CAUDALES MÁXIMOS INTEGRANTES: DAMIÁN ACUÑA, KASSANDRA
JAIMES DURAND, RICHARD MITMA ENCISO, JOSÉ CARLOS ORTIZ QUISPE, ELVIS FERNANDO QUIJANO RIVERA, LUIS
ESCUELA: INGENIERÍA CIVIL
DOCENTE: ALEX TRUJILLO BARZOLA LIMA, ABRIL 2014
INDICE CARATULA INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 3
CAPÍTULO 1 DEFINICIONES BÁSICAS 1.1 Definición sobre metodologías Hidrometeorológicas del cálculo de caudales máximos ........ 5 1.2 Definición sobre métodos estadísticos usados para el calculo de caudales máximos ............ 5
CAPÍTULO 2 MÉTODOS HIDROMETEOROLÓGICOS 2.1 Parámetros para el cálculo de caudal máximo .......................................................... 7 2.1.1 Periodo de Retorno ............................................................................................ 7 2.1.2 Tiempo de concentración (Tc) ............................................................................. 9 2.2 Métodos usados para el cálculo de caudales máximos ............................................ 10 2.2.1 Método Directo ............................................................................................... 10 2.2.2 Método Racional .............................................................................................. 11 2.2.3 Método Racional Modificado ............................................................................ 12 2.2.4 Método del Número de Curva ........................................................................... 13 2.2.5 Método de Creager ........................................................................................... 15 2.2.6 Métodos Empíricos .......................................................................................... 16 2.2.6.1 Método de Mac Math ................................................................................. 16
CAPÍTULO 3 MÉTODOS ESTADÍSTICOS PARA EL CÁLCULO DE CAUDALES 3.1 Método Gumbel .................................................................................................... 19 3.2 Método Nash ......................................................................................................... 20 3.2 Método Lebediev ................................................................................................... 21
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CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES Conclusiones ............................................................................................................... 25
CAPÍTULO 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Referencias Bibliográficas ............................................................................................ 27
CAPÍTULO 6 ANEXOS Y TABLAS Tablas ......................................................................................................................... 29 Anexo N°1 ................................................................................................................... 42
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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. Dado un pequeño concepto acerca de lo que es Hidrología, tenemos en cuenta que uno de los temas muy importantes en lo que abarca la ingeniería civil, es la de cálculo de caudales, donde el objetivo consiste en estimar los valores de flujo (normalmente máximo) originados por una precipitación concreta que incide en la cuenca ubicada en la vertiente correspondiente a dicha sección. A su vez también llamados, caudales de diseño, tiene un objetivo general, conocer las dimensiones de un cauce, sistema de drenaje (agrícola, aeropuertos, ciudad, carretera), muros de encauzamiento para proteger ciudades o plantaciones, alcantarillas, vertederos de demasías, luz en puentes, canales, etc. Existen metodologías tanto Hidrometeorológicas como Estadísticas para la determinación de caudales máximos, por ello en el desarrollo de este trabajo de investigación iremos mostrando algunos de los métodos más conocidos y usados, asimismo sus conceptos generales, definiciones básicas, metodología y calculo de un problema relacionado a su uso. Esta monografía de investigación esta dividida en capítulos, donde en el primero se conocerá las definiciones básicas, teniendo en cuenta las metodologías usadas. Por consecuente en el capítulo 2 se dará a conocer unos cuantos
métodos
hidrometeorológicos, siguiendo con la misma estructura en el capítulo 3, los métodos estadísticos, y finalizando con las conclusiones, referencias bibliográficas y Tablas y anexos en el capítulo 4,5 y 6 respectivamente.
