“SECRETARÍA DE AGRICULTURA, GANADERÍA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACIÓN” Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyos para el Desarrollo Rural”
HIDROLOGÍA APLICADA A LAS PEQUEÑAS OBRAS HIDRÁULICAS
COLEGIO DE POSTGRADUADOS
CONTENIDO ÍNDICE DE FIGURAS ......................................... 2 ÍNDICE DE CUADROS ....................................... 2 1.
INTRODUCCIÓN ........................................ 3
2.
DETERMINACIÓN DEL ÁREA DE INFLUENCIA DE UNA CUENCA ....................................... 3
3.
CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN PROMEDIO EN UNA CUENCA....................................... 4
3.1 Método Media aritmética ............................ 4 3.2 Polígonos de Thiessen .................................. 4 3.3 Método de las isoyetas ................................ 5 4.
PERÍODO DE RETORNO (T) ........................ 6
5.
ESTIMACIÓN DEL VOLUMEN MEDIO ANUAL DE ESCURRIMIENTO.................................. 7
11. ANEXO 3. ................................................ 20
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Pequeños embalses. ............................ 3 Figura 2. Delimitación de una cuenca hidrográfica. ........................................................ 4 Figura 3. Polígonos de Thiessen. ......................... 5 Figura 4. Isoyetas. ............................................... 5 Figura 5. Elementos de una sección transversal. 9 Figura 6. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF). .................................................................. 10 Figura 7. Distribución de la velocidad del flujo en una sección transversal. .................................... 12 Figura 8. Regiones hidrológicas de la República Mexicana ........................................................... 17
ÍNDICE DE CUADROS
5.1 Coeficiente de escurrimiento....................... 7 6.
ESTIMACIÓN DE LA AVENIDA MÁXIMA O ESCURRIMIENTO MÁXIMO ....................... 8
6.1 Envolventes de Creager ............................... 8 6.2 Método de las huellas máximas .................. 9 6.3 Fórmula Racional ......................................... 9 6.4 Método racional modificado ....................... 9 7.
AFORO DE MANANTIALES Y CORRIENTES . 11
6.5 Método volumétrico .................................. 11 7.1 Método sección-velocidad ......................... 11 8.
BIBLIOGRAFÍA.......................................... 12
9.
ANEXO 1 .................................................. 14
10. ANEXO 2. ................................................. 17
2
Cuadro 1. Ejemplo de cálculo de Períodos de Retorno para eventos máximos anuales de lluvia. ............................................................................. 6 Cuadro 2. Períodos de retorno para diferentes categorías de presas............................................ 7 Cuadro 3. Velocidad media del agua (m/s) en cauces. ............................................................... 11 Cuadro 4. Valores de K, en función del tipo y uso de suelo. ............................................................ 14 Cuadro 5. Regiones hidrológicas de la República Mexicana, valores del coeficiente c de Creager y Lowry. ................................................................ 17 Cuadro 6. Valores del coeficiente de rugosidad (n) de Manning para cauces naturales.............. 20
HIDROLOGÍA APLICADA A LAS PEQUEÑAS OBRAS HIDRÁULICAS 1. INTRODUCCIÓN El significado literal de la palabra Hidrología es; “el estudio del agua”. La Hidrología es la ciencia que estudia el agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre; sus propiedades físicas y químicas y su relación con el medio ambiente incluyendo a los seres vivos.
los recursos hídricos de una cuenca hidrológica que delimita determinada obra de captación y definir la capacidad más adecuada para el embalse, y 2) para la estimación de las máximas avenidas que pueden presentarse durante la vida útil de la obra, con el fin de diseñar de forma adecuada las estructuras necesarias que permitan su tránsito sin producir daños a las obras y prácticas COUSSA.
La Hidrología aplicada está constituida por aquellas partes de la Hidrología que atañen al diseño, construcción y operación de proyectos de Ingeniería para el control y aprovechamiento del agua. En la fase de planificación y diseño, el análisis hidrológico se dirige básicamente en fijar la capacidad y seguridad de las estructuras hidráulicas. Los procesos físicos que aborda la hidrología involucran tantas variables, que su estudio, desde un enfoque puramente determinístico, resulta poco útil para la Ingeniería Hidrológica, puesto que en la resolución de problemas reales normalmente no se dispone de los niveles de información necesarios para abordar este tipo de planteamientos. Con frecuencia, es necesario partir de un conjunto de hechos observados y mediante análisis empíricos o conceptuales, definir las magnitudes y frecuencias de volúmenes de escurrimiento y caudales de conducción. En el presente documento se presentan los principales métodos empíricos: 1) para evaluar
Figura 1. Pequeños embalses.
2. DETERMINACIÓN DEL ÁREA DE INFLUENCIA DE UNA CUENCA Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia, que caen sobre ella, tienden a ser drenadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida. La cuenca hidrográfica constituye la unidad de gestión del recurso hidráulico, y por definición es el territorio donde las aguas fluyen al mar a través de una red de cauces que convergen en uno principal, o bien el territorio en donde el
3
agua forma una unidad autónoma o diferenciada de otras, aún sin que desemboque en el mar.
años, de las estaciones meteorológicas existentes dentro de la cuenca y su periferia.
