AVENIDAS MAXIMAS
ESCURRIMIENTOS EN CUENCAS AFORADAS
Se define como avenida máxima al máximo caudal que se puede presentar a la salida de una cuenca y siempre será consecuencia de una una lluvi lluvia a máxima máxima.. Se defin define e como como lluvi lluvia a máx máxima a la may mayor altur ltura a de agua gua que meteorológicamente puede darse durante un tiem tiempo po dado dado y en un peri period odo o de tie tiempo mpo prefijado. A este periodo de tiempo prefijado se le denomina periodo de retorno (T) que se define como el promedio de años que a de transcurrir transcurrir para que se presente una sola ve! la lluvia máxima. "scila entre # y #$$ años% cumpli&ndose que cuanto mayor es el periodo de retorno% mayor es la altura de agua de la lluvia máxima. 'efinición de cuenca s una superficie tal que el agua de precipitación que cae sore cualquier punto de la misma circula acia el cauce considerado. *os l+mites son las divisorias de aguas y se representan representan por l+neas de cota. l conc concep epto to de cuen cuenca ca supe superf rfic icia iall no es el mism mismo o que que de cuen cuenca ca sut suter errá ráne nea% a% y las las divisorias no coinciden.
ESCURRIMIENTO AFORADAS
EN
CUENCAS CAS
NO
ntendemos que una cuenca no aforada es aque aquella lla que que no a sido sido medid medida a calcu calcula lada% da% marcada o investigado con una precisión el caudal y como ende su escurrimiento de esta misma% como tal ay m&todos emp+ricos para allar el escurrimiento neto que se mencionara adelante.
*a estimaci estimación ón del escurri escurrimien miento to superfi superficial cial por por m&to m&todo dos s indi indire rect ctos os impl implic ica a el uso uso de mode modelo los s asa asado dos s en las las cara caract cter er+s +sti tica cas s f+sicas f+sicas de la cuenca cuenca (roca% (roca% suelos% suelos% relieve% relieve% coertura vegetal). *as caracter+sticas f+sicas determin determinan an la la tasa tasa y tipo tipo de ocurren ocurrencia cia de procesos idrológicos. l escurrimiento resultante de cualquier lluvia% depe depend nde e de la dist distri ri ució ución n en tiem tiempo po y espa espac cio de &sta &sta.. Si la prec precip ipit itac ació ión n se conc concen entr tra a en la part parte e aja aja de la cuen cuenca ca%% producirá caudales mayores% que los que se tend tendr+ r+an an si tuvi tuvier era a luga lugarr en la part parte e alta alta%% donde el efecto regulador de los caudales% y el retardo en la concentración% concentración% se manifiestan manifiestan en una una dismin disminuc ución ión del del cauda caudall máximo máximo de descarga.
Dirección y velocidad de la tormenta *a dirección y velocidad con que se despla!a la tormenta% respecto a la dirección general del escurrimiento% en el sistema idrográfico de la cuenca% tiene una influencia notale en el caudal máximo resultante y en la duración del escurrimiento superficial. n general% las tormentas que se mueven en el sentido de la corrient corriente% e% produce producen n caudale caudales s de descarg descarga a mayores% que las que se despla!an acia la parte alta de la cuenca.
Otras condiciones meteorolóicas Aunque la lluvia es el factor más importante importante que que afecta afecta y dete determi rmina na la magnit magnitud ud de un escu escurr rrim imie ient nto% o% no es el ,nic ,nico o que que dee ee
considerarse. xisten condiciones meteorológicas generales que influyen% aunque de una manera indirecta en el escurrimiento superficial% como es el caso de la temperatura% la velocidad del viento% la umedad relativa% la presión arom&trica% etc.
Forma de medición -os dice que existen diversos m&todos para estimar la avenida máxima que puede producirse en una cuenca. *a mayor+a de ellos son poco precisos ya que no tienen en cuenta los parámetro relevantes como el clima% la pendiente% la forma de la cuenca% etc. una de las ecuaciones propuestas son por 'icens en /012 y 3naguillet 4n5 1.2(s)678 25 4 n
5
5
(s )
+√ s
*a primera es la fórmula de 'icens y la segunda 3naguillet 'onde 4m9 caudal máximo a la salida de la cuenca como consecuencia de una lluvia máxima (m67s) S9 Superficie de la cuenca (:m;) 5 coeficientes de ajuste adimensional.
e et al a desarrollado una ecuación% pero este m&todo no es valido para precipitaciones anuales superiores a /.#$$mm inferiores a #$$mm.
