Hidrología Básica

Hidrología Básica.

Última revisión: 29 de Julio de 2003

● ● ● ●

Introducción Objetivos de los estudios hidrológicos Ciclo hidrológico Estudios hidrológicos en proyectos de ingeniería

INTRODUCCIÓN Durante su vida sobre la tierra el hombre ha sido testigo, muchas veces sin entenderlo, del desarrollo del ciclo del agua en la naturaleza. La distribución de los climas, la formación de las nubes y su inestabilidad, la producción de las lluvias, la variación de los niveles de los ríos, y el almacenamiento de agua en depósitos superficiales o subterráneos son temas en cuyo estudio se ha venido profundizando a lo largo de los años, conformando una rama de la física que se conoce como Hidrología. La Hidrología en su definición más simple es la ciencia que estudia la distribución, cuantificación y utilización de los recursos hídricos que están disponibles en el globo terrestre. Estos recursos se distribuyen en la atmósfera, la superficie terrestre y las capas del suelo.

Como ha ocurrido con otras ciencias, a medida que los estudios hidrológicos se fueron desarrollando fue necesario file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/hidrobas.htm (1 de 3) [29/07/2003 08:22:21 p.m.]


dividir el tema general en una serie de tópicos especializados e interdisciplinarios que se agruparon bajo el nombre de Planeamiento de los Recursos Hidráulicos. En el planeamiento se incluyen como temas principales la Meteorología, la Hidrología Superficial y la Hidrología del Agua Subterránea. La Meteorología trata de los fenómenos que se desarrollan en la atmósfera y de la relación que existe entre los componentes del sistema solar. La Hidrología Superficial estudia la distribución de las corrientes de agua que riegan la superficie de la tierra y los almacenamientos en depósitos naturales como lagos, lagunas o ciénagas . Por último, en la Hidrología del Agua Subterránea se incluyen los estudios de los almacenamientos subterráneos, o acuíferos, en lo referente a localización, volumen, capacidad de almacenamiento y posibilidad de recarga. Los aspectos que tienen una relación muy estrecha con los anteriores en la planeación de proyectos de ingeniería son Geografía Física y Económica, Hidráulica Fluvial, Hidráulica Marítima, Hidrogeología, Geotecnia, Estadística, Teoría de Probabilidades, e Ingeniería de Sistemas. La Hidrología Básica estudia los conceptos físicos del ciclo hidrológico, los métodos de recolección de información hidrológica y los procedimientos clásicos de procesamiento de datos estadísticos. Las técnicas que permiten la utilización de los recursos hidráulicos en proyectos de Ingeniería pertenecen al campo de la Hidrología aplicada.

OBJETIVOS DE LOS ESTUDIOS HIDROLÓGICOS Los proyectos que usan el agua como componente principal se clasifican de la siguiente manera: 1. Proyectos de Suministro de Agua. Captan caudales (Q) de corrientes superficiales o de depósitos subterráneos para abastecer demandas de agua en áreas específicas. Entre estos proyectos se cuentan los de Acueductos y Alcantarillados y los de Riego y Drenaje de Campos Agrícolas. 2. Proyectos de suministro de Energía Hidráulica. Captan caudales (Q) de corrientes superficiales y aprovechan diferencias de cota (H) para entregar Energía Hidráulica a las Turbinas de las Centrales Hidroeléctricas. Las turbinas convierten la Energía Hidráulica en Energía Mecánica la cual se transmite a los Generadores; éstos transforman la Energía Mecánica en Energía Eléctrica. 3. Diseño de Obras Viales, Drenajes de Aguas Lluvias y Estructuras de Protección contra ataques de ríos. Los estudios hidrológicos analizan los regímenes de caudales medios y extremos de las corrientes de agua en los tramos de influencia de las obras viales, en las zonas que requieren de alcantarillados de aguas lluvias, y en las zonas inundables adyacentes a los cauces . Los caudales de creciente y las avalanchas que se generan por deslizamientos son las variables importantes en este tipo de proyectos. Estas variables se relacionan luego con los niveles de inundación, con las velocidades de flujo y con los procesos de socavación lateral y de fondo. 4. Proyectos de Navegación Marítima y Fluvial.. Los estudios de Hidrología en los proyectos de Navegación Marítima consisten en el análisis del file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/hidrobas.htm (2 de 3) [29/07/2003 08:22:21 p.m.]