Tradicionalmente, la delimitación de cuencas se ha realizado mediante la interpretación de los mapas cartográficos (Figura 2). Este proceso ha ido evolucionando con la tecnología; hoy en día, con los sistemas de información geográfica (SIG) y los Modelo Digitales de Elevación se puede delimitar el área de escurrimiento en forma sencilla.
A partir de dicha información se puede ponderar la aportación espacial de cada sitio a través de los siguientes métodos: aritmético, Thiessen o de las curvas isoyetas, que se describen a continuación. 3.1 MÉTODO MEDIA ARITMÉTICA Es el método más simple para obtener la precipitación media sobre una cuenca; consiste en efectuar un promedio aritmético de las cantidades de lluvia medidas en dicha áreas. Este método se recomienda en: regiones planas, con estaciones distribuidas uniformemente, con elevado número de pluviómetros y donde el gradiente de precipitación tenga una variación menor al 10% con respecto a la media. 3.2 POLÍGONOS DE THIESSEN
Figura 2. Delimitación de una cuenca hidrográfica.
3. CÁLCULO DE LA PRECIPITACIÓN PROMEDIO EN UNA CUENCA Un primer factor, de gran importancia para la estimación de los parámetros hidrológicos, es la estimación de la precipitación media en un lapso de tiempo y distribución espacial dentro de la cuenca. Para calcular la precipitación promedio en una cuenca, es necesario analizar las series de datos de precipitación disponibles, al menos por 30
4
Este método se basa en ponderar el valor de la variable climática en cada estación en función de un área de influencia ai, superficie que se calcula según un procedimiento de poligonación. El procedimiento asume que en el área de influencia, definida por la poligonal, ocurre el mismo valor de lluvia de aquel observado en la estación meteorológica más cercana (Figura 3). Los polígonos de Thiessen tienen la desventaja de proporcionar una distribución discontinua de la lluvia sobre la cuenca y de considerar una distribución homogénea dentro de cada polígono. Sin embargo, se considera que la ponderación que propone proporciona
resultados rápidos y aceptables. La ponderación se determina como: ∑
(1)
Donde: D = altura de precipitación media, mm.
(isoyetas). Este método, hasta donde la red de estaciones meteorológicas lo permita, proporciona un plano con la distribución real de la precipitación dentro de la cuenca (Figura 4). El valor de la precipitación media, en la cuenca, se obtendrá a partir de la siguiente expresión: ∑
(2)
ai = área de influencia de la estación, km2. Di = precipitación media en la estación i, mm. 2
A = área total de la cuenca, km .
Donde: ai = área entre cada dos isoyetas, km2. Di = promedio de precipitación entre dos isoyetas, mm.
Figura 3. Polígonos de Thiessen.
3.3 MÉTODO DE LAS ISOYETAS
Figura 4. Isoyetas.
Consiste en obtener, a partir de los datos de las estaciones meteorológicas, las líneas que unen los puntos con igual valor de precipitación
5
Cuadro 1. Ejemplo de cálculo de Períodos de Retorno para eventos máximos anuales de lluvia.
4. PERÍODO DE RETORNO (T) Período de retorno es uno de los parámetros más significativos a ser tomado en cuenta en el momento de dimensionar una obra hidráulica destinada a soportar avenidas, como por ejemplo: el vertedero de una presa, los diques para control de inundaciones; o una obra que requiera cruzar un río o arroyo con seguridad, como puede ser un puente. El periodo de retorno se define como el intervalo de recurrencia (T), al lapso promedio en años entre la ocurrencia de un evento igual o mayor a una magnitud dada. Este periodo se considera como el inverso de la probabilidad, del m-ésimo evento de los n registros. El valor del periodo de retorno se determina en función de la posición de la variable aleatoria (Pmáx o Qmáx en su caso) en una tabla de valores, ordenados de mayor a menor, como se muestra en el Cuadro 1. Con base en las siguientes relaciones:
y Donde: T = Período de retorno (años). n = Numero de años de registro. m = Número de orden. P = Probabilidad.
6
(3)
Fecha
Lluvia (mm)
Lluvia ordenado (mm)
Número de orden (m)
Período de retorno T (años)
Probabilidad P (%)
1992
51.0
80
1
17
5.88
1993
40.0
54
2
8.5
11.76
1994
29.0
51
3
5.7
17.65
1995
40.0
50
4
4.3
23.53
1996
40.0
50
5
3.4
29.41
1997
50.0
45
6
2.8
35.29
1998
54.0
44.5
7
2.4
41.18
1909
40.0
40
8
2.1
47.06
2000
40.0
40
9
1.9
52.94
2001
40.0
40
10
1.7
58.82
2002
44.5
40
11
1.5
64.71
2003
50.0
40
12
1.4
70.59
2004
45.0
40
13
1.3
76.47
2005
33.0
35
14
1.2
82.35
2006
80.0
33
15
1.1
88.24
2007
35.0
29
16
1.1
94.12
El período de retorno para el que se debe dimensionar una obra varía en función de la importancia de la misma (interés económico, socio-económico, estratégico, turístico), de la existencia de otras vías alternativas capaces de remplazarla, y de los daños que implicaría su ruptura: pérdida de vidas humanas, costo y duración de la reconstrucción, costo del no funcionamiento de la obra, etc. En presas pequeñas, para la selección del período de retorno, se utiliza el Cuadro 2, y se determina en función de la categoría de la presa.