√
Q u=3.9∗S∗ I I ∗ K ∗
4
J S
'onde 4u9 caudal máximo a la salida de la cuenca como consecuencia de una lluvia máxima (C7s) S9 superficie de la cuenta (a)D C C9 intensidad de la lluvia máxima en / ora (mm7)D :9 coeficiente de escorrent+a (adimensional)D E9 pendiente media de la cuenca (F)
Qu=1.33∗S∗ I 0.33∗ K
√ 4
J S
'onde las literales tienen el significado que en la formula anterior.
mismo
Sirve para •
studiar aportaciones de agua
• • • •
Gomponente escorrent+a Gomponente agua suterránea >elacionar lluvia=caudal 'educir avenidas máximas caudales m+nimos
Flotadores"
y
Se mide la velocidad en superficie (Ks) como cociente entre el espacio recorrido por un cuerpo flotante y el tiempo45 Km A (A 5 sección transv. r+o) Km 5 G Ks (G 5 $.0 a /.$)
Aforo9 ?edida del caudal en un r+o ?&todos9
MEDICI!N INDIRECTA
?edición directa • • •
?olinetes Hlotadores Tra!adores
l caudal en una sección dada depende de9 • •
?edición indirecta9 •
*imn+grafos
MEDICI!N DIRECTA Gonsiste en medir la velocidad del agua y otener el caudal como producto de velocidad por superficie.
•
-ivel del agua ()
Molinetes" Son pequeños molinos (normalmente tipo tornillo de Arqu+medes) que se ponen en rotación al ser sumergidos en una corriente. *a velocidad se puede poner en función de las rpm. (n) del molinete Cntroduciendo el molinete en diversos puntos se otiene el perfil de velocidades% del que es fácil deducir el caudal por integración
Tra#adores" Gonsisten en introducir un tra!ador (uranina% rodamina% I6J) ?edir su concentración aguas aajo y% de ello% deducir el caudal.
$imnora%os *os principales tipos de limn+grafos son los de %lotador y los ne&m'ticos o de (resión. *os limn+grafos de consisten %lotador ásicamente en un flotador que sue o aja seg,n las oscilaciones del nivel del agua y
que por medio de un contrapeso y una polea mueve un lápi! o una plumilla de tinta que marca las variaciones en el limnigrama. n los limn+grafos ne&m'ticos el lápi! se mueve por la presión o carga de agua sore un sensor de presión que se coloca en el fondo del r+o% comunicando con el detector de presiones por un tuo de pequeño diámetro% flexile y resistente. Sin duda% los limn+grafos de mayor inter&s son los de presión% equipados con un transductor de presiones y sistema de almacenamiento de datos en un data logger% o ien la transmisión de datos en tiempo real mediante un equipo emisor. l elevado coste de este sistema ace que los limn+grafos de flotador sigan siendo muy utili!ados.
Iidrograma simple9 es el producido por un solo evento de precipitación
Iidrograma avenidas
complejo9
contiene
diversas
A partir de ella% asta con medir la altura para determinar el caudal% o lo que es lo mismo% asta con determinar la variación de la altura del agua con el tiempo% para otener la variación de los caudales con el tiempo.
$imnirama Se otiene a partir del limnigrafo (instrumento de registro)% que deduce el nivel del limn+metro (Cnstr. 'e medida) A partir del limnigrama% es fácil deducir el idrograma. (*a función 4 5 f ()) suele calirarse con mediciones directas.