Estado del Tiempo en mar profundo, en la plataforma continental y en los litorales. El Estado del Tiempo es una variable hidrológica que relaciona Temperatura, Humedad, Presión Atmosférica y Vientos, y es responsable de la presencia de olas en la superficie del mar. En los proyectos de Navegación Fluvial la Hidrología estudia los regímenes de caudales medios y extremos en los tramos navegables, las relaciones Caudal-Profundidad, y los volúmenes de sedimentos que se mueven como carga de fondo y en suspensión. En desarrollo de estos proyectos los estudios hidrológicos recolectan y procesan información histórica, programan y ejecutan programas de campo en topografía, batimetrías, aforos líquidos y sólidos, toma y análisis de muestras de sedimentos. Los resultados de los estudios producen información sobre los siguientes aspectos: ●

●

●

●

Características climatológicas y morfométricas de las zonas que tienen influencia sobre el área del proyecto. Selección y capacidad de la fuente que suministrará el caudal que se entregará a los beneficiarios del proyecto. Se incluyen aquí los análisis sobre necesidad de almacenamiento. Magnitud de los eventos extremos, Crecientes y Sequías, que pueden poner en peligro la estabilidad de las obras civiles, o los procesos de navegación o el suministro confiable de agua a los usuarios. Transporte de sedimentos hacia las obras de captación y almacenamiento.

CICLO HIDROLOGICO El ciclo del agua, o Ciclo Hidrológico, explica el campo de aplicación de la Hidrología y su relación con otras disciplinas como son la Meteorología, la Oceanografía, la Hidráulica, la Geotecnia, las Ciencias naturales, etc. El Ciclo comprende la circulación del agua desde los océanos hasta la atmósfera, luego a los continentes y nuevamente a los océanos.

ESTUDIOS HIDROLOGICOS EN PROYECTOS DE INGENIERÍA Los pasos que se siguen en un estudio hidrológico son los siguientes: 1. 2. 3. 4.

Localización del proyecto Recolección de información Trabajos de campo Análisis de la información

Hidrología General

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/hidrobas.htm (3 de 3) [29/07/2003 08:22:21 p.m.]

Proyectos hidráulicos

Última revisión: 29 de Julio de 2003

PROYECTOS DE SUMINISTRO DE AGUA QUE SE DESARROLLAN EN CUENCAS PEQUEÑAS En cumplimiento de los objetivos que tienen los estudios hidrológicos en proyectos de suministro de agua para acueductos, irrigación o generación hidroeléctrica se consideran los siguientes aspectos: ● ● ● ●

Clima y precipitación. Capacidad de la fuente para suministrar la demanda. Magnitud y frecuencia de las crecientes Transporte de sedimentos.

A continuación se analizan brevemente estos aspectos y se recomiendan los métodos que pueden aplicarse en los análisis hidrológicos según la calidad de la información disponible. CLIMA Y PRECIPITACION.

El estudio hidrológico debe hacer una descripción del régimen climatológico del área del proyecto. Para realizar esta descripción son importantes, además de los datos cartográficos e hidrometeorológicos que se recolectan, las visitas de reconocimiento de campo y los análisis de monografías regionales y de los estudios técnicos que se hayan ejecutado con anterioridad. Aun cuando las variables que definen el clima son presión atmosférica, humedad, temperatura y vientos, en estudios con información escasa es suficiente considerar la presión y la temperatura como las variables más importantes. Por lo general es posible determinar la variación media de la temperatura en función de la altura utilizando monografias de la región, boletines hidrometeorológicos o testimonios de los habitantes, auncuando no se cuente con estaciones climatológicas en el área de estudio. En cuanto al régimen pluviométrico, la localización geográfica del área y los mapas generales de isoyetas de la región permiten estimar, asi sea en forma aproximada, la lluvia media anual y sus tendencias mensuales para definir meses más lluviosos o más secos. Estos estimativos se complementan con registros de estaciones pluviométricas, aun cuando estos registros sean file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/proyectos.htm (1 de 3) [29/07/2003 08:23:06 p.m.]


deficientes. CAPACIDAD DE LA FUENTE PARA SUMINISTRAR LA DEMANDA.

La fuente de suministro es la corriente superficial en el sitio de captación seleccionado; su capacidad se analiza por medio de la curva de duración de caudales. MAGNITUD Y FRECUENCIA DE LAS CRECIENTES.

Los métodos más conocidos para cálculo de crecientes son los siguientes: ●

Análisis de frecuencias de caudales máximos registrados. La aplicación del método requiere de una buena serie histórica diaria de caudales máximos instantáneos.

●

Aplicación de Relaciones lluvia-Cuenca-caudal. Los métodos que se basan en la interrelación lluvia-cuenca-caudal se pueden aplicar en todos los casos. Para su correcta utilización se necesita suficiente información cartográfica, hidrometeorológica, geológica y geográfica de la región donde se localiza la cuenca en estudio.

Entre los métodos que utilizan relaciones lluvia-cuenca-caudal están los siguientes: ●

Determinación y aplicación de Fórmulas empíricas regionales. Son fórmulas que permiten calcular los caudales de creciente en función de algunas de las características físicas e hidrometeorológicas de cuencas que tienen buena información y pertenecen a una región determinada. Mediante procedimientos de Regionalización pueden utilizarse en cuencas no instrumentadas de la misma región.