Cuadro 2. Períodos de retorno para diferentes categorías de presas. Categoría de la presa
Período de retorno(años) para la avenida de diseño del vertedor
Categoría (A): Embalses situados en zonas totalmente deshabilitadas, o bien, inmediatamente aguas arriba de otro embalse de mucha mayor capacidad o de la desembocadura del río en el mar. En este caso, la ruptura de la presa no tendría más trascendencia que las pérdidas económicas propias de ella y no podrían producirse daños a terceros.
50
Categoría (B): embalses situados aguas arriba de núcleos de población. Pero por su capacidad reducida u otras circunstancias, aunque se rompiese la presa por una avenida importante, las víctimas y daños serían los mismos que si no hubiese existido el embalse.
75
Categoría (C): embalses situados aguas arriba de núcleos de población y cuyas características de capacidades, etc., determinan que si se presenta una gran avenida y ésta produce la falla de la presa, la onda de venida debida al vaciado del embalse incrementa sensiblemente las víctimas y daños que ocasionaría por si sola la avenida del rio
reportados en la literatura, o por comparación de cuencas que guarden semejanzas con la estudiada. En caso de carecer de datos físicos de la cuenca, se tomará - de acuerdo con las prácticas hidrológicas habituales - un coeficiente de 0.12 (S.R.H.). El volumen medio de escurrimiento pondera, a través del coeficiente de escurrimiento, el efecto diferencial de las distintas combinaciones de suelos y vegetación presentes en una cuenca (Unidades de Respuesta Hidrológica). El valor medio se determina con la siguiente expresión: (4) Donde:
100
5. ESTIMACIÓN DEL VOLUMEN MEDIO ANUAL DE ESCURRIMIENTO De acuerdo al análisis que se haga de una cuenca, tomando en consideración: las pendientes principales, la forma de concentración de las aguas, la cubierta vegetal existente, la permeabilidad de los terrenos y algunos otros datos de interés, se podrá determinar el coeficiente de escurrimiento que deba aplicarse en cada caso particular, sea a través de tabulares de valores experimentales
Vm = volumen medio anual escurrido, m3. Ac = área de la cuenca, m2. Pm = precipitación media anual, m. Ce = coeficiente de escurrimiento, adimensional. 5.1 COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO En México, la CNA ha publicado la Norma Oficial Mexicana NOM-011-CNA-2000 (Diario Oficial de la Federación, 2 de agosto del 2001), donde establece las especificaciones y el método para determinar la disponibilidad media anual de las aguas nacionales superficiales para su explotación y aprovechamiento (Anexo 1). En dicha norma se muestra el procedimiento autorizado para calcular el coeficiente de escurrimiento (Ce), para el cálculo del escurrimiento medio anual en función del tipo y uso de suelo, y del volumen de precipitación anual.
7
6. ESTIMACIÓN DE LA AVENIDA MÁXIMA O ESCURRIMIENTO MÁXIMO
más adelante. Este caudal máximo será definitivo si no se dispone de otros elementos de juicio.
El método que se use dependerá de los siguientes factores:
Como en el caso anterior, comparar el valor del método de la sección y pendiente, con el obtenido de tomar el 50% del calculado por la fórmula de Creager. En caso de poderse obtener los dos valores, el obtenido en el campo representa en forma más fidedigna las condiciones de avenida máxima, salvo en caso de estimaciones muy discutibles, quedando a criterio y responsabilidad del ingeniero la elección final.
1) Disponibilidad de datos hidrométricos en el sitio de la obra o cerca de ella. 2) De las dimensiones del proyecto y la magnitud de los daños que ocasionaría el fracaso de la obra. Considerando los factores enunciados, para el proyecto de obras de excedencias en pequeñas presas, o embalses definidos por un dique de altura con una capacidad inferior a 100,000m3 y altura entre 10 y 15 metros (Dal-Ré, 2003), se presentan los siguientes casos: 1) Sin construcciones ni cultivos aguas abajo. La capacidad de la obra de excedencias en este caso puede estimarse por simple inspección de las huellas de aguas máximas en el cauce, en puentes, alcantarillas o en sitios donde la observación sea fácil y perfectamente delimitada. Para la determinación de la avenida máxima en este caso, puede usarse el método de sección y pendiente, eligiendo un tramo recto del cauce de 200 m de longitud, aproximadamente, donde puedan obtenerse las secciones hasta las huellas de aguas máximas. Se comparará el caudal así determinado, con el que se obtenga al tomar un 25% del calculado por medio de la fórmula de Creager, que se expone
8
2) Con construcciones y cultivos aguas abajo.
6.1 ENVOLVENTES DE CREAGER La idea fundamental de este método es relacionar el gasto máximo (Q) con el área de la cuenca (Ac). La fórmula de Creager para la "Envolvente Mundial" de escurrimientos, es la siguiente:
A Q C 2.59
0.936A0 .0 4 8
(5)
Donde: Q = Gastos de la avenida máxima en m3/s. C = la SARH tiene evaluado C para cada una de las 37 regiones hidrológicas del país. A = Área de la cuenca en Km2. Los valores de C para las diferentes regiones hidrológicas de nuestro país se reportan en el Anexo 2.