*a forma del idrograma depende de9 •
•
•
•
Kariailidad espacial y temporal de la lluvia Horma de la cuenca (T. de concentración) Garacter+sticas superficiales del terreno Tipos y formas de cultivo (terra!as% ancales)
•
stado inicial de la cuenca
l escurrimiento superficial está afectado por dos factores q son9 Hactores meteorológicos
@no de los ojetivos del estudio de una cuenca es la9 • •
• • •
a.= xceso de precipitación.= el exceso de precipitación se de fine como el escurrimiento y el mismo es otro componente del ciclo idrológico .= >etención especifica.= se define como la cantidad de agua retenida contra la gravedad Su valor es complementario al de la porosidad drenale y como tal por la fuer!a de retención de los pequeños poros cuando la tala de agua es deprimida es a dimensional c.= 'eficiencia de umedad del suelo.= d.= alance +drico.= n idrolog+a relación entre la evaporación% las precipitaciones% la escorrent+a y el almacenamiento superficial y suterráneo en una estación de aforo concreta y en un tiempo determinado. 6.= xplicar ajo qu& condiciones podemos esperar que se produ!ca un escurrimiento superficial
Hactores fisiográficos
)*+ Factores meteorolóicos Horma y tipo de la precipitación.= *a manera como se origina la precipitación y la forma que adopta la misma tiene una gran influencia en la distriución de los escurrimientos de la cuenca Cntensidad de precipitación.= Guando la intensidad de lluvia excede a la capacidad de infiltración del suelo% se presenta el escurrimiento superficial. 'uración de la precipitación *a capacidad de infiltración del suelo disminuye durante la precipitación% por lo que puede darse el caso% que tormentas con intensidad de lluvia relativamente aja% produ!can un escurrimiento superficial considerale% si su duración es extensa. n algunos casos% particularmente en las !onas ajas de la cuenca% para lluvias de muca duración el nivel freático puede asciende asta la superficie del suelo% llegando a nulificar la infiltración% aumentado por lo tanto% la magnitud del escurrimiento. Se a oservado% que los caudales que se presentan en la descarga de una cuenca% son máximos cuando el tiempo que tardan en concentrarse (tiempo de concentración)% es similar a la duración de la tormenta que los origina.
capacidad de infiltración del suelo disminuye durante la precipitación% por lo que puede darse el caso% que tormentas con intensidad de lluvia relativamente aja% produ!can un escurrimiento superficial considerale% si su duración es extensa. n algunos casos% particularmente en las !onas ajas de la cuenca% para lluvias de muca duración el nivel freático puede ascender asta la superficie del suelo% llegando a nulificar la infiltración% aumentado por lo tanto% la magnitud del escurrimiento. Se a oservado% que los caudales que se presentan en la descarga de una cuenca% son máximos cuando el tiempo que tardan en concentrarse (tiempo de concentración)% es similar a la duración de la tormenta que los origina. l proceso precipitación=escurrimiento en !onas uranas% presenta caracter+sticas muy peculiares% descriiendo a continuación las fases más relevantes.
8. Al ocurrir el escurrimiento superficial se presentan varios procesos simultáneos9 L l agua se infiltra con una velocidad variale (depende del grado de saturación del terreno% intensidad de la lluvia y volumen de agua almacenado sore la superficie). L *as depresiones más grandes del terreno contin,an llenándose. L Se produce el escurrimiento en el cual los tirantes y las velocidades var+an en forma continua y son goernados por las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento. ste proceso es alimentado por la lluvia efectiva.
#. l agua que llega a las cunetas se acumula en ellas% asta que se forma un tirante suficiente y escurre acia las coladeras.
/. *a lluvia es interceptada parcialmente por la vegetación% principalmente por las ramas de los ároles% antes de llegar al suelo.
1. l agua que llega a las coladeras ingresa al sistema de drenaje.
;. Al llegar la lluvia la suelo se presentan dos fenómenos simultáneos9
M. l escurrimiento en los colectores de drenaje está goernado por las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento.
L *a lluvia se infiltra en el terreno. L Gomien!a a mojarse la superficie% llenando las depresiones. 6. *os procesos anteriores contin,an asta formarse un tirante suficiente que rompa la tensión superficial. ste eco sucede cuando la intensidad de la lluvia es mayor que la capacidad de infiltración del terreno. Se inicia el escurrimiento superficial.
L Cnicialmente el escurrimiento esa superficie lire. L 'espu&s% cuando la capacidad de los conductores no es suficiente% el agua escurre a presión y en ocasiones puede derramarse.
•
•
xceso de precipitación.= el exceso de precipitación se de fine como el escurrimiento y el mismo es otro componente del ciclo idrológico. >etención especifica.= se define como la cantidad de agua retenida contra la gravedad por la fuer!a de retención de los pequeños poros cuando la tala de agua es deprimida.