●

Método racional El Método Racional se aplica en cuencas homogéneas pequeñas, menores de 10 hectáreas, principalmente para drenajes de carreteras, patios, áreas rurales,etc.

●

Hidrogramas Unitarios. Los hidrogramas unitarios, cuando se calculan con buena información, son apropiados para el cálculo de crecientes en obras importantes, como son los aliviaderos de presas de embalse o los puentes grandes. Un hidrograma unitario es un modelo matemático que representa la respuesta de la cuenca a la acción de una lluvia de exceso unitaria.

TRANSPORTE DE SEDIMENTOS

La determinación de la carga de sedimentos que puede llegar a la captación durante el tiempo de operación del proyecto constituye otro de los problemas difíciles que se presentan en el estudio hidrológico porque la información sobre sedimentos es más deficiente que la de file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/proyectos.htm (2 de 3) [29/07/2003 08:23:06 p.m.]


caudales líquidos. La interrelación lluvia, cuenca, capacidad de transporte del rio, es bastante compleja y particular en cada caso. Por esta razón, la cuantificación de la carga de transporte de sedimentos por medio de fórmulas analíticas solo puede hacerse, de manera aproximada en parcelas experimentales muy bien instrumentadas, y a nivel puntual, dificilmente extrapolable. En el caso particular de las cuencas con información escasa, es necesario tener en cuenta que lo único que puede hacerse en el estudio del transporte de sedimentos es obtener un orden de magnitud de la carga total. A continuación se relacionan dos métodos que permiten estimar la carga de sedimentos: 1.- Asignar una carga específica (toneladas por Km2 por año) de transporte de sedimentos de la corriente hasta el sitio de captación, de acuerdo con las características de la lluvia (pluviosidad media anual) y de la cuenca (Cobertura vegetal, existencia de zonas potencialmente erosionables, pendiente de la vertiente), y de la composición granulométrica del material del lecho del cauce. Mediante el análisis de estas características se puede clasificar la cuenca como alta o baja productora de sedimentos por erosión pluvial, y la corriente como de alta o baja capacidad de transporte. La asignación de la carga se hace luego de comparar las características de la cuenca con las de otras cuencas en donde se hayan efectuado mediciones directas de los sedimentos. 2.- Aplicar fórmulas empíricas. Entre ellas son conocidas la Fórmula Universal de Pérdida de Suelo de Wischmeier y las Fórmulas de Cálculo de la Carga de Sedimentos de Fondo propuestas por Einstein, Meyer-Peter, Colby, etc. Estas fórmulas tienen aplicaciones restringidas porque han sido deducidas en condiciones ideales que difieren mucho de las condiciones reales de los cauces naturales. Además, para su aplicación se necesita información que generalmente no se tiene en las cuencas que son objeto del presente trabajo.

Hidrología General Hidráulica General

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/proyectos.htm (3 de 3) [29/07/2003 08:23:06 p.m.]

Ciclo hidrológico

CICLO HIDROLOGICO El ciclo del agua, o Ciclo Hidrológico, explica el campo de aplicación de la Hidrología y su relación con otras disciplinas como son la Meteorología, la Oceanografía, la Hidráulica, la Geotecnia, las Ciencias naturales, etc. El Ciclo comprende la circulación del agua desde los océanos hasta la atmósfera, luego a los continentes y nuevamente a los océanos. En desarrollo del Ciclo Hidrológico el agua es transportada mediante procesos de Evaporación, Transpiración, Circulación Atmosférica, Condensación, Precipitación, Flujo Superficial y Subterráneo, y ocupa los almacenamientos que encuentra en su recorrido, tomando en cada caso el estado que corresponde a las condiciones imperantes de temperatura y presión. De esta forma, toma el estado líquido en océanos, lagos, embalses, ríos y acuíferos; el estado sólido en los glaciares y en los nevados, el estado gaseoso en la atmósfera y los estados sólido y líquido en las nubes.

De acuerdo con estimativos que fueron publicados por la UNESCO en 1978 el volumen total de agua que participa en el Ciclo Hidrológico del Globo Terrestre es de 1.386 millones de kilómetros cúbicos aproximadamente. Este valor es similar al que determinó R. L. Nace en 1964, quien obtuvo un volumen global de 1.337 millones de kilómetros cúbicos. En la Tabla siguiente se presenta un resumen de los valores publicados por la UNESCO. RECURSOS HIDRICOS EN EL GLOBO TERRESTRE . UNESCO 1978 Volumen

Componente

Porcentaje del total Porcentaje de agua dulce

km3

Agua salada Agua dulce Agua dulce no utilizable Agua dulce superficial Agua dulce subterránea Total de agua

1.350.955.400

97.47

35.029.210

2.53

100.00

24.378.020

1.76

69.59

104.590

0.008

0.30

10.547.000

0.762

30.11

1.385.984.610

100.0

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/ciclo.htm (1 de 2) [29/07/2003 08:23:27 p.m.]

