Universidad del Magdalena Facultad de Ingeniería Ingeniería Hidrología 2015 - II
CONCEPTOS BÁSICOS
Hidrología: “Es
la ciencia natural que estudia el 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 ”.
(U.S. Federal Council for Science and Technology, 1962)
“Es la
ciencia que trata de los procesos que rigen el agotamiento y recuperación de los recursos de agua en las áreas continentales de la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrológico”
Organización Meteorológica Mundial
CONCEPTOS PREVIOS
Fenómeno: Es el proceso físico que produce una alteración del estado del sistema, por ejemplo la lluvia, evaporación, infiltración, etc.
Variable : Es el valor que describe cuantitativamente un fenómeno, en la hidrología están el caudal, evaporación, lluvia diaria, etc.
Parámetro: Es el valor que caracteriza el sistema, que no establece modificaciones en el tiempo, por ejemplo: n capacidad de infiltración de un suelo, área de la cuenca, etc.
CONCEPTOS PREVIOS
Fenómeno: Es el proceso físico que produce una alteración del estado del sistema, por ejemplo la lluvia, evaporación, infiltración, etc.
Variable : Es el valor que describe cuantitativamente un fenómeno, en la hidrología están el caudal, evaporación, lluvia diaria, etc.
Parámetro: Es el valor que caracteriza el sistema, que no establece modificaciones en el tiempo, por ejemplo: n capacidad de infiltración de un suelo, área de la cuenca, etc.
CONCEPTOS BÁSICOS
Ingeniería hidrológica o hidrología aplicada
Es la ciencia aplicada, que usa principios hidrológicos en la solución de problemas de ingeniería, que surgen de la necesidad de uso y explotación de los recursos hídricos, así como para la protección contra daños ocasionados por éste. Generalmente los proyectos hidráulicos son de dos tipos:
Proyectos que se refieren al uso de agua Proyectos que se refieren a la defensa contra los daños que ocasiona el agua
La hidrología aplicada moderna exige conocimientos avanzados de matemáticas, tales como la estadística, planteamientos y resoluciones analíticas del comportamiento del ciclo hidrológico que es muy complejo.
CONCEPTOS BÁSICOS
DIVISIÓN (RAMAS) DE LA HIDROLOGÍA
Hidrología Superficial: Estudia el comportamiento del agua sobre la superficie terrestre. Hidrogeología: Estudia el comportamiento de las aguas subterráneas, su yacimiento y movimiento, sus recargas y descargas de aguas en acuíferos estudio de la presencia y movimiento del agua en acuíferos.
Hidrología Estadística: Estudia los fenómenos hidrológicos como fenómenos probalisticos (eliminadas las causas), basados en datos experimentales y análisis estadísticos.
Hidrología Determinista: Es aquel que tiende a establecer relaciones cuantitativas de causa-
efecto, utilizando una relación directa para obtener una respuesta debida a un requerimiento, sea por medio de una ecuación empírica o por medio de un operador desarrollado a partir de criterios e hipótesis experimentales.
Hidrometeorología: Estudio de la transferencia de agua y energía entre las superficies de tierra
y agua y la atmósfera inferior.
Ecohidrología: Estudio de las interacciones entre los organismos vivos y el ciclo hidrológico
CONCEPTOS BÁSICOS
APLICACIÓN DE LA HIDROLOGÍA EN LA INGENIERÍA AMBIENTAL • • •
Proyectos de Explotación y Uso del Recurso hídrico
• • •
Abastecimiento de Agua Irrigación ( riego tecnificado y riego por inundación) Aprovechamiento hidroeléctrico Suministro de agua para múltiples usos Navegación Recreación
• Drenaje
Protección Contra Daños
Urbano • Control de la erosión • Encauzamiento de Ríos • Drenaje Vial
de Inundación de Sequias hidrológicas • Reglamentaciones de corrientes hídricas • Establecimiento de los objetivos de calidad para los cuerpos de agua • Hidrosedimentación (Explotación de Material de Arrastre ) • Hidrogeología • herramienta SIG • Agro - Silvo - Pastoriales • POMCAS • Riesgo
• Pronostico
Gestión de Cuencas Hidrográficas
CONCEPTOS BÁSICOS
CICLO HIDROLOGICO
Es un fenómeno global de circulación del agua entre la superficie terrestre y la atmósfera, provocado fundamentalmente por la energía solar y la energía gravitacional. Conjunto de cambios que experimenta el agua en la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido y gaseoso), como en su forma (agua superficial, agua subterránea, etc.). no es nada regular. Una muestra de ello son los periodos de sequías y de inundaciones, que ocurren.
CONCEPTOS BÁSICOS
Sistema Hidrológico
Estructura o volumen en el espacio rodeado por una frontera, que acepta agua y otras entradas, opera con ellas internamente y la produce como salidas.
A: Subsistema atmosfera B:Subsistema de agua superficial C: Subsistema de agua subsuperficial
CONCEPTOS BÁSICOS
DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL DEL AGUA EN LA TIERRA
El volumen total del agua dulce del planeta es de 35.2 miles de millones de kilómetros cúbicos (km3). Datos de Shiklomanov y Rodda, 2003
Fuente: UNESCO – The United Nations World Water Development Report 2. Sectión 2: Changing Natural Systems, Chapter 4. Part 1. Global Hydrology and Water Resources. P 121
CONCEPTOS BÁSICOS
Modelos Hidrológicos Es la conceptualización de las interrelaciones y respuestas de un sistema real y que es capaz de predecir las interacciones principales y sus respuestas a un conjunto de condiciones propuesto
Es la representación artificial del sistema
Se usan principalmente para la predicción hidrológica y para entender los procesos hidrológicos.