Su valor es complementario al de la porosidad drenaje y como tal es adimensional
METODO DE ,UM-E$ l Nvalor máximoO que se quiere determinar para un determinado per+odo de retorno se determina por medio de la expresión9 x 5 xm P ' x 5 xm P Q s n=/ x9 valor máximo (caudal o precipitación) para un per+odo de retorno T. xm9 media de la serie dada de valores máximos ' x9 desviación respecto a la media% que se estima mediante el producto9 Q s n=/ 'onde9 9 factor de frecuencia% que indica el n,mero de veces de desviación t+pica en que el valor extremo considerado excede a la media de la serie. s n=/ 9 desviación estándar% desviación t+pica de los valores extremos. l valor de la variale NO se estima a partir del conocimiento del per+odo de retorno en años y del n,mero de años disponiles en la serie. As+9 5 (yT R yn)7Sn yT 9 variale de 3umel para el per+odo de
METODOS ESTADISTICOS >etorno T. Se determina a partir del valor del >etorno. l valor se puede otener de la tala adjunta. yT 5 =lnln (T7T=/) yn9 valor que se otiene a partir del n,mero de años de la serie% mediante talas Sn9 valor que se otiene a partir del n,mero de años de la serie% mediante talas
METODO DE NAS. -as considera que el valor del caudal para un determinado per+odo de retorno se puede calcular con la ecuación9
Hinalmente% el valor de cada Xi se otiene sustituyendo el valor de (1.61) en (1.6#). *os parámetros a y b se estiman utili!ando el m&todo de m+nimos cuadrados% con la ecuación lineal9 Q 5 a P bX % utili!ando las siguientes ecuaciones.
l intervalo dentro del cual puede variar el Qmáx calculado por la ecuación (1.6;)% se otiene como9
VOLÚMENES DE PÉRDIDAS
L n la idrolog+a urana se acostumra denominar p&rdidas a la parte del volumen precipitado que no escurre por la superficie de la cuenca y sus componentes son9 a. Cntercepción. . Almacenamiento en depresiones.
c. Cnfiltración. L n la práctica los componentes de las p&rdidas son dif+ciles de separar y para efectos del cálculo del escurrimiento en prolemas de drenaje urano% se estiman en forma conjunta y se llama infiltración a la p&rdida total. •
'eficiencia de umedad del suelo.
alance +drico. n idrolog+a relación entre la evaporación% las precipitaciones% la
escorrent+a y el almacenamiento superficial y suterráneo en una estación de aforo concreta y en un tiempo determinado.
USO CONSUNTIVO / NO CONSUNTIVO DE$ A,UA
USO CONSUNTIVO
s el uso del agua que no se devuelve en forma inmediata al ciclo del agua.
USO NO CONSUNTIVO.
ESCURRIMIENTO EN CUENCAS NO AFORADAS
l cálculo del caudal que produce una cuenca sin aforar su cauce principal puede ser otenido mediante la estimación de la cantidad de agua que penetra la superficie (fenómeno de astracción) o la cantidad de l+quido que se llega a escurrir ante la presencia de un evento lluvioso. s decir% las oscilaciones manifestadas en el alance +drico tienen incidencia directa sore el r&gimen idrológico de los escurrimientos superficiales. -o ostante% la evidente correspondencia que vincula la precipitación con el caudal% está determinada tanto por las condiciones f+sicas de la cuenca como por el carácter de las lluvias. n ese sentido% los análisis de correlaciones entre amas variales resultan muy ,tiles para estalecer el grado y tipo de relación entre amos parámetros. l ojetivo de este traajo es anali!ar el comportamiento de algunas variales idrológicasD y la relación entre el excedente de agua y el caudal escurrido. Se utili!ó el m&todo de Torntaite y ?ater.
METODOS EM0IRICOS / CRITERIOS Anali!aremos tres m&todos para cuantificar el flujo producido por el escurrimiento de una tormenta. n primer lugar se otienen graficas con las variaciones de Gaudal vs. Tiempo aplicando el m&todo idrograma unitario sint&tico desarrollado por la SoilGonservationService de los stados @nidos pero antes se calcula el volumen de agua por medio del método deabstracciones. n segundo lugar se estima el caudal de escorrent+a directa por el m1todo racional
utili!ando los valores t+picos de coeficiente de escorrent+a.
c
( P −.2 S) P + .8 SP
2
e=
2
U por ultimo con el m1todo de Ven Te C2o3se calcula el caudal que produce una precipitación de diseño de /0#%#$ mm con un periodo de retorno de 2 años.
donde9 Ge5coeficiente de escurrimiento (adimensional). < 5 altura de la precipitación (mm). S 5 parámetro de ajuste% dado en las mismas unidades que < (mm).