6.2 MÉTODO DE LAS HUELLAS MÁXIMAS
Utilizando las ecuaciones (6 y 7), se puede escribir:
Este método se utiliza para estimar el gasto máximo que se presentó durante una avenida reciente, en un río donde no se cuenta con ningún otro tipo de aforo. Para su aplicación se requiere solamente contar con topografía de un tramo del cauce y las marcas del nivel máximo del agua durante el paso de la avenida (Figura 5).
⁄
⁄
6.3 FÓRMULA RACIONAL Este método asume que el máximo porcentaje de escurrimiento de una cuenca pequeña, ocurre cuando la totalidad de tal cuenca está contribuyendo al escurrimiento, y que el citado porcentaje de escurrimiento es igual a un porcentaje de la intensidad de lluvia promedio; lo anterior se expresa mediante la siguiente fórmula:
Figura 5. Elementos de una sección transversal.
(9)
Según la fórmula de Manning, la velocidad es: ⁄
⁄
Donde: (6)
Donde: R = Radio hidráulico, m. Pendiente de la línea de energía específica. n = Coeficiente de rugosidad de Manning (Anexo 3). De la ecuación de continuidad se tiene que: Q=V*A Donde: Q = Gastos de la avenida máxima en m3/s. A = área hidráulica, m2. V = velocidad, m/s.
(8)
(7)
= gasto máximo, m3/s. Ce = coeficiente de escurrimiento, adimensional I = intensidad máxima de lluvia para un período de retorno dado, mm/h. = área de la cuenca, ha. 360 = factor de ajuste de unidades. Es el gasto máximo posible que puede producirse con una lluvia de intensidad I en una cuenca de área y coeficiente de escurrimiento Ce, que expresa la fracción de la lluvia que escurre en forma directa. 6.4 MÉTODO RACIONAL MODIFICADO La modificación al método racional consiste en utilizar los valores de lluvia máxima en 24 horas,
9
CURVAS INTENSIDAD-DURACIÓN-FRECUENCIA 1000.0
INTENSIDAD (mm/h)
para diferentes periodos de retorno, en lugar del valor de la intensidad de lluvia. El método considera que para un periodo crítico, la lluvia reportada en 24 horas puede presentarse en una hora; por tal razón este valor se debe expresar en cm/h. La fórmula queda de la siguiente manera.
2T 100.0
5T 10 T 25 T 10.0
50 T 100 T
(10)
500 T 1.0
Donde: Q = escurrimiento máximo, en m3/s. Ce = Coeficiente de escurrimiento. P = Lluvia de diseño para un período de retorno dado, en cm. A = área de la cuenca, en ha. Intensidad máxima de lluvia (I) El cálculo hidrológico de la avenida de diseño en estructuras cuya cuenca es pequeña, como son: presas de almacenamiento; derivación o control de avenidas; alcantarillas y puentes pequeños; obras de drenaje agrícola y urbano, se deberá basar el análisis en la información disponible sobre lluvias máximas de la zona y en las características físicas de la misma. Las curvas intensidad-duración-frecuencia (IDF) son básicas en todo análisis hidrológico para la estimación de avenidas máximas por métodos empíricos e hidrológicos. En la actualidad, ya se cuenta con las curvas IDF de todo el país editadas por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT), y se encuentran disponibles en su portal de internet.
10
1
10
100
1000
10000
DURACIÓN DE LA LLUVIA (minutos)
Figura 6. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF).
Tiempo de concentración Para poder hacer uso de las curvas IDF, es necesario conocer el tiempo de concentración de la lluvia, que se define como el tiempo que pasa desde el final de la lluvia neta, hasta el final de la escorrentía directa. Representa el tiempo que tarda en llegar al aforo la última gota de lluvia que cae en el extremo más alejado de la cuenca y que circula por escorrentía directa. Por lo tanto, el tiempo de concentración sería el tiempo de equilibrio o duración necesaria para que; con una intensidad de escorrentía constante; se alcance el caudal máximo. El tiempo de concentración se calcula mediante la ecuación: (11) Donde: = tiempo de concentración, h. L = longitud del cauce principal de la cuenca, m.
v = velocidad media del agua en el cauce principal, m/s. La velocidad promedio se obtiene dividiendo la longitud del cauce, en tramos de características similares; para ello se pueden aplicar los valores del Cuadro 3.
Pendiente (%)
Bosques (en la porción superior de la cuenca)
Pastizales (en la porción superior de la cuenca)
Cauce natural no muy bien definido
0 -3
0.3048
0.4572
0.3048
4-7
0.6096
0.9144
0.9144
8 - 11
0.9144
1.2192
1.524
12 - 15
1.0668
1.3716
2.4384
(13)
Q = gasto, l/s. V = volumen del recipiente, l. t = tiempo en que se llena el recipiente, s.
7.1 MÉTODO SECCIÓN-VELOCIDAD
Otra manera de estimar el tiempo de concentración es mediante la fórmula de Kirpich. (12) Donde:
Éste método es el más usado para aforar corrientes. Consiste básicamente en medir la velocidad en varios puntos de la sección transversal de una corriente, para después calcular el gasto por medio de la ecuación de continuidad: (14)
= tiempo de concentración, h. S = pendiente del cauce principal. L = longitud del cauce principal, m.
