Proyecto de cuenca hidrológica. Objetivo. La hidrología se defne como “La ciencia natural que estudia el agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superfcie terrestre, sus propiedades químicas, ísicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos”, dentro de este panorama general, se incluye el ramo de la hidrología aplicada, que no es más que el uso de las herramientas de estudio de la hidrología para proyectar, construir o supervisar el uncionamiento de instalaciones hidráulicas. al al como pueden ser algunos e!emplos, comunidades con la nece necesi sida dad d de co cons nstr trui uirr puen puente tes, s, es estr truc uctu tura rass para para el co cont ntro roll de avenid avenidas, as, presa presas, s, verted vertedor ores, es, sis sistem temas as de drena drena!e, !e, carre carreter teras as y aeropistas, aeropistas, sistemas de abastecimiento de agua. "omo tal en la ingeniería civil, el ob!etivo de la hidrología es la determinación de eventos, que son análogos a las cargas de dise#o en análisis estructural, por poner un e!emplo$ ya que como dicho anteriormente, tiene usos variados. Los resultados normalmente son estimaciones, con apro%imación limitada en muchos casos y burda en algunos otros. &n la actualidad la hidrología tiene un papel muy importante en el planeamiento del uso de los 'ecursos (idráulicos, y ha llegado a convertirse en parte undamental de los proyectos de ingeniería que tienen que ver con suministro de agua, disposición de aguas servidas, drena!e, protección contra la acción de ríos y recreación. )e otro lado, la in intteg egrrac ació ión n de la hi hidr drol olo ogí gía a co con n la *eograía *eograía matemátic matemática a en espe es peci cial al a tr trav av+s +s de lo loss si sist stem emas as de in ino orm rmac ació ión n ge geog ográ ráfc fca a ha conducido al uso imprescindible del computador en el procesamiento de inormación e%istente y en la simulación de ocurrencia de eventos uturos. )ebido a la importancia del recurso natural que es el agua, aspecto importante para la conservación de un ambiente ecológico y vital, esta es la ciencia que se encarga de proveer de inormación necesaria para para toma tomarr ac acci ción ón en t+r t+rmino minoss de obra obrass y admi admini nist stra raci ción ón.. o obst obstan ante te dada dada la co comp mple le!i !ida dad d que que desa desarrrolla rolla el dete deterrmina minarr los los periodos de retorno de eventos climatológicos e%traordinarios, e%iste un gran gran n-me n-merro de m+tod m+todos os estad estadís ísti tico coss que que prov provee een n de una una estimación hasta ahora aceptada por la ingeniería y la ciencia.
&n este proyecto, se desarrollan los datos necesarios de la subcuenca i/0/, así como reali1ar los m+todos estadísticos para la obtención de datos a los que se les tomara en cuenta para el cálculo de una presa de abastecimiento de agua.
Datos generales. Golfo centro (GC)
'egión 'egión (idrológica 2dministrativa. 'egión (idrológica
RH! Pa"aloa"an (#$%##
&stado "uenca
2
)
Oa&aca ' Pa"aloa"an ( 51025.52 m
3ub "uenca
km
2
)
i R. R . alle acional ($*
m
2
)
La 1ona de estudio se encuentra ubicada en el estado de 4a%aca, con la siguiente reerencia geográfca, 4 56700 4 58700 9 :/700 :8700. &n la clave &:;5 La 1ona de estudio es una sección perteneciente a la “'egión (idrológica” numero << ='( ='(<< <<>. &n la cuen cuenca ca den denomin ominad ada a co com mo 2. ?ue abar abarca ca a la subcuenca i/0/. &l escurrimiento principal es conocido como 'io @apaloapan
'egion hidrológica 3ubcuenca de estudio.