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CAPÍTULO 1 DEFINICIONES BÁSICAS
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1.1 DEFINICIÓN SOBRE METODOLOGÍAS HIDROMETEOROLOGÍCAS DEL CÁLCULO DE CAUDALES MÁXIMOS La hidrometeorología es el estudio de la meteorología aplicada a los parámetros hídricos. La teoría hidrometeorológica en general, comprende la observación, procesamiento y análisis del comportamiento de los elementos hídricos, fundamentalmente las descargas de los ríos y los volúmenes almacenados en reservorios y lagunas; y de los elementos meteorológicos, fundamentalmente la precipitación pluvial. [Ray y Franzini, 1974: p.257] En los modelos hidrometeorológicos se introducen los datos de entrada de cada cuenca, en particular los valores de precipitación, que posteriormente generarán información de caudal. 1.2 DEFINICIÓN SOBRE MÉTODOS ESTADÍSTICOS USADOS PARA EL CÁLCULO DE CAUDALES MÁXIMOS Se basan en considerar que el caudal máximo anual, es una variable aleatoria que tiene una cierta distribución. Por ello los datos necesarios deben de ser los registros de caudales máximos anuales, ya que cuanto mayor sea el tamaño del registro, mayor será también la aproximación del cálculo del caudal de diseño el cual se calcula para un determinado período de retorno Por lo general, en los proyectos donde se desea determinar el caudal de diseño, se cuenta con pocos años de registro, por lo que, la curva de distribución de probabilidades de los caudales máximos, se tiene que prolongar en su extremo, si se quiere inferir un caudal con un período de retorno mayor al tamaño del registro. El problema se origina, en que existen muchos tipos de distribuciones que se apegan a los datos, y que sin embargo, difieren en los extremos. Esto ha dado lugar a diversos métodos estadísticos, dependiendo del tipo de distribución que se considere
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CAPÍTULO 2 MÉTODOS HIDROMETEOROLÓGICOS
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Como definimos anteriormente los métodos meteorológicos se introducen los datos de entrada de cada cuenca, en este caso de la cuenca que se desea determinar el caudal de diseño para su posterior uso en una obra hidráulica. Existen varios métodos de este tipo como lo son:
El método Directo
El método Racional
El método de número de curva
El método Creager
Los métodos empíricos
El método de Mac Math
Sin embargo como sabemos, para la determinación del caudal de diseño se debe de conocer un cierto parámetro como lo es el “Periodo de retorno”.
2.1 Parámetros para el cálculo de caudal máximo: 2.1.1 Periodo de Retorno: Para el caso de un caudal de diseño, el tiempo promedio en años, en que el valor del caudal pico de una creciente determinada es igualado o superado una vez cada “T” años, se le denomina período de retorno “T”. Según el Manual de hidrología, hidráulica y drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones: “Para adoptar el período de retorno a utilizar en el diseño de una obra, es necesario considerar la relación existente entre la probabilidad de excedencia de un evento, la vida útil de la estructura y el riesgo de falla admisible, dependiendo este último, de factores económicos, sociales, técnicos y otros” (p.16). La probabilidad de que un caudal máximo pase es:
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P= Probabilidad de ocurrencia de un caudal Q T= Periodo de retorno
El riesgo de falla admisible en función del período de retorno y vida útil de la obra está dado por:
R = Riesgo n = número de años T = periodo de retorno
Figura 1. Riesgo de por lo menos una excendencia del evento de diseño durante la vida útil. (FUENTE: hidrología aplicada (Ven te Chow)).
Ver Tabla N°1 en los anexos, se presenta el valor de T para varios riesgos permisibles R y para la vida útil n de la obra
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Considerando el Manual de Hidrologia, hidráulica y drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, existe una Tabla N°2: Valores recomendados de riesgo admisible de obras de drenaje.
Una vez estipulado el Periodo de retorno se procede a tomar otro parámetro que en estos casos es el Tiempo de concentración (Tc).
2.1.2 Tiempo de concentración (Tc):
Es el tiempo requerido por una gota para recorrer desde el punto hidráulicamente más lejano hasta la salida de la cuenca. Según el Manual de hidrología, hidráulica y drenaje del Ministerio de Transportes y Comunicaciones: “Transcurrido el tiempo de concentración se considera que toda la cuenca contribuye a la salida. Como existe una relación inversa entre la duración de una tormenta y su intensidad (a mayor duración disminuye la intensidad), entonces se asume que la duración crítica es igual al tiempo de concentración” (p.25). Dado la siguiente definición del tiempo de concentración, el Ministerio de transportes y comunicaciones a establecido una tabla con las fórmulas usadas en el Perú, los cuales son, el método Kirpich, California Culverts Practice, Izzard, Federal Aviation Administration, Eciaciones de onda cinemática de Morgali y Linsley, Aron y Erborge,y Ecuación de retardo SCS. Esta Tabla N°3 se encontrará en los Anexos.