MANANTIALES
El método consiste en medir el tiempo en que se llena un recipiente de volumen conocido, y el gasto se determina con la siguiente expresión:
Donde:
Cuadro 3. Velocidad media del agua (m/s) en cauces.
7. AFORO DE CORRIENTES
6.5 MÉTODO VOLUMÉTRICO
Donde:
Y
En ocasiones, es necesario conocer el gasto que conduce una corriente de agua o que proporciona un manantial; para ello existen varios métodos. A continuación se describen algunos de ellos.
Q = gasto, m3/s A = área de la sección, m2 V = velocidad, m/s La velocidad del flujo en una sección transversal de una corriente tiene una distribución como la que se muestra en la Figura . Para determinar el gasto, no es suficiente medir la velocidad en un solo punto, sino que es necesario dividir la sección transversal del cauce
11
en varias secciones llamadas dovelas (Figura ). El gasto que pasa por cada dovela es:
profundidad de la dovela cada vez que se haga un aforo.
(15) Entonces el gasto total, que pasa por la sección del cauce analizada, es:
= Caudal que pasa por la dovela i (m3/s). = Área correspondiente a la dovela i (m2). = Velocidad media en la dovela i (m/s).
Nivel del cauce
Velocidad máxima
∫
(17)
Donde:
Dovela "i"
n = número total de dovelas
Líneas de igual velocidad
Figura 7. Distribución de la velocidad del flujo en una sección transversal.
La velocidad media se puede tomar como la medida a una profundidad de 0.6 (medida a partir del nivel de la superficie del agua), aproximadamente; donde es el tirante medido al centro de la dovela, cuando éste no es muy grande; en caso contrario conviene tomar al menos dos medidas, a profundidades de 0.2 y 0.8 de ; así la velocidad media sería: (16) Donde y son las velocidades medidas a 0.2 y 0.8 respectivamente. Cuando es muy grande, puede ser necesario tomar tres o más lecturas de velocidad en la dovela y promediarlas. Es recomendable medir la
12
La velocidad del flujo se mide con molinetes, instrumentos que cuentan con una hélice o rueda de aspas que giran impulsadas por la corriente y, mediante un mecanismo eléctrico, transmiten por un cable el número de revoluciones por minuto o por segundo con que gira la hélice. Ésta velocidad angular se traduce después a velocidad del agua usando una fórmula de calibración que previamente se determina para cada aparato en particular.
8. BIBLIOGRAFÍA Arteaga, T. R. E. 1985. ”Normas y Criterios Generales que rigen el proyecto de un Bordo de Almacenamiento”, Depto. de Irrigación, UACh., Chapingo, Méx. Aparicio M. F.J. 2006. Fundamentos de Hidrología de superficie. Ed. Limusa, Mexico, D.F. Campos Aranda, D.F. 1998. Procesos del Ciclo Hidrológico. 3ra. Reimpresión. Universidad Autónoma de San Luis Potosí. Facultad de Ingeniería. San Luis Potosí, México.
CNA. 1994. Lineamientos técnicos para la elaboración de estudios y proyectos de agua potable y alcantarillado sanitario. Dal-Ré Tenreiro. 2003. Pequeños embalses de uso agrícola. Ed. Mundi-Prensa. España. Secretaría de Recursos Hidráulicos (SRH). 1982. Manual para la Estimación de Avenidas Máximas en Cuencas y Presas Pequeñas. Dirección general de obras hidráulicas y de ingeniería agrícola para el desarrollo rural, México, D.F. ELABORARON: Dr. Mario Martínez Menes Dr. Demetrio Fernández Reynoso Ing. Rodiberto Salas Martínez
Para comentarios u observaciones al presente documento contactar a la Unidad Técnica Especializada (UTE) COUSSA
www.coussa.mx Dr. Mario R. Martínez Menes
[email protected] Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso
[email protected] Teléfono: (01) 595 95 5 49 92
Colegio de Postgraduados, Montecillo, México.
Campus
13
9. ANEXO 1 De acuerdo a la Norma Oficial Mexicana NOM011-CNA-2000 conservación del recurso agua, el coeficiente de escurrimiento se determina a partir de los siguientes procedimientos: A. Transferencia de información hidrométrica y climatológica de cuencas vecinas, hidrológicamente homogéneas. En la cuenca vecina se determinan los coeficientes de escurrimientos anuales (Ce), mediante la relación de volumen escurrido anualmente (Ve), entre el volumen de precipitación anual (Vp) correspondiente.
Con los valores del volumen de precipitación anual y el coeficiente de escurrimiento anual obtenidos en la cuenca vecina, se establece una correlación gráfica o su ecuación matemática.
Con apoyo de la ecuación matemática o en la gráfica; y al utilizar los valores del volumen de precipitación anual de la cuenca en estudio, se estiman los correspondientes coeficientes anuales de escurrimiento. B. En función del tipo y uso de suelo y del volumen de precipitación anual, de la cuenca en estudio. A falta de información específica, con apoyo de la cartografía del Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI) y de visitas de campo, se clasifican los suelos de la cuenca en estudio, en tres diferentes tipos: A (suelos permeables); B (suelos medianamente permeables), y C (suelos casi impermeables). Una vez clasificado el suelo (grupo textural A, B, o C) y tomado en cuenta su uso actual, se obtiene el valor de K correspondiente, según el Cuadro 4.