Ciclo hidrológico

El agua salada incluye los volúmenes almacenados en los océanos, en los acuíferos salados y en los lagos salados. Constituye el 97.47 % del total. El agua dulce no utilizable es la que no está disponible en forma líquida para su aprovechamiento inmediato en los proyectos de ingeniería. Está comprendida por los glaciares, la nieve y la humedad atmosférica. Representa el 1.76 % del recurso hídrico. En el agua dulce superficial se consideran los volúmenes que pertenecen a los ríos, lagos y pantanos: ocupa solamente el 0.0076 % del total de agua que hay en el globo terrestre. Por último, el agua subterránea representa el 0.76 % del volumen total, lo cual indica que la cantidad de agua subterránea es 100 veces mayor que la de agua superficial. La utilización plena del agua subterránea, sin embargo, depende de factores económicos y técnicos por cuanto más del 50 % del total de agua subterránea está confinada en acuíferos por debajo de 800 m de profundidad. El agua no está distribuida uniformemente sobre la superficie del globo terrestre; existen factores de tipo meteorológico, astronómico, orográfico, geográfico y geológico que regulan el comportamiento de las variables del Ciclo Hidrológico. En 1900 el doctor Vladimir Koppen presentó una clasificación climatológica que está relacionada con la Temperatura y la Precipitación; la clasificación permite lograr una visión amplia acerca de la distribución cuantitativa del recurso hídrico sobre el globo terrestre. La clasificación de Koppen reduce a 5 grandes grupos las diferentes variedades de climas que se presentan en el mundo. Estos grupos son los siguientes: A. Climas húmedos tropicales. Característicos de zonas de alta precipitación, con temperaturas medias mensuales por encima de 18°C. B. Climas secos. Zonas semiáridas y áridas, en las cuales la Evaporación anual excede a la Precipitación anual. C. Climas húmedos mesotérmicos. En zonas lluviosas, con períodos cortos de invierno, y temperaturas medias mensuales que varían entre 0°C y 18°C en los meses más fríos. D. Climas húmedos microtérmicos. En zonas lluviosas con períodos largos de invierno, y temperaturas medias menores de 0°C en los meses fríos y mayores de 10°C en los meses cálidos. E. Climas polares. No tienen estaciones cálidas. Los meses más calientes tienen temperaturas inferiores a 10°C

Hidrología Básica

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/ciclo.htm (2 de 2) [29/07/2003 08:23:27 p.m.]

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/estudios.htm

ESTUDIOS HIDROLOGICOS EN PROYECTOS DE INGENIERÍA 1. Localización En los proyectos de ingeniería se define inicialmente la zona de estudio que es el área de influencia del proyecto. En esta zona se delimitan tanto las áreas que van a ser beneficiadas por el proyecto como las hoyas vertientes de las corrientes naturales que las cruzan y de las que se seleccionan para ser utilizadas como captaciones. A continuación se realiza la monografía de la zona, la cual incluye aspectos geográficos, históricos, sociales, de uso de la tierra y de características de los suelos. 2. Recolección de información La información que se recolecta para desarrollar un estudio hidrológico comprende los siguientes aspectos: 1. Cartografía 2. Hidrometeorología 3. Estudios anteriores. Dentro de la información cartográfica se incluyen los mapas con curvas de nivel a escalas entre 1:100.000 y 1:5.000, las fotografías aéreas y las imágenes de radar y de satélite. Esta información se procesa para determinar las características morfométricas, de capacidad de almacenamiento, y de suelos y uso de la tierra de las hoyas vertientes y de las zonas de importancia dentro del proyecto. En el aspecto hidrometeorológico se recolecta información sobre las variables del clima, la precipitación, los caudales y niveles de las corrientes naturales y los sedimentos que transportan las corrientes. Por lo general esta información se recolecta en forma de SERIES DE TIEMPO HISTORICAS, las cuales se procesan con métodos estadísticos y probabilísticos para determinar regímenes medios y proyecciones futuras. El tratamiento de estas series se realiza de acuerdo con el tipo de proyecto que se va a desarrollar y para ello se utilizan los conceptos de Hidrología Aplicada e Hidrología Estocástica. El análisis de los Estudios que se han desarrollado con anterioridad en la zona del proyecto permite complementar la información recolectada. Este análisis tiene capital importancia cuando el proyecto se desarrolla en varias fases porque en la segunda fase debe analizarse cuidadosamente lo que se hizo en la primera, y así sucesivamente. 3. Trabajos de campo Luego de analizar la información recolectada el ingeniero está en capacidad de programar los trabajos de campo que permitan la complementación de la información existente. Entre estos trabajos se cuentan la ejecución de Levantamientos Topográficos y Batimétricos, la recolección y análisis de Muestras de los Sedimentos que transportan las corrientes, la instalación y operación de estaciones Climatológicas y Pluviometricas y la realización de Aforos. 4. Análisis de la información hidrológica Terminada la etapa de recolección se procede al análisis del clima, la precipitación, los caudales y los sedimentos. Este análisis se realiza de acuerdo con las necesidades del proyecto y puede incluir uno o varios de los siguientes temas: Clima. Los valores medios de Temperatura, Humedad, Presión y Viento definen el clima de la zona de estudio.