CONCEPTOS BÁSICOS
Clasificación: Modelos Hidrológicos
Los modelos hidrológicos pueden dividirse en dos categorías: 1. Modelos físicos y 2. modelos abstractos
1. MODELOS FÍSICOS
a. Modelos a escala
b. Modelos Análogos Son aquellos modelos en que se usa una representación material del sistema, este tipo Son aquellos que representan el sistema en una escala de modelos comprende: reducida, tal como los Que usan otro sistema físico posea propiedades modelos de una estructura de que control de una obra similares a las del prototipo. hidráulica.
CONCEPTOS BÁSICOS
ALEATORIEDAD
VARIACIÓN ESPACIAL VARIACIÓN TEMPORAL
CONCEPTOS BÁSICOS
Clasificación: Modelos Hidrológicos
2. MODELOS ABSTRACTOS - (ALEATORIEDAD) a. Modelos determinísticos Los modelos hidrológicos son representaciones conceptuales simplificadas de una parte del - Modelo basado en datos ciclo hidrológico - No consideran aleatoriedad, - Usan conceptos matemáticos y Representan el sistema en forma estadísticos para asociar una matemática (modelos determinada entrada matemáticos) - Pronósticos Ejemplo Variables en función del espacio y Entrada: precipitación del tiempo Salida: Escorrentía). variables aleatorias.
probabilísticas
o
b. Modelos Estocásticos -Modelos basados en descripciones del proceso. - Tratan de representar los procesos físicos observados en el mundo real. - Predicción Ejemplo: representaciones: - Escorrentía superficial - Flujo subsuperficial - Evapotranspiración
CONCEPTOS BÁSICOS
Clasificación: Modelos Hidrológicos
2. MODELOS ABSTRACTOS
a. Modelos determinísticos (Variación Espacial) a-1. Agregados El sistema es promediado en el espacio o considerado como un punto único sin dimensiones en el espacio.
(Variación Temporal) Flujo Permanente - FP El sistema es promediado en el espacio o considerado como un punto único sin dimensiones en el espacio.
Flujo No Permanente – FNP Considera que los procesos hidrológicos ocurren en varios puntos del espacio, y define las variables como funciones de las dimensiones espaciales.
• •
FP FNP
a - 2. Distribuidos Considera que los procesos hidrológicos ocurren en varios puntos del espacio, y define las variables como funciones de las dimensiones espaciales.
(Variación Temporal)
• •
FP FNP
CONCEPTOS BÁSICOS
Clasificación: Modelos Hidrológicos
2. MODELOS ABSTRACTOS
b. Modelos Estocásticos (Variación Espacial) b-1. Independientes en el espacio El sistema es promediado en el espacio o considerado como un punto único sin dimensiones en el espacio.
(Variación Temporal)
Considera que los procesos hidrológicos ocurren en varios puntos del espacio, y define las variables como funciones de las dimensiones espaciales.
DET CET
(Variación Temporal)
Dependientes en el Tiempo - DET • •
Correlacionados en el Tiempo – CET
b-2. Correlacionados en el espacio
• •
DET CET
CONCEPTOS BÁSICOS
ECUACIÓN BALANCE HIDRICO - BH
En todo ciclo cerrado, el principio fundamental indica que la masa no se destruye ni se crea, tal es el caso en el ciclo hidrológico, de esto se tiene la ecuación de balance hídrico (Campos Aranda, 1988; Shaw, 1983)
ENTRADAS – SALIDAS = CAMBIO EN ALMACENAMIENTO En la mayoría de los casos, los términos en ella no pueden ser ni adecuada ni muy fácilmente cuantificados.
CONCEPTOS BÁSICOS
ECUACIÓN BALANCE HIDRICO - BH
Ecuación de Balance hídrico sobre el terreno + 1 − 2 + + − − = ∆
Ecuación de Balance hídrico bajo el terreno + 1 − 2 + + − = ∆
Donde: : ó
E: Evaporación T: Transpiración R: Escurrimiento superficial I : ó G: S : Subíndices s, g denotan componentes de la ecuación generados en la superficie del terreno y en su interior.
CONCEPTOS BÁSICOS
Finalmente, para toda la cuenca, el balance hídrico general sería: − (2 − 1 ) − ( + ) − ( − ) − (2 −1 ) = ∆( + ) − − − − = ∆
CONCEPTOS BÁSICOS
Ejercicio: Durante un año determinado, una cuenca de 25 Km recibe 900 mm. de precipitación, el escurrimiento anual aforado en el río que drena la cuenca fue de 5361 millones de m ²
³
Hacer una estimación aproximada de las cantidades conjuntas de agua evaporada y transpirada por la cuenca durante el año.
Solución: Suposiciones: La divisoria topográfica y de aguas subterráneas son coincidentes, entonces G=0 Se supone S=0, lo que implica que el volumen de agua subterránea no cambia con el tiempo, El escurrimiento superficial se trasformará en lámina de agua en mm/año, de donde se tiene: − − − − = ∆