<<
Generalidades. La 'egión (idrológica 2dministrativa ='(2> A *olo "entro =*"> comprende ;;B municipios de cuatro estadosC :85 de Deracru1, :6: de 4a%aca, 50 de @uebla y cinco de (idalgo. @ara eectos administrativos, de acuerdo al )iario 4fcial de la Eederación de echa : de abril de <0:0, el 4rganismo de "uenca *olo "entro =4"*"> queda con ;F< municipios. La "uenca del 'ío @apaloapan orma parte de la 'egión (idrológica 2dministrativa ='(2> A, *olo"entro =*">. &sta '(2 comprende ;;B municipios de cuatro estadosC :85 de Deracru1, :6: de 4a%aca, 50 de @uebla y cinco de (idalgo =Eigura :>. @ara eectos administrativos, de acuerdo al )iario 4fcial de la Eederación de echa : de abril de <0:0, el 4rganismo de "uenca *olo "entro =4"*"> queda con ;F< municipios. La "uenca del 'ío @apaloapan comprende la región hidrológica o. <8G y se encuentra ubicada en la vertiente del *olo de H+%ico, apro%imadamente en la parte media del arco que orma el litoral me%icano. Ireas de las entidades ederativas en el "onse!o de "uenca del 'ío @apaloapan &ntidad Eederativa @orcenta!e correspondiente 4a%aca F:.;FJ @uebla B.:F Deracru1 6:.F
'gua +u"er,ciales
&n la cuenca escurren en promedio ;/,F;B hmF anuales, que representa el 5/J de la disponibilidad del agua. Las aguas superfciales constituyen la principal uente de abastecimiento. 2nualmente se utili1an :8,8;: hmF =incluyendo el uso en hidroel+ctricas>, de los "omprende territorialmente las entidades ederativas de @uebla, 4a%aca y Deracru1 =Eigura < y abla :>, en la que se ubican <;; municipios =Eigura F y abla <> y radica una población de F.F millones de habitantes. &l sistema Kuvial del @apaloapan es el de mayor importancia en el país despu+s del sistema *ri!alva cuales el 5BJ es destinado a producir energía el+ctrica, a trav+s de las presas hidroel+ctricas emascal, "anseco y u%pango, el BJ restante se utili1a principalmente en actividades agropecuarias, industriales y para uso p-blico urbano. Las principales obras de abastecimiento e%istentes se construyeron con el propósito principal del control de avenidas y de esta manera coadyuvar al desarrollo integral de la cuenca. 'gua +ubterr-nea
La recarga total de aguas subterráneas se estima en :,<<
alance H/drico
&n con!unto, la "uenca del 'ío @apaloapan tiene una oerta natural de agua de ;8B6/ hmF anuales, de los cuales el 5/J corresponde a escurrimiento superfciales y el FJ a aguas subterráneas. &l aprovechamiento del agua reali1ado por los dierentes usuarios, asciende a :5,
hmF, siendo este un uso no consuntivo. &l uso consuntivo más importante es la agricultura que requiere B/0 hmF anuales. &n t+rminos generales, la mayoría de las subcuencas cuentan con abundancia del recurso, e%cepto las correspondientes a los ríos Glanco y 3alado que se encuentran en equilibrio, es decir, la oerta y la demanda con equivalente. 0nfraestructura Hidr-ulica Presas de 'l1acena1iento y Derivadoras $ &ntre las obras de control
con las que cuenta la "uenca del 'ío @apaloapan está la @resa @residente 2lemán =emascal, locali1ada sobre el 'ío onto con capacidad de 5,000 HmF$ esta presa es de usos m-ltiples, por e!emploC control de avenidas, generación de energía el+ctrica, etc. ambi+n está la @resa @residente Higuel de la Hadrid ="erro de 4ro>, esta presa está locali1ada sobre el 'ío 3anto )omingo. "on capacidad de F,B;/ HmF, para usos m-ltiples. La región tambi+n cuenta con otras obras de control, que se crearon despu+s del desastre que ocasionó el desborde del 'ío @apaloapan en :5;;. @or e!emplo se hicieron varios cortes de rectifcaron del 'ío @apaloapan, lográndose acortar el recorrido del río por la planicie costera en más de B0 ilómetros, asimismo, se construyeron bordos de protección en ambas márgenes del río.
+ervicio de 'gua Potable
&sta región cuenta con dos plantas potabili1adoras.
@lantas de tratamiento.