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/estudios.htm (1 de 4) [29/07/2003 08:24:05 p.m.]


En los proyectos de suministro de agua el clima influye decisivamente en la relación que existe entre la Precipitación, la Hoya vertiente y la formación de los Caudales de las corrientes naturales. Esta relación se expresa matemáticamente por medio de la ecuación del Balance Hidrológico. Además, el análisis del régimen climatológico es una de las bases fundamentales del estudio de impacto ambiental en todos los proyectos de Ingeniería. Precipitación Los estudios de la precipitación analizan el régimen de lluvias en la región a partir de los datos de estaciones pluviométricas y pluviográficas. El análisis comprende la variabilidad de la precipitación en el tiempo, su distribución sobre el área de estudio, la cuantificación de los volúmenes de agua que caen sobre la zona y las magnitudes y frecuencias de los aguaceros intensos.

Caudal medio El régimen de caudales de una corriente está relacionado con las lluvias y con las características de su hoya vertiente. Este régimen define los estados de caudales mínimos, medios y máximos en los sitios que han sido seleccionados para captación de agua o para construcción de obras hidráulicas. La metodología que se utiliza depende de la información disponible y de las necesidades del proyecto. Pueden utilizarse análisis estadísticos y probabilisticos de series históricas de caudales o balances hidrológicos.



Balance Hidrológico El Balance Hidrológico relaciona las variables que intervienen en el ciclo hidrológico: ● ● ● ● ●

Precipitación Evapotranspiración Caudal Superficial Almacenamiento superficial y subterráneo Flujo de Agua subterránea

Se aplica en todos los casos que tienen que ver con la distribución de los recursos hidráulicos a nivel global, o en cuencas particulares. Es imprescindible en los estudios de regulación de embalses y en los proyectos de suministro de agua para acueducto, riego y generación hidroeléctrica. La ecuación general del Balance Hidrológico en una cuenca determinada tiene la siguiente forma: P + Qa + G = ET + Q + dS ● ● ● ● ● ●

P es la precipitación en el período seleccionado. Qa es el aporte superficial de cuencas vecinas. G constituye el flujo neto de aguas subterráneas desde y hacia cuencas vecinas. ET representa la evapotranspiración real en la cuenca. Q es el caudal superficial que sale de la cuenca que se analiza. dS es el cambio en almacenamiento superficial y subterráneo. Incluye almacenamiento en cauces, embalses, suelo y acuíferos.

Crecientes En los estudios de crecientes se analizan las magnitudes de los caudales máximos extraordinarios y la frecuencia con que ocurren. Junto con los análisis de las avalanchas son importantes en los diseños de puentes, drenajes y obras de control de inundaciones. Estiajes Durante algunas épocas del año las corrientes naturales presentan períodos de caudales bajos o de estiaje. Estos estiajes pueden ser críticos cuando las magnitudes de los caudales resultan tan bajas que las captaciones de acueductos, de sistemas de riego y de sistemas de generación de energía pueden verse afectadas en su operación normal. Aguas subterráneas Los depósitos de Aguas Subterráneas se denominan Acuíferos y son abastecidos con parte del agua que lluvia que cae en zonas de recarga dentro de su hoya vertiente. El agua se infiltra a través de la superficie del suelo y luego se mueve verticalmente hasta cuando encuentra una capa impermeable que no permite el paso y obliga a la formación de un almacenamiento de agua en los espacios vacíos del suelo. El límite superior de este almacenamiento se denomina Nivel Freático. El volumen de agua que se almacena por debajo del Nivel Freático es el Agua Subterránea. Este volumen constituye la fuente principal de alimentación de manantiales, lagos y ríos en períodos de estiaje. A nivel global el volumen de Aguas Subterráneas existente es muy superior al de Aguas Superficiales, pero en muchos casos, principalmente cuando los acuíferos se encuentran a gran profundidad, su captación resulta difícil y costosa. En aquellas regiones donde las Aguas Superficiales son escasas o no existen cerca a los sitios de consumo las Aguas Subterráneas pueden resolver los problemas de suministro de agua. El estudio de los



acuíferos y del movimiento de las Aguas Subterráneas se llama Hidrogeología.