Criterios (ara dise4o y (redicción en c&encas a%oradas
*as p&rdidas var+an con la magnitud de la tormenta y el estado de umedad del suelo al inicio de &sta% de tal forma que ni la capacidad de infiltración media ni el coeficiente de escurrimiento pueden considerarse constantes para una cuenca dada.
Criterios (ara dise4o
) Griterio utili!ado en la 3ran retaña. Seg,n este criterio% la relación es de la forma 9 C e=a ( P− P´ ) + 0
a1
donde9 Ge5 coeficiente de escurrimiento (adimensional). < 5promedio de las alturas de las lluvias máximas anuales registradas con una duración igual a la de la tormenta de diseño. a$% a/ 5parámetros que pueden ajustarse mediante la t&cnica de m+nimos cuadrados. n cualquiera de los dos casos anteriores las p&rdidas se determinan 9
P=¿ V ¿ + V ed V ¿ donde9 Kp 5volumen de p&rdidas (m6). Kll 5 volumen llovido (m6). Ked 5 volumen de escurrimiento directo (m6).
Criterios (ara (redicción n cuanto a los prolemas de predicción% la variale más importante es generalmente el estado de umedad de la cuenca en el momento que se presenta la tormenta. 'ico estado de umedad se puede caracteri!ar con el +ndice de precipitación antecedente (C
IPA j+ 1= K . IPA j+ P j donde9 C
con el del C
SUS RE$ACIONES ENTRE $A 0RECI0ITACION / E$ ESCURRIMIENTO l escurrimiento se define como el agua proveniente de la precipitación que fluye sore la superficie del terreno natural% y que conforme pasa el tiempo% se integra a las corrientes para ser conducida acia r+os% lagos y en la mayor+a de las ocasiones asta el mar. Se llama precipitación a aquellos procesos mediante los cuales el agua cae de la atmósfera a la superficie de la tierra% en forma de lluvia (precipitación pluvial)% nieve o grani!o. n nuestro pa+s% la primera es la que genera aquellos escurrimientos superficiales que interesa controlar para fines de este ?anual. *a magnitud de los escurrimientos superficiales está ligada proporcionalmente a la magnitud de la precipitación pluvial.
*a medición de la precipitación se a llevado a cao% principalmente% con aparatos climatológicos conocidos como pluviómetros y pluviógrafos. Amos se asan en la medición de una lámina de lluvia (mm)% la cual se interpreta como la altura del nivel del agua que se acumular+a sore el terreno sin infiltrarse o evaporarse sore un área unitaria. *a diferencia entre los dispositivos de medición consiste que el primero mide la precipitación acumulada entre un cierto intervalo de tiempo de lectura (usualmente de ;8 )% y el segundo registra en una gráfica (pluviograma) la altura de lluvia acumulada de acuerdo al tiempo% esto ,ltimo resulta más ,til para el ingeniero encargado de diseñar las oras de drenaje. Gon esto podemos acer diseños o planeaciones de ciertas oras idráulicas se requiere de estimaciones de eventos futuros% ya sea extremos% como los gastos máximos o m+nimos en un cauce% la precipitación máxima en un intervalo de tiempo% etc.D o acumulados en un intervalo de tiempo% como la precipitación anual% los vol,menes de escurrimiento anuales% etc. 'icas estimaciones de un evento futuro son ,tiles para determinar por ejemplo9 la capacidad de almacenamiento de una presa% el dimensionamiento de un vertedor% la magnitud de una sequ+a% el diseño de un sistema de alcantarillado% etc.
cantidad de información.
HIDROLOGÍA SUPERFICIAL
Maestro" ING.MEDINA LUGO JOSE INES
Interantes"
T5A- CRU5 6OSE MARIA
789MA/O97:);
INTRODUCCION @na avenida es la elevación del nivel de un curso de agua significativamente mayor que el flujo medio de &ste. 'urante la crecida% el caudal de un curso de agua aumenta en tales proporciones que el leco del r+o puede resultar insuficiente para contenerlo. *os m&todos utili!ados para medir el escurrimiento en cuencas aforadas y no aforadas nos sirven demasiado ya que nos permite interpretar la correlación de los fenómenos f+sicos y umanos que se desarrollan en su ámito. *os r+os tienen gran relación con todas las formas de vida% especialmente con las actividades umanas.
-i
av. max. IC'>"3>A?AS @-CTA>C".pdf av. max. relacion <>GC>C?C-T" intranet.catie.ac.cr7intranet7posgrado7Iidro;$$17...7GapituloF;$1. .;ogeo.upc.es7'ocencia7