Cuadro 4. Valores de K, en función del tipo y uso de suelo. TIPO DE SUELO
CARACTERÍSTICAS
A
Suelos permeables, tales como arenas profundas y loess poco compactos
B C
Suelos medianamente permeables, tales como arenas de mediana profundidad: loess algo más compactados que los correspondientes a los suelos A; terrenos migajosos Suelos casi permeables, tales como arenas o loess muy delgados sobre una capa impermeable, o bien arcillas TIPO DE SUELO
USO DEL SUELO Barbecho, áreas incultas y desnudas Cultivos: En hilera Legumbres o rotación de praderas Granos pequeños Pastizales: % del suelo cubierto o pastoreo Mas del 75% poco
14
A
B
C
0.26
0.28
0.30
0.24 0.24 0.24
0.27 0.27 0.27
0.30 0.30 0.30
0.14
0.20
0.28
Del 50 al 75% regular Menos del 50% excesivo Bosque: Cubierto más del 75% Cubierto del 50 al 75% Cubierto del 25 al 50% Cubierto menos del 25% Zonas urbanas Caminos Praderas permanentes
Si en la cuenca de estudio existen diferentes tipos y usos de suelo, el valor de K se calcula como la resultante de subdividir la cuenca en zonas homogéneas y obtener el promedio ponderado de todas ellas. K: PARAMETRO QUE DEPENDE DEL TIPO Y USO DEL SUELO
0.20 0.24
0.24 0.28
0.30 0.30
0.07 0.12 0.17 0.22 0.26 0.27 0.18
0.16 0.22 0.26 0.28 0.29 0.30 0.24
0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.33 0.30
Una vez obtenido el valor de K, el coeficiente de escurrimiento anual (Ce), se calcula mediante las fórmulas siguientes:
COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO MEDIO ANUAL (Ce)
Si K resulta menor o igual a 0.15 Si K es mayor que 0.15
P = precipitación anual, en mm El rango donde las fórmulas, para ser validas, es para valores de precipitación anual entre 350 y 2150 mm. La transpiración está incluida en el coeficiente de escurrimiento. C. En aquellos casos en que se cuente con estudios hidrológicos y se conozcan los coeficientes de escurrimiento, éstos se podrán usar para el cálculo del escurrimiento. Información requerida: Procedimiento de cálculo y metodología para determinar la precipitación media anual en la cuenca.
Procedimiento de estimación y consideraciones para determinar el coeficiente de escurrimiento. Relación de las estaciones climatológicas utilizadas para determinar los escurrimientos, indicando sus coordenadas geográficas, así como las entidades federativas a las que pertenecen, poblaciones próximas importantes y alguna otra información de utilidad que permita hacer más claro el cálculo del volumen anual de escurrimiento natural. En el caso de que en la cuenca en estudio no cuente con suficiente información hidrométrica, ni pluviométrica, o ambas sean escasas, el volumen medio anual del escurrimiento natural se determina indirectamente transfiriendo la
15
información de otras cuencas vecinas de la región, mismas que se consideran homogéneas y que cuenten con suficiente información hidrométrica o pluviométrica; para ello se requiere la siguiente información: Nombre y área de la cuenca hidrológica o subcuenca en estudio. Ubicación de la cuenca hidrológica en cartas hidrográficas, indicando su localización con respecto a la región o subregión hidrológica y entidades federativas a las que pertenece. Nombre de las estaciones hidrométricas y su ubicación sobre el cauce principal. Volúmenes de extracción de la cuenca hidrológica en estudio y sus diversos usos. Notas aclaratorias necesarias. Información pluviométrica e hidrométrica de por lo menos 20 años de registro. Descripción del método aplicado, así como la justificación de su empleo en esa cuenca, subcuenca o punto específico. Relación de las variables significativas de la cuenca, empleadas en el coeficiente de escurrimiento. Resultados de las pruebas de homogeneidad hidrológica, climatológica y fisiográfica de las cuencas vecinas, y/o registros empleados en la trasferencia de información.
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10. ANEXO 2.
Figura 8. Regiones hidrológicas de la República Mexicana Cuadro 5. Regiones hidrológicas de la República Mexicana, valores del coeficiente c de Creager y Lowry. VALORES DE "C" No.
REGIONES HIDROLÓGICAS
CORRIENTES PRINCIPALES CREAGER
LOWRY
1
Baja California Norte
30
665
2
Baja California Sur
72
1614
3
Cuanca del Río Colorado
14
580
4
NOROESTE
4-A
Zona Norte
35
1223
4-B
Zona Sur
64
1969
Tijuana, Gpe., Sto. Domingo. Ríos E.U.A. Sta. Ana, Los Angeles, San Gabriel, Little Tujunga, Cañon- Saw Pit, Colorado, Gila, Otay, Sweet Water, San Diego. Tinaja, San Ignacio, San José de Gracia, San Gregorio, Purísima, Comondú, Sto. Domingo, Soledad, Colorado, Carrizal, Mulejé, Sta. Águeda, San José del Cabo. Colorado, Gila.
Sonoita, Concepción, Sonora, Guaymas, Matape, Yaqui, Cocoraqui, Mayo. Fuerte, Sinaloa, Mocorito, Chico Ruíz, Culiacán, San Lorenzo, Elota, Salado, Piaxtla, Quelite, Presidio, Baluarte, Las Cañas, Acaponeta, Bejuco, San Pedro.