Hidrología General


Curvas de duración de caudales

La curva de duración resulta del análisis de frecuencias de la serie histórica de caudales medios diarios en el sitio de captación de un proyecto de suministro de agua. Se estima que si la serie histórica es suficientemente buena, la curva de duración es representativa del régimen de caudales medios de la corriente y por lo tanto puede utilizarse para pronósticar el comportamiento del régimen futuro de caudales, o sea el régimen que se presentará durante la vida útil de la captación. Como se observa en la Figura No. 1 la escala vertical de la curva de duración representa caudales medios (diarios, mensuales o anuales) y la escala horizontal las probabilidades de que dichos caudales puedan ser igualados o excedidos. Las curvas de duración tienen formas típicas que dependen de las características de las cuencas vertientes. En cuencas de montaña, por ejemplo, la pendiente pronunciada en el tramo inicial de la curva indica que los caudales altos se presentan durante períodos cortos, mientras que en los rios de llanura no existen diferencias muy notables en las pendientes de los diferentes tramos de la curva. Este hecho es útil para ajustar la forma de la curva de duración según las caracteristicas de la cuenca cuando la serie de caudales medios es deficiente, o para transponer una curva de duración de una cuenca bien instrumentada de la misma región a la cuenca que tiene información escasa.

El caudal mínimo probable de la curva es el caudal que la corriente puede suministrar durante todo el año con una probabilidad de excedencia próxima al 100 % . Si este caudal es mayor que la demanda del proyecto, entonces la fuente tiene capacidad para abastecer la demanda sin necesidad de almacenamiento. En los estudios que se realizan en cuencas pequeñas las variaciones diarias del caudal son importantes. Por esta razón los análisis se hacen con base en la curva de duración de caudales diarios. Cuando la información hidrológica es escasa la serie histórica de los caudales medios diarios no existe, o si existe no es suficientemente confiable. En tal caso la curva de duración de caudales diarios no puede determinarse por métodos matemáticos, pero pueden hacerse estimativos utilizando relaciones empíricas entre lluvias y caudales. Estos estimativos pueden ocasionar sobrediseño de las obras. La experiencia ha demostrado que las regresiones lluvia - caudal son aceptables para valores anuales, pero resultan deficientes cuando se utilizan con valores mensuales o diarios. Por esta razón, lo recomendable es generar una serie de caudales medios anuales a partir de las lluvias anuales y luego, a partir de los caudales anuales estimar la serie

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/curvas.htm (1 de 2) [29/07/2003 08:24:44 p.m.]

Curvas de duración de caudales

de caudales medios mensuales; en este caso no se pueden estimar los caudales diarios. Sin embargo, se pueden dibujar las curvas de duración de los caudales medios anuales y medios mensuales y con base en ellas deducir aproximadamente una curva estimada de caudales medios diarios, como se observa en la Figura No.2.

La curva de duración es muy útil para determinar si una fuente es suficiente para suministrar la demanda o si hay necesidad de construir embalses de almacenamiento para suplir las deficiencias en el suministro normal de agua durante los períodos secos.

Hidrología General

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/curvas.htm (2 de 2) [29/07/2003 08:24:44 p.m.]

Crecientes en cuencas pequeñas

Los métodos más conocidos para cálculo de crecientes son los siguientes: ●

Análisis de frecuencias de caudales máximos registrados. La aplicación del método requiere de una buena serie histórica diaria de caudales máximos instantáneos. El análisis de frecuencias de caudales máximos se utiliza en diseños de puentes pequeños, pontones, boxculverts y alcantarillas. El procedimiento de cálculo tiene los siguientes pasos:

●

Aplicación de Relaciones lluvia-Cuenca-caudal. Los métodos que se basan en la interrelación lluvia-cuenca-caudal se pueden aplicar en todos los casos. Para su correcta utilización se necesita suficiente información cartográfica, hidrometeorológica, geológica y geográfica de la región donde se localiza la cuenca en estudio. Para determinar las características de la cuenca vertiente el primer paso consiste en localizar el sitio de interés del estudio en la corriente seleccionada ; luego se delimita su área sobre la mejor cartografía disponible y se miden Area, Longitud de la corriente, Pendiente del cáuce y Pendiente del terreno. Además, se estudian las condiciones del suelo y los cultivos para estimar las condiciones de infiltración. El aguacero de diseño es el evento que genera la creciente. Su valor es un estimativo basado en estudios de probabilidad y está definido por Frecuencia, Duración, Intensidad y Patrón temporal. La Frecuencia es una medida de la probabilidad de que el aguacero de diseño sea igualado o excedido por lo menos una vez en un año cualquiera. Así, el aguacero de 100 años tiene una probabilidad del 1% de ser igualado o excedido por lo menos una vez cada año. La Duración se refiere al tiempo que dura el aguacero de diseño. En cuencas pequeñas este tiempo es aproximadamente igual al Tiempo de Concentración de la cuenca. La Intensidad media es la relación que existe entre el total de precipitación del aguacero de diseño y la duración del mismo. Si la duración se divide en intervalos, cada intervalo tiene una intensidad propia. Ver Figura No. 3. El patrón temporal es el hietograma del aguacero de diseño. En cuencas pequeñas se acepta que la intensidad es constante a lo largo del aguacero.