+ervicio de 'lcantarillado
&n general, las coberturas de los servicios de agua potable y alcantarillado son ba!as, alcan1ando B6J en agua potable y FBJ en alcantarillado, mientras que las coberturas medias nacionales son del 86J y B8J, respectivamente. &l re1ago es más notorio en las 1onas rurales donde se tienen coberturas apenas del ;0J en aguas potables y BJ en alcantarillado, mientras que las correspondientes medias nacionales son del 6;J
&n la cuenca se ubica un )istrito de 'iego =)'> y dos )istritos de emporal ecnifcado =)>. &l )istrito de 'iego es el 08< 'ío Glanco, mediante el cual se riega una superfcie de :;,:F; hectáreas$ los )istritos de emporal ecnifcado son el 00F esechoacán y el 0, 2ctualmente están en e!ecución las 1onas e%tensivas. Redes de 2onitoreo
La región cuenta con una red de estaciones climatológicas convencionales =que se han vuelto estaciones meteorológicas por la recuencia con la que
transmiten la inormación> e hidrom+tricas como se muestra en la Eigura <<. :5 estaciones son hidrometeorológicas, es decir, monitorean tanto el agua superfcial como las variables meteorológicas, y F son estaciones climatológicas &l 60J de dicha red requiere de una rehabilitación inmediata, y en su caso, se requiere ampliar la red. 'ed de estaciones hidrometeorológicas y climatológicas convencionales en la "uenca del 'ío @apaloapan.
3sos del 'gua
&l uso del agua en la cuenca se distribuye de la siguiente ormaC 2grícola B5J, industrial ::J, agroindustrial :BJ, p-blico urbano :;J y otros usos representan el :J, de un volumen total de :,0F6 HmF9a#o. &%iste una alta demanda no consuntiva =:/,5/< HmF> para generación de energía el+ctrica la cual comprende principalmente la hidroel+ctrica emascal en la presa del mismo nombre, además de otras hidroel+ctricas peque#as como u%pango y "anseco. P4blico 3rbano
&l volumen de e%tracción para el abastecimiento de las poblaciones de la "uenca del 'ío @apaloapan es de :F: HmF9a#o. Las uentes de abastecimiento son de B0J superfcial y B0J subterránea. La cobertura promedio de los servicios de agua potable y alcantarillado en la cuenca son del B6J y FBJ respectivamente.
Nnos de los problemas undamentales en relación al uso p-blico urbano en esta cuenca, es la dispersión de la población ya que e%isten 5,B80 comunidades rurales en la que se asienta el ;5J de la población total. 'gr/cola
&l volumen destinado al uso agrícola en la cuenca es de B/0 HmF9a#o que representa el ;BJ del agua utili1ada para usos consuntivos en la cuenca. &n la cuenca se locali1a un distrito de riego que comprende una superfcie de :;,:F; ha. &n benefcio de :,B/5 usuarios y F:B unidades de riego para el desarrollo rural. 2demás e%isten propiedades privadas que ocupan una superfcie de
Datos t5cnicos. Pendiente 1edia de la cuenca.
La relación que e%iste entre el desarrollo de las inundaciones y la pendiente del terreno es importante, ya que en unción del gradiente del terreno, el escurrimiento aportado por las precipitaciones presentará características específcas para cada cuenca y, a su ve1, para cada una de las subcuencas que la conorman. Las cuencas y subcuencas que presenten mayor porcenta!e de superfcie con pendientes por arriba de los 6omanifestan una
respuesta más rápida y, por tanto, una concentración del agua en menor tiempo, especialmente aguas aba!o, que otras que mantengan pendientes más suaves. O las subcuencas que tengan grandes superfcies con pendientes ba!as tendrán un drena!e más lento y, por consiguiente, mayor concentración de los escurrimientos, pero un pico menos pronunciado aguas aba!o. omando en consideración el análisis de la erosión en dierentes pendientes donde se menciona que los escurrimientos llevan a cabo una erosión media a alta a partir de los 6o, se dividió la cuenca del río @apaloapan en áreas con pendientes menores a los 6 o, que representan el BBJ, y las superfcies con pendientes mayores a 6o, que cuentan con el ;BJ del área de la cuenca. &l porcenta!e entre las superfcies con pendientes menores y las mayores a 6o varía para cada una de las subcuencas del río @apaloapan, como se muestra en la abla.