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2.2 Métodos usados para el cálculo de caudales máximos: 2.2.1 Método Directo El caudal máximo se estima después del paso de una avenida, con base en datos específicos obtenidos en el campo. Los trabajos de campo incluyen:
1. Selección de un tramo del rio representativo, suficientemente profundo, que contenga al nivel de las aguas máximas. 2.- Levantamiento de secciones transversales en cada extremo del tramo elegido y determinar:
A1, A2 = áreas hidráulicas P1, P2 = perímetros mojados R1, R2 = radios hidráulicos
3.- Determinar la pendiente S, de la superficie libre de agua con las huellas de la avenida máxima en el análisis. 4.- Elegir el coeficiente de rugosidad n de Manning de acuerdo a las condiciones físicas del cauce. 5.- Aplicar la fórmula de Manning:
Donde: Q= caudal Máximo (m3/s) n= coeficiente de rugosidad A= área hidráulica promedio, m2 R= Radio hidráulico promedio, m S= pendiente Para conocer los valores de “n” dados por Horton para ser usado en las formula de manning vaya a la Tabla N°4
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2.2.2 Método Racional El uso de este método, tiene una antigüedad de más de 100 años, se ha generalizado en todo el mundo, este método puede ser aplicado a pequeñas cuencas de drenaje agrícola, aproximadamente si no exceden a 13 km2. El caudal máximo se calcula por medio de la siguiente fórmula:
Donde: Q = caudal máximo, m/s I= intensidad máxima de la lluvia, para una duración igual al tiempo de concentración, y para un periodo de retorno dado, en mm/h (Tabla N°6 y N°7) C= coeficiente de escorrentía que depende de la cobertura vegetal, la pendiente y el tipo de suelo, adimensional. A= área de la cuenca en hectáreas.
Coeficiente De Escorrentía: El coeficiente de escorrentía es la variable menos precisa del método racional, este representa una fracción de la precipitación total. Se debe escoger un coeficiente razonable para representar los efectos integrados de los factores que influyen en este. Para los valores de coeficiente de escorrentía, se sabe que la cuenca se compone en diferentes superficies características, entonces el promedio de C se obtiene de una media ponderada, es decir:
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Cuando el área de drenaje (Cuenca) está constituida por diferentes tipos de cubierta y superficies, el coeficiente de escurrimiento puede obtenerse en función de las características de cada porción del área como un promedio ponderado.
Figura 2. Pequeña tabla de coeficiente de escorrentía Para tener los coeficientes de escorrentía verifique la Tabla N°5 de los anexos.
2.2.3 Método Racional Modificado: Este método amplía el campo de aplicación del método racional, porque considera el efecto de la no uniformidad de las lluvias mediante un coeficiente de uniformidad, el caudal máximo de una avenida se obtiene mediante la expresión:
Dónde: Q=Caudal máximo, para un periodo determinado (
/s)
I=Intensidad máxima para un periodo determinado mm/s A=Superficie de la cuenca C=Coeficiente de escorrentía CU=Coeficiente de uniformidad
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El coeficiente de uniformidad corrige el supuesto reparto uniforme de la escorrentía dentro del intervalo de cálculo de duración igual al tiempo de concentración en el método racional, este se puede determinar según la siguiente expresión:
El Tc esta expresado en horas, este método es recomendado para el diseño de alcantarillas en carreteras. 2.2.4 Método del Número de Curva: Este método fue desarrollado el SCS de EE.UU, se aplica a cuencas mediana como también a cuencas pequeñas. Este método es usado para estimar la escorrentía total a partir de datos de precipitación y otros parámetros de la cuenca de drenaje. Un número de curva N=100, indica que toda la lluvia escurre, y un número N=1, indica que toda la lluvia se infiltra. De la siguiente expresión:
Donde: F=infiltración real acumulada (L) S=infiltración potencial máxima (L) Q=escorrentía total acumulada (L) Pe=escorrentía potencial o exceso de precipitación (L)
Se obtiene la siguiente fórmula:
Donde: Q= escorrentía total acumulada, en cm P= precipitación en cm N= número de curva En la ecuación se debe cumplir que N (P+5.08)-508>0, o P>508/N -5.08 Ver Tabla N°8 donde se muestra el gráfico de la ecuación.
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Condición hidrológica:
Grupo hidrológico de suelo: Grupo A, tiene bajo potencial de escorrentía Grupo B, tiene un moderado bajo potencial de escorrentía Grupo C, tiene un moderado alto potencial de escorrentía Grupo D, tiene alto potencial de escorrentía Para número de curva N, teniendo como dato el grupo hidrológico y la condición hidrológica se observa la Tabla N°8 ya antes visto para el número de Curva “N”. Condiciones de humedad antecedente (CHA) La condición o estado de humedad tiene en cuenta los antecedentes previos de la humedad de la cuenca, determinado por la lluvia total en el periodo de 5 días anterior a la tormenta. El SCS usa 3 intervalos de CHA:
CHA-I, Hay un mínimo potencial de escurrimiento CHA-ll, Es el promedio para el cual el SCS preparo la tabla N°8 CHA-lll, hay máximo potencial de escurrimiento
Figura 3. Condiciones de humedad antecedente por la SCS.
