crecer, porque el suelo continúa perdiendo humedad hacia las capas más profundas, además de las pérdidas por evapotranspiración. Los valores de infiltración dependerán del espacio y del tiempo. Se muestra en la Tabla adjunta valores promedios de capacidad de infiltración para distintos tipos de suelos

Tabla de: VALORES PROMEDIOS DE INFILTRACIÓN

Tipo de Suelo

Capacidad de Infiltración (mm/h)

Arena

50

Limo Arenoso

25

Limo Arcilloso

12


Escorrentía-Infiltración Ecuaciones para el cálculo de la Infiltración puntual Existen diversas ecuaciones para estimar la infiltración. Entre ellas tenemos las de Horton, Philip y Green – Ampt, que se presentan a continuación, todas ellas desprecian la carga de una eventual lámina de agua sobre el suelo.


1) Ecuación de Horton (1939)

f  f c



( f o



f c )e



kt

Donde: t = tiempo pasado desde la saturación superficial del suelo k= constante de decaimiento, para cada curva característica de cada cuenca [ T -1 ] f= Tasa de infiltración en el tiempo t f o= Tasa de infiltración inicial (t=0) f c=Tasa mínima de infiltración (asintótica)

2) Ecuación de Philip (1957)

I  Ct 1/ 2

1/ 2

 A  Dt

 Et  ..

Donde: T es el tiempo pasado desde el inicio de la infiltración y C, A, D y E son coeficientes que dependen del medio poroso.


Escorrentía-Infiltración Ecuaciones para el cálculo de la Infiltración puntual Existen diversas ecuaciones para estimar la infiltración. Entre ellas tenemos las de Horton, Green – Ampt, y Philip que se presentan a continuación, todas ellas desprecian la carga de una eventual lámina de agua sobre el suelo.


3) Ecuación de Green-Ampt (1911)

f



K

´

 f



L

L

Donde: f= tasa de velocidad de infiltración [ LT -1 ] K´=Conductividad hidraulica saturada aparente del suelo [ LT -1 ] L = Profundidad [ L ] ϕf =

potencial capilar que paso de cero a un valor f del frente húmedo


Escorrentía-Infiltración MÉTODOS DE LA MEDICIÓN DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN


A. MÉTODOS DIRECTOS 1) Infiltrómetros 1.1) Tubos Es un tubo cilíndrico de 0.20 a 0.30 m. de diámetro y un alto de o.60 m. que se hinca en el suelo midiendo el descenso del agua, con el principal inconveniente que el agua infiltrada por el círculo del fondo, en las zonas del suelo a los lados del aparato participan también en la infiltración; dando medias superiores a la realidad

1.2) Anillos concéntricos Son dos anillos concéntricos, usándose el interior de 23 cm. De diámetro para determinar la velocidad de infiltración, mientras que el exterior de 35 cm, se inunda a las mismas profundidades, para disminuir los efectos de frontera en el anillo interior. Los anillos se insertan en el suelo a la profundidad mínima necesaria para evitar las fugas de los mismos. La medición es menor que la anterior y más concordante con la capacidad del suelo.

2) Lisímetros 3) Simuladores de lluvia





Escorrentía-Infiltración MÉTODOS DE LA MEDICIÓN DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN


B. MÉTODOS INDIRECTOS 







Se determina la capacidad de infiltración considerando una cuenca perfectamente controlada, con datos precisos de precipitación, evaporación y escorrentía, pudiéndose determinar la infiltración Los ensayos mas simples y difundidos son los que se desarrollan con los anillos concéntricos. Los datos obtenidos de campo se vuelcan en una planilla registrándose las distintas alturas de agua y los tiempos correspondientes. Los intervalos de tiempo dependen del suelo donde se hace la medición. Con los datos de altura y tiempo se obtienen los deltas de ambos. La capacidad de infiltración se obtiene haciendo el cociente entre cantidad de agua infiltrada y el intervalo de tiempo: f = Variación de altura/Variación de tiempo Se obtienen dos curvas: de lámina acumulada y al curva de capacidad de infiltración, ambas en función del tiempo




f = Variación altura / variación tiempo

CURVAS DE LÁMINA ACUMULADA Y CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN EN FUNCIÓN DEL TIEMPO









s o v i t a c l p x E s o l e d o M MEDICIÓN DE ANCHO Y PROFUNDIDAD DE LA ZONA HUMEDECIDA LUEGO DE UNA MEDICIÓN DE INFILTRACIÓN REALIZADA EN SUELO MUY SECO USANDO UN INFILTRÓMETO DE ANILLO SIMPLE (TUBO)





Escorrentía-Infiltración VALIDACIÓN DE UN ESTUDIO DE BALANCE HÍDRICO s o v i t a c l p x E s o l e d o M


Escorrentía-Infiltración FACTORES QUE INFILTRACIÓN o d a n o l a c s e o j a b a r T

INTERVIENEN

EN

LA

CAPACIDAD

DE

Existen varios factores que influyen tanto en el origen de la Infiltración como en la cantidad de agua infiltrada. Los factores que influyen en la infiltración del suelo son los siguientes 1) La Precipitación.- es un factor externo a las propiedades del terreno. La existencia dela precipitación es la causa que exista infiltración, siempre y cuando se supere un cierto umbral mínimo exigible. 2) 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 3) 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. Por otra parte, a medida que se alcanza la capacidad de retención del suelo, se admitirá menos cantidad de agua ya que existirá menos gradiente piezométrico y, en consecuencia, menos flujo de entrada.


Escorrentía-Infiltración FACTORES QUE INFILTRACIÓN..

INTERVIENEN

EN

LA

CAPACIDAD

DE

4) Las condiciones de superficie del terreno.- La permanencia estática del

o d a n o l a c s e o j a b a r T

agua en el terreno favorece la infiltración, ya que se da tiempo para que el agua se infiltre, por ello factores que evitan esa permanencia de agua en forma de detención superficial en el terreno perjudicarán a la infiltración. Así pues, la pendiente del terreno favorece el tránsito del agua caída en forma de escorrentía superficial; a mayor pendiente menor tiempo de tránsito superficial del agua y menor permanencia de agua en el terreno. Por otro lado la vegetación favorece la retención del agua, lo que aumenta el tiempo de permanencia del agua en el terreno y, en consecuencia, al infiltración. La compactación del terreno por animales o intervención humana, arado de la tierra, formación de grietas por acción de las raíces de la plantas, son otros de los factores que define las condiciones de infiltración.


Escorrentía-Infiltración FACTORES QUE INFILTRACIÓN

INTERVIENEN

EN

LA

CAPACIDAD

DE

…

5) Permeabilidad del terreno.- Es la velocidad de infiltración para un gradiente

o d a n o l a c s e o j a b a r T

unitario de carga hidráulica en un flujo saturado a través de un medio poroso. La permeabilidad puede ser afectada por otros factores como la cobertura vegetal, compactación del suelo, la infiltración de agua, etc. No depende de las condiciones de contorno, pero si principalmente del tamaño y distribución de los granos del suelo y de la temperatura del agua.

Clases de Hidrología General_Semana 06_FICA_UNHEVAL

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