Las subcuencas de los ríos alle acional y 3anto )omingo alcan1an los mayores porcenta!es =80. con respecto al total de su superfcie, con pendientes mayores a 6o, lo cual nos indica que estas subcuencas tienen una respuesta rápida a los procesos de escurrimiento y concentración del agua. &n contraste, las subcuencas de las llanuras del @apaloapan, y de los ríos 4bispo y 3an Puan, presentan porcenta!es relativos a su superfcie de 55.
mayor estancamiento de la misma. O por -ltimo, las superfcies que conorman las subcuencas de los ríos Glanco, onto y esechoacán presentan un porcenta!e de B6, B<.F y ;5.BJ, respectivamente, con áreas cuyos valores se elevan por arriba de los 6o. &stas subcuencas, al parecer, mantienen una proporción cercana a la mitad entre las superfcies mayores y menores de 6o.
Coe,ciente de Co1"acidad Se obtiene con.
Cc=
0.282 ∗ P
√ A
&n )óndeC @C @erímetro de la subcuenca en m 2C Irea de la subcuenca en m< 2 Irea de la cuenta en estudio :B;F.5< km
@erímetro de la cuenca en estudio
3ustituyendo la ecuación tenemosC Cc=
0.282
∗238.416
√ 1543.92
=1.71
Curva Hi"so15trica &s una curva que indica el porcenta!e de área de la cuenca o bien la superfcie de la cuenca en Qm< que e%iste por encima de una cota determinada. @uede hallarse con la inormación e%traída del histograma de recuencias altim+tricas. Nna curva hipsom+trica con concavidad hacia arriba indica una cuenca con valles e%tensos y cumbres escarpadas y lo contrario indicaría valles proundos y sabanas planas.
Curva Hi"so1etrica <000 :000 0 &levacion
:000
:<00
&levacio 2rea n acumulada :000 F.B0< :<00 ;<.:
Orden de corrientes Grado de ifurcacion 7 8
:B00
<000
F000
FB00
Nombre Valle nacional Soyaloapam Rio Paloma Rio Bobo C. Zacate Arroyo Banca Escrrimento A Escrrimiento B
Tipo Efimera Efímera Efímera Efímera Intermitente Intermitente Efimera Intermitente
Orden 3 2 1 1 1 1 1 1
Densidad de Corriente &sta característica es indicador de la efciencia del drena!e, pero debe mane!arse con criterio, debido a que puede ocurrir que se tengan dos
cuencas dierentes con la misma densidad de corrientes y estar drenadas en orma dierente, dependiendo de la longitud y disposición de sus corrientes. Dc =
Nc
Nc Ac
R numero de corrientes
Ac R área de la cuenca Dc=
8 1543.92
=0.005= 0.5
Densidad de drenaje &sta característica es más real y confable que la densidad de corrientes, ya que e%presa la longitud de las corrientes por unidad de área. Dc =
Lc Ac
Lc ! 2"#.23 $m Ac ! 1#%3.&2 $m2
Dd=
275.23 1543.92
=0.178 ≈ 18
Pendiente 1edia de la corriente "rinci"al. S=
S=
Desnivel ( m) Longitud de corriente principal
( 4000−1000 ) 47619 m
S =.0630
R 6.%9:
Rect-ngulo ;
L=
I =
1.71 √ 1543.92 1.128
1.71 √ 1543.92 1.128
[ 1 +√ 1−( 1.128 /1.71 ) ] =104.33 km 2
[ √ ( )] 1− 1−
1.128 1.71
2
=14.79 km
Datos cli1atológicos. Ciclo anual de "reci"itación
@ara la elaboración del análisis de precipitación se utili1ó la base de datos diarios de "LM"4H interpolados a una malla regular de 0.:: . )ada su ubicación geográfca, la "uenca del 'ío @apaloapan en general se caracteri1a por un periodo relativamente seco durante los meses de invierno y parte de la primavera =noviembremayo>, y un periodo lluvioso en los meses de verano y oto#o =!uniooctubre> &l invierno =diciembreebrero> está dominado por sistemas meteoroló gicos de latitudes medias, como los rentes ríos. "onorme estos rentes se despla1an hacia el *olo de H+%ico, se e%perimenta una disminución en la temperatura, así como lluvias que en ocasiones suelen ser intensas a lo largo de la vertiente del *olo de H+%ico. 2lgunos de estos sistemas logran avan1ar hacia los Hares Mntra2mericanos, convirti+ndose en los llamados “ortes”, que aectan el *olo de H+%ico y sureste de H+%ico, e incluso en ocasiones hasta "entroam+rica y el "aribe =3chult1 et al. :55/>. "iclo anual de precipitación =en mm> en la "uenca del @apaloapan.