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Figura 4. Si se tiene CHA-I y CHA-II se tiene la siguiente fórmula.
2.2.5 Método de Creager: Este método, originalmente desarrollado por Creager, fue adaptado para el territorio peruano por Wolfang Trau y Raúl Gutiérrez Yrigoyen. La aplicación de este método permite la estimación de los caudales máximos diarios en cuencas sin información, para diferentes periodos de retorno, tomando el área de la cuenca como el parámetro de mayor incidencia en la ocurrencia de caudales máximos. La fórmula empleada es la siguiente:
Donde: • Qmax: caudal máximo para un periodo de retorno T seleccionado, en m3/s • A: área de la cuenca aportante, en km2 • T: periodo de retorno, en años • C1, C2: coeficientes adimensionales de escala, por regiones hidráulicas • m, n: exponentes adimensionales, por regiones hidráulicas
Según los autores, el territorio peruano queda subdividido en siete regiones hidráulicas diferenciables, tal como se muestra en el Anexo 1.
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2.2.6 Métodos Empíricos 2.2.6.1 Método de Mac Math Es uno de los tantos métodos utilizados para determinar el caudal máximo en cuencas. El caudal máximo se determina mediante la siguiente formula:
Donde: Q= caudal máximo con un periodo de retorno de T años, en m 3/s C = factor de escorrentía de Mac Math, representa las características de la cuenca I = intensidad máxima de la lluvia, para una duración igual al tiempo de concentración tc y un periodo de retorno de T años, mm/hr A = área de la cuenca, en has S = pendiente promedio del cauce principal, en % De los parámetros que intervienen en esta fórmula, sobre el que se tiene que incidir, es sobre el factor C, el cual se compone de tres componentes, es decir: C = C1 + C2 + C3 Donde: C1 = está en función de la cobertura vegetal C2 = está en función de la textura del suelo C3 = está en función de la topografía del terreno Para determinar estos valores nos basamos en la siguiente tabla:
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CAPÍTULO 3 MÉTODOS ESTADÍSTICOS PARA EL CÁLCULO DE CAUDALES
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3.1 Método Gumbel: Se usa la siguiente ecuación:
Siendo:
∑ √
Caudal máximo para un peridodo de retorno determinado, m3/s N= número de años de registro Qi= Caudales máximos anuales registrados, m3/s Qm=
∑
caudal promedio, m3/s
T= Periodo de retorno =constantes en función de N, ver Tabla N° 9 = Desviación estándar de los caudales Para el cálculo del intervalo de confianza ( , se hace lo siguiente: Si: varía entre 0.2 a 0.8, el intervalo de confianza se calcula con la fórmula: √ Si:
el intervalo se calcula como:
Entonces el Caudal de diseño es =
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√
3.2 Método Nash: Nash considera que el valor del caudal para un determinado periodo de retorno se puede calcular con la ecuación:
Donde: a,b = constantes en función del registro de caudales máximos anuales. = caudal máximo para un periodo de retorno determinado, en m3/s T= periodo de retorno, años. Los parámetros a y n se estiman utilizando el método de mínimos cuadrados, con la ecuación lineal: Q=a+bx, utilizando las siguientes ecuaciones:
∑ ∑ Siendo:
Donde: N= números de años de registro =caudales máximos anuales registrados, en m3/s ∑
, caudal medio, en m3/s
=constante para caudal Q registro, en función de su periodo de retorno correspondiente. ∑
, valor medio de las
Para calcular los valores de
correspondiente ha los
se hace lo siguiente:
Se ordenan estos en forma decreciente, asignándole a cada uno un número de orden m. Al
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máximo le corresponderá el valor 1, al inmediato siguiente 2, etc.
Entonces el valor de del periodo de retorno para
se calculará utilizando la
fórmula de Weibull con la ecuación:
Finalmente, el valor de cada (3)
se obtiene sustituyéndolo el valor de la ecuación (2) y
El intervalo dentro del cual puede variar el se obtiene como:
calculado por la ecuación (1),
√ Siendo:
∑
∑
∑
∑
∑
∑
∑
El caudal máximo de diseño correspondiente a un determinado periodo de retorno será al caudal máximo obtenido de la ecuación (1), mas el intervalo de confianza calculado según la ecuación (4). 3.3 Método Lebediev: •
Este método está basado en suponer que los caudales máximos anuales son variables aleatorias Pearson tipo III.