ESTADOS COMPRENDIDOS Baja California N. California (USA). Arizona (USA)
Baja California S. Arizona (USA)
Sonora y Chihuahua. Sinaloa, Chihuahua, Nayarit y Durango.
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VALORES DE "C" No.
REGIONES HIDROLÓGICAS
5
CUENCA DEL RÍO LERMA
5-A
Zona Río Santiago
CORRIENTES PRINCIPALES
ESTADOS COMPRENDIDOS
CREAGER
LOWRY
19
720
Río Santiago y sus Afluentes: Verde, Juchipilo, Bolaños, Huaynomota.
Jalisco, Nayarit, Zacatecas, Aguascalientes, Michoacán y Guanajuato. México, Michoacán, Guanajuato, Jalisco y Querétaro.
5-B
Zona Río Lerma Chapala
16
400
Río Lerma Y sus Afluentes: Otzolotepec, Tepetitlán, Tarandacuao, Tigres, La Laja, Guanajuato, Silao, Turbio, Duero. Lago de Chapala y sus Afluentes: Sahuayo, La Pasión, Zula.
6
PACÍFICO CENTRO
10
3512
San Blas, Huicila, Ameca, Tomatlán, San Nicolás Ouixmala, Purificación, Cihuatlán, Armería, Coahuayana, Istala, Nexpa, Chuta, Carrizal.
7
CUENCA DEL RÍO BALSAS
7-A
Zona Bajo Balsas
32
1143
Río Balsas y sus Afluentes: Ajuchitlán, Alahuixtlán, Cutzamala, Tacámbaro, Tepalcatepec.
Michoacán, México, Guerrero y Jalisco.
7-B
Zona Alto Balsas
18
393
Río Balsas y sus Afluentes: Atoyac, Mixteco, Tlapaneco, Amacuzac, Tepecoacuilco, Cocula.
Puebla, Tlaxcala, Guerrero, Morelos, México y Oaxaca.
62
1679
Oxmitlán, Ixtapa, San Jeronimito, Petatlán, Coyuquila, San Luis, Teoapan, San Jerónimo, Coyuca, Sabana, Atoyac, Papagayo, Ojipa, Sta. Catarina, Verde, Tehuantepec, De los Perros, Chicapa, Sto. Domingo, Niltepec, Ostuta, Coapan, Hixtla, Cahuacán y Suchiate.
Guerrero, Oaxaca y Chiapas.
Nayarit, Jalisco, Colima y Michoacán.
8
PACÍFICO SUR
9
CUENCA DEL RÍO BRAVO
9-A
Zona Río Conchos
23
613
Florido, San Pedro, Bravo, Conchos.
Texas (USA), Chihuahua y Durango.
9-B
Zona Río Salado y San Juan
91
2783
Bravo, San Diego, Salado, San Juan, Arroyo Pinto.
Coahuila, Nuevo León, Tamaulipas, Texas (USA).
10
GOLFO NORTE
61
1352
Camacho Purificación, San Fernando y Soto la Marina.
11
CUENCA DEL RÍO PÁNUCO
11-A
Zona Alto Pánuco
14
314
Río Panuco y sus Afluentes: Enramadas, Tula, San Juan del Río.
Guanajuato, San Luis Potosí, Querétaro, Hidalgo, Veracruz, Tamaulipas y Nuevo León.
Tamaulipas y Nuevo León.
México, Hidalgo, San Luis Potosí y Querétaro.
11-B
Zona Bajo Pánuco
67
1504
Axtla, Tamesí, Pánuco, Tampaches, Temiahua, De las Charcas, Palo Gordo, Carvajal, Tancochin, San Miguel, Milpillas, Tempoal, Moctezuma, Tampaón.
12
GOLFO CENTRO
59
1590
Tuxpan, Cazones, Tecolutla, Nautla, Calipa, Sta. Ana, Bca. Fernández, Juchique, Platanar, Actopan, La Antigua, Jamapa, Higueras del Pato.
Veracruz y Puebla.
13
CUENCA DEL RÍO PAPALOAPAN
36
933
Ríos: Papaloapan, Usila, Blanco. Afluentes: San Juan Evangelista, Tesechoacán, Valle Nacional, Sto. Domingo, Tonto.
Veracruz, Oaxaca y Puebla.
14
GOLFO SUR
36
933
Ríos: Papaloapan, Usila, Coatzacoalcos, Tonalá.
Veracruz, Tabasco y Oaxaca.
18
VALORES DE "C" No.
REGIONES HIDROLÓGICAS
CORRIENTES PRINCIPALES CREAGER
LOWRY
ESTADOS COMPRENDIDOS
15
SISTEMA GRIJALVA USUMACINTA
50
1060
Ríos: Cintal, Soyatengo, Grijalva, Usumacinta.
16
PENÍNSULA DE YUCATÁN
3.7
109
Chumpan, San Pedro, Candelaria, Champotón, Hondo.
Yucatán, Campeche, Tabasco y Quintana Roo.
17
CUENCAS CERRADAS DEL NORTE (ZONA NORTE)
4
154
Bravo, Casas Grandes, Sta. María, El Carmen.
Chihuahua, Texas (USA), New México (USA).