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/calculo.htm (1 de 3) [29/07/2003 08:24:53 p.m.]


La determinación numérica de la Intensidad se realiza utilizando curvas regionales de Intensidad-DuraciónFrecuencia, o curvas IDF. Para este efecto se fijan la Frecuencia y la Duración del aguacero, y se aplica la curva IDF correspondiente. Entre los métodos que utilizan relaciones lluvia-cuenca-caudal están los siguientes: ●

Determinación y aplicación de Fórmulas empíricas regionales. Son fórmulas que permiten calcular los caudales de creciente en función de algunas de las características físicas e hidrometeorológicas de cuencas que tienen buena información y pertenecen a una región determinada. Mediante procedimientos de Regionalización pueden utilizarse en cuencas no instrumentadas de la misma región.

●

Método racional El Método Racional se aplica en cuencas homogéneas pequeñas, menores de 10 hectáreas, principalmente para drenajes de carreteras, patios, áreas rurales,etc. Se representa con la siguiente expresión: Q=CiA donde "Q" es el caudal pico de la escorrentía que se genera a la salida de una cuenca de área "A" por efecto de un aguacero de intensidad constante "i", que tiene una duración igual al tiempo de concentración de la cuenca. "C" es el coeficiente de escorrentía; su valor está comprendido entre cero y uno, y depende de la morfometría de la cuenca y de su cobertura. La fórmula es dimensional, de manera que las unidades deben utilizarse correctamente. Cuando el caudal se dá em m3/s, la intensidad en mm/h y el área en km2, la expresión queda de la siguiente forma: Q = C i A / 3.6 Las principales dificultades que se encuentran para el uso correcto de la fórmula son dos: La asignación de valores apropiados al coeficiente de escorrentia y la determinación de la intensidad del aguacero. La selección del coeficiente de escorrentía es subjetiva porque, aun cuando existen tablas y recomendaciones generales, el criterio de ingeniero es definitivo. Por su parte, la intensidad del aguacero se deduce de análisis de intensidad, duración y frecuencia.



La aplicación del Método Racional induce a sobreestimar los caudales de creciente. Por esta razón no se recomienda su uso en cuencas mayores de 1 km2. ●

Hidrogramas Unitarios. Los hidrogramas unitarios, cuando se calculan con buena información, son apropiados para el cálculo de crecientes en obras importantes, como son los aliviaderos de presas de embalse o los puentes grandes. Un hidrograma unitario es un modelo matemático que representa la respuesta de la cuenca a la acción de una lluvia de exceso unitaria. La lluvia de exceso es la parte del aguacero que genera escorrentía superficial. Esta lluvia es unitaria cuando representa un volumen unitario de precipitación, por ejemplo 1 mm de lluvia repartida uniformemente sobre el área. El hidrograma unitario de una cuenca se determina por medio de análisis de lluvias e hidrogramas, o a partir de sus características morfométricas. En este último caso hay estudios realizados por el Soil Conservation Service, SCS, de los Estados Unidos y por investigadores privados como C.O.Clarck, F.M.Snyder, Nash y Taylor, entre los más conocidos. El Hidrograma Unitario Triangular del SCS ofrece un procedimiento sencillo para el cálculo de crecientes en cuencas pequeñas. Los siguientes son los pasos que se siguen en la aplicación del método del hidrograma unitario: 1. Síntesis de una lluvia de diseño, a partir de un análisis de intensidad-duración-frecuencia de aguaceros de corta duración. 2. Determinación de un índice de infiltración característico de la cuenca. 3. Cálculo de la lluvia de exceso a partir de la lluvia total de diseño y de la infiltración esperada. 4. Determinación del hidrograma unitario de la cuenca. 5. Aplicación de la lluvia de exceso al hidrograma unitario. 6. Interpretación de los resultados para estimar el caudal pico de creciente. El método está limitado a cuencas homogéneas.