•
El caudal de diseño se obtiene a partir de la fórmula:
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Donde:
Y
√
A=coeficiente que varía de 0.7 a 1.5, dependiendo del número de años del registro. Cuantos más años de registro haya, menor será el valor del coeficiente. Si N es mayor de 40 años, se toma el valor de 0.7 =coeficiente de asimetría, se calcula como:
∑
=2
para avenidas producidas por deshielo
=3
para avenidas producidas por tormentas
=5
para avenidas producidas por tormentas en cuencas ciclónicas
Entre estos valores, se escoge el mayor.
= Coeficiente de variación, que se obtiene de la ecuación: ∑ √
= coeficiente que depende de los valores de
(ecuación 5) y de la probabilidad P=1/T,
su valor se encuentra en la Tabla N°11. K= coeficiente que depende de la probabilidad P=1/T, expresada en porcentaje de que se repita el caudal de diseño y del coeficiente de asimetría
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N= años de observación =intervalor de confianza en m3/s =caudal de diseño en m3/s =caudales máximos observados en m3/s = caudal promedio en m3/s
∑ Para obtener los valores de K, que es el coeficiente que depende de la probabilidad, en porcentaje, ver Tabla N°12
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CAPÍTULO 4 CONCLUSIONES
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Como podemos observar existen muchos métodos para el cálculo de caudal de diseño, puesto que la diferencia entre respuestas pueden llegar a ser muy amplias, ya que estos dependen de la cantidad de variables que se le asignan.
El cálculo del tiempo de concentración depende cuantiosamente de los datos obtenidos del lugar estudiado, ya que existen métodos que exigen más datos que otros para su hallazgo.
Existen métodos que exigen una cantidad mucho mayor de datos que otros puesto que ellos depende el estudio del lugar y sus condiciones.
Uno de los métodos no mencionados, pero que siempre está presente es la del mismo criterio del ingeniero ya que el cálculo también depende de los factores empíricos y racionales.
El método Creager presentado es de total aplicabilidad en las cuencas peruanas; más aún, han sido desarrollados tomando en consideración la realidad de nuestro territorio.
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CAPÍTULO 5 REFERENCIAS BIBLIGRÁFICAS
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Maderey L (2005). Principios de Hidrogeografía, Estudio del ciclo hidrológico. México, Universidad Nacional Autónoma de México.
Ray E. y. Franzini J. [1974] Ingeniería de los recursos hidráulicos. Editorial continental, México.
Velasquez, S. (2011). Curso de Hidrología-Caudales máximos II [Diapositivas].
Ministerio de Transportes y Comunicaciones. Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje Recuperdo de: http://transparencia.mtc.gob.pe/idm_docs/P_recientes/970.pdf
Cahuana, A Y Yugar, W. (2009). Material de apoyo didáctico para la enseñanza y aprendizaje de la asignatura de hidrología CIV-233. Cochabamba, Bolivia.
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CAPÍTULO 6 ANEXOS Y TABLAS
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ANEXOS Y TABLAS TABLA N° 1: Valores de Periodo de retorno T (Años)
Fuente: recuperado del MTC, (Monsalvo, 1999) TABLA N°2: Valores recomendados de riesgo admisible de obras de drenaje
Fuente: MTC-Manual de hidrología, hidráulica y drenaje.
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TABLA N°3 : Métodos de cálculo de Tiempo de Concentración (Tc).
Fuente: Manual de hidrología, hidráulica y drenaje (MTC).
30
TABLA N°4 : Valores de “n” según Horton:
31
Fuente: Curso - Hidrología UCV.
32
TABLA N°5: Valores de Coeficiente de escorrentía:
Fuente: Curso - Hidrología UCV.
33
TABLA N°6: Lluvias máximas con duración de 1 hora para diferentes periodos de retorno.
Fuente: Curso - Hidrología UCV.
34
TABLA N°7: Curvas estándar de Intensidad-Duración
Fuente: Curso - Hidrología UCV.
35
TABLA N°8: Gráfico para diferentes valores de “N”
FUENTE: diapositiva del curso Hidrología - UCV
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TABLA N°8: Número de curva para complejos hidrológicos de suelo de cobertura.
Fuente: Curso - Hidrología UCV.
37
TABLA N°9: Valores en Función de N Fuente: Curso - Hidrología UCV.
38
TABLA N°10: Valores de √
Fuente: Curso - Hidrología UCV.
39
en función de
TABLA N°11: Gráfico para hallar el coeficiente Er que depende de Cv
Fuente: Velasquez S. (2011).
40
TABLA N°12: Valores de K en método estadístico de Lebediev.
Fuente: Velásquez S. (2011).
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ANEXO 1
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