18
BOLSON DE MAPIMÍ
19
CUENCAS CERRADAS DEL NORTE (ZONA SUR)
26
862
Nazas, Aguanaval.
Durango, Zacatecas y Coahuila.
20
EL SALADO
45
1123
Alaquines, San Luis Potosí.
San Luis Potosí, Nuevo León, Zacatatecas, Tamaulipas.
21
DURANGO
8.4
213
Ríos: San Pedro, Cuatimapé. Afluentes: La Sauceda, El Tunal, Coapanco, Santiago, Poanas, Suchil.
Durango y Zacatecas.
22
CUENCAS DE CUITZEO Y PÁTZCUARO.
6.8
1146
Río Queréndaro.
23
VALLE DE MÉXICO
19
593
Sordo, Cuautitlán, Tlalnepantla, Churubusco, de la Magdalena.
24
CUENCA DEL RÍO METZTITLÁN
37
876
Río Metztitlán.
25
VALLE DEL ORIENTAL, LIBRES Y EL SECO
No se tiene datos por no existir corrientes superficiales de importancia.
Michoacán. México, Distrito Federal. Hidalgo.
No se tiene datos por no existir corrientes superficiales de importancia.
19
11. ANEXO 3. Cuadro 6. Valores del coeficiente de rugosidad (n) de Manning para cauces naturales. TIPO DE CANAL
MÍNIMO MEDIO MÁXIMO
CURSOS MENORES (ANCHO SUPERFICIAL < 30 M) A) DE LLANURAS O PLANICIES (BAJA PENDIENTE) LIMPIOS, RECTOS, A CAPACIDAD PLENA SIN VADOS O CHARCAS PROFUNDAS
0.025
0.03
IDEM, CON MÁS PIEDRAS Y MALEZAS
0.033
0.035
0.04
LIMPIO, CON CURVAS, ALGUNAS POZAS Y BANCOS DE ARENA
0.035
0.04
0.045
IDEM, CON ALGO DE MALEZA Y PIEDRAS
0.04
0.045
0.05
IDEM, A NIVELES BAJOS Y SECCIONES Y PENDIENTES IRREGULARES
0.045
0.048
0.055
0.05
0.05
0.06
0.075
0.07
0.08
0.10
0.15
IDEM ANTERIOR PERO MÁS PEDREGOSA TRAMOS DESCUIDADOS CON MALEZA, POZAS PROFUNDAS TRAMOS CON MUCHA MALEZA, POZAS PROFUNDAS O CAUCES DE CRECIDA CON ÁRBOLES Y ARBUSTOS B) DE MONTAÑA (ALTA PENDIENTE), SIN VEGETACIÓN EN EL CANAL, RIBERAS USUALMENTE EMPINADAS, ÁRBOLES Y ARBUSTOS SUMERGIDOS A LO LARGO DE LAS RIBERAS
0.033
FONDO: GRAVA, RIPIO Y POCOS BOLONES
0.03
0.04
0.05
FONDO: RIPIO Y GRANDES BOLONES
0.04
0.05
0.07
PLANICIES DE INUNDACIÓN A) PASTIZALES, SIN MATORRALES PASTO PEQUEÑO
0.025
0.03
0.035
PASTO ALTO
0.03
0.035
0.05
SIN COSECHAS
0.02
0.03
0.04
CULTIVOS CRECIDOS, PLANTACIÓN EN SURCOS
0.025
0.035
0.045
CULTIVOS CRECIDOS, PLANTACIÓN A CAMPO TRAVIESA
0.03
0.04
0.05
MATORRALES DISPERSOS, GRANDES MALEZAS
0.035
0.05
0.07
POCOS MATORRALES Y ÁRBOLES, EN INVIERNO
0.035
0.05
0.06
POCOS MATORRALES Y ÁRBOLES, EN VERANO
0.04
0.06
0.08
MEDIANA A GRAN CANTIDAD DE MATORRALES, EN INVIERNO
0.045
0.07
0.11
MEDIANA A GRAN CANTIDAD DE MATORRALES, EN VERANO
0.07
0.10
0.16
B) ÁREAS CULTIVADAS
C) MATORRALES
D) ÁRBOLES SAUCES DENSOS, EN VERANO, RECTOS
0.11
0.15
0.20
TIERRA DESPEJADA CON POSTES O TRONCOS DE ÁRBOLES, SIN BROTES
0.03
0.04
0.05
IDEM, CON GRAN CANTIDAD DE BROTES O RAMAS
0.05
0.06
0.08
TRONCOS O POSTES, POCOS ÁRBOLES CAÍDOS, PEQUEÑOS CULTIVOS, NIVEL DE CRECIDA BAJO LAS RAMAS
0.08
0.1
0.12
0.10
0.12
0.16
IDEM, PERO EL NIVEL DE CRECIDA ALCANZA LAS RAMAS CURSOS MAYORES (ANCHO SUPERFICIAL >30 M). EL VALOR DE N ES MENOR QUE PARA EL CASO DE CORRIENTES MENORES SIMILARES, YA QUE LAS RIBERAS OFRECEN MENOS RESISTENCIA EFECTIVA
20
A) SECCIÓN REGULAR SIN ROCAS O MATORRALES
0.025
0.06
B) SECCIONES IRREGULARES Y RUGOSAS
0.035
0.10