Hidrologia General


Intensidad-duración-frecuencia

La determinación numérica de la Intensidad se realiza utilizando curvas regionales de IntensidadDuración-Frecuencia, o curvas IDF. Para este efecto se fijan la Frecuencia según el nivel de probabilidad de falla admitido, y la Duración del aguacero, y se aplica la curva IDF. Cuando la cuenca está bien instrumentada las curvas IDF se obtienen de análisis de frecuencias de lluvias máximas registradas, pero en cuencas con información escasa es necesario aplicar métodos empíricos con base en registros de lluvias máximas diarias, que se obtienen de estudios regionales o mediante transposición de lluvias de cuencas de características similares. En general, las curvas IDF se ajustan a ecuaciones que tienen la siguiente expresión: i = Cr / (t + b)n donde Cr es un coeficiente que depende de la Frecuencia del evento, b y n son parámetros propios de la cuenca que se está analizando; i es la intensidad del aguacero; t es la duración del mismo. La ecuación es aceptable para Duraciones menores de 2 horas y Frecuencias menores de una vez en 100 años.

C.F. Bell ha desarrollado un procedimiento que es útil para determinar los coeficientes Cr, b y el exponente n a partir de análisis de lluvias máximas diarias en regiones con información escasa.

Hidrología General

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/intensidad.htm [29/07/2003 08:26:09 p.m.]

Pagina nueva 1

Figuras y definición de variables

El más sencillo de los hidrogramas unitarios es el hidrograma unitario triangular, desarrollado por el Soil Conservation Service del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos. Se aplica a cuencas pequeñas y homogéneas y produce resultados aceptables en el cálculo de caudales de creciente generados por escorrentía. La lluvia unitaria que se aplica al hidrograma es 1 mm de lluvia de exceso. Las componentes del hidrograma unitario triangular se deducen de las características morfométricas de la cuenca y se expresan por medio de las siguientes fórmulas: tp = D/2 + 0.6 tc T = 8/3 tp qp = A / ( 1.8 T )

D = duración de la lluvia de exceso, horas tc = tiempo de concentración, horas tp = tiempo hasta el pico, horas T = duración de la escorrentía, horas.

2. Cálculo del pico de creciente

A = Area de la cuenca, km2 L = Longitud del cauce, km S = Pendiente del cauce, m/m

Una vez que se han definido las características morfométricas de la cuenca vertiente y se ha realizado el análisis de los aguaceros históricos, aplicando la curva de intensidad-duración-frecuencia, se obtiene la siguiente información:

qp = caudal pico unitario para 1 mm de lluvia de exceso, m3/s

A, tc Características morfométricas D, Tr, imx Del análisis de aguaceros.

Tr = período de retorno de la creciente que se va a calcular, años imx = intensidad máxima, mm/h, del aguacero de duración D y período de retorno Tr.

La duración de la lluvia es aquella que produce el máximo valor de qp y se determina por medio de aproximaciones sucesivas. Inicialmente se hace D = tc y luego se prueba con valores mayores y menores que el inicial hasta encontrar el máximo qp. Se calcula la lluvia total del aguacero, P en mm: P = D . imx

La lluvia de exceso, Pe, es una parte de P y se determina realizando análisis de índices de infiltración y de pérdidas, o aplicando la metodología del Soil Conservation Service que se basa en las características de los suelos y en el índice CN. Por último el caudal pico de creciente de escorrentía, Qp, con frecuencia Tr resulta: Qp = Pe . qp

3. Ejemplo file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/scs_1.htm (1 de 2) [29/07/2003 08:26:28 p.m.]

Pagina nueva 1

En el sitio de captación para un acueducto la corriente natural que se seleccionó como fuente de abastecimiento drena un área de 5 km2, su cauce tiene una longitud de 3 km y una pendiente aproximadamente constante del 4 %. La cuenca se considera homogénea porque tanto el uso del suelo como la morfología del terreno son más o menos uniformes. Dentro de la cuenca no hay estaciones hidrológicas, pero hay un estudio general de la región que se basa en el análisis de estaciones vecinas. De acuerdo con las curvas de intensidad-duraciónfrecuencia del estudio regional se han definido las intensidades máximas para diferentes duraciones y períodos de retorno. En este caso particular se estima que la lluvia de exceso es del orden del 25 % de la lluvia total de un agacero típico. Se pregunta en cuánto puede estimarse el caudal pico de creciente con período de retorno de 25 años Datos: A L S Tr

5 km2 3 km 0.04 m/m 25 años

Cálculos: Por tratarse de una cuenca pequeña, donde se espera que tc sea menor de 1 hora puede utilizarse la fórmula de Kirpich para el cálculo del tiempo de concentración. tc = .067 ( L / S 0.5 ) 0.77

0.54 horas

D = tc (aproximadamente ) tp horas T horas qp m3/s/mm

0.54 horas 0.59

imx (dato del estudio regional para D, Tr) P Pe Qp

1.57 1.77

45 mm/h 22.5 mm 5.6 mm 10.2 m3/s

RESULTADO: El caudal pico de creciente es del orden de 10 m3/s.

file:///C|/gsm/Internet/Página%20archivo/scs_1.htm (2 de 2) [29/07/2003 08:26:28 p.m.]

Hidrología Básica

Recommend Documents