)urante el verano, la actividad de ondas del este es considerada como un mecanismo determinante en las lluvias de la región =Páuregui :56/$<00Fa>, se presentan entre mayo y noviembre, despla1ándose sobre el 4c+ano 2tlántico desde Irica hasta el "aribe, *olo de H+%ico y en ocasiones al
4c+ano @acífco del este =3alinas <006>. &l paso de ondas del este sobre H+%ico resulta en variabilidad de alta recuencia importante de las lluvias asociadas a la humedad que acompa#a al paso de estos sistemas =Páuregui :56/$ 3alinas <006>. )ada su situación geográfca, H+%ico se encuentra en medio de dos regiones ciclog+nicas muy activasC el @acífco del este y Har "aribe. @or lo que la actividad de estos sistemas es otro actor esencial para las lluvias de verano en la región =Páuregui :56/$ :585$ <00Fb>. &sta cuenca se caracteri1a por ser una región relativamente seca en el oeste con una precipitación anual de B00 mm, hacia la parte central se registran F, 000 mm, mientras que la parte más lluviosa se locali1a al este donde supera los F, B00 mm. &n lo que se refere a la precipitación anual, en una ran!a que se e%tiende en una dirección surestenoroeste se observa una ligera disminución, y es !usto en la 1ona que recibe la mayor cantidad de lluvia la que presente una mayor tendencia a disminuir.
endencia de precipitación anual =en mm9a#o> para el periodo :560<008 en la "uenca del 'ío @apaloapan. Ciclo 'nual
&l cálculo del ciclo anual de escurrimientos, así como el de las anomalías estandari1adas se reali1ó considerando :580 al <008 como el periodo base. &l mismo periodo utili1ado para calcular la climatología de precipitación en la sección anterior. "omo una respuesta a las lluvias que recibe la región, el ciclo anual de escurrimientos, tambi+n tiene su má%imo en septiembre, con
el mínimo de diciembre a abril, que corresponde a la temporada de estia!e de la cuenca.
"iclo anual del gasto =mF9s> para la "uenca del @apaloapan.
=e1"eratura 1edia 'nual
La estación hidrologica encontrada en la subcuenca a anali1ar. &s la llamada santa Haría Pacatepec. &n los que se tienen los siguientes registros.
)e donde se e%tra el siguente dato =e1"eratura 'nual 1edia7 #. grados cent/grados.
Obtención de los vol41enes escurridos 1-&i1os
H+todos relaciones lluvia escurrimiento 25todo de >o?ry
q=
Cl
( Ac + 259 )0.85
)onde "LR coefciente de loVrly 2cR Irea de la cuenca en Qm< "onsiderando que la 1ona de estudio se encuentra en la '( <8 Ac R:B;F.5< QmS
q=
ClR<600
2600 0.85
( 1543.92 + 259 )
= 4.440 m ³ / s / Km ²
Método de las envolventes.
Creager
q = 1.303 C c ( 0.386 Ac ) Ac ∝
∝
=
−1
0.936
Ac
0.048
)atosC Ac R:B;F.5
=
0.936 0.048
1543.92
=0.65799
0.65799
q = 1.303 x 100 ( 0.386 1543.92 )
−1
x 1543.92 =5.654 m ³ / s / Km ²
;l 15todo del hidrogra1a unitario
@ara la determinación del caudal producido por una precipitación en una determinada cuenca hidrográfca. 3i uera posible que se produ!eran dos lluvias id+nticas sobre una cuenca hidrográfca cuyas condiciones antes de la precipitación tambi+n ueran id+nticas, sería de esperarse que los hidrogramas correspondientes a las dos lluvias tambi+n ueran iguales. &sta es la base del concepto de hidrograma unitario. &n la realidad es muy diícil que ocurran lluvias id+nticas$ esta pueden variar su duración$ el volumen precipitado$ su distribución espacial$ su intensidad.
2c R :B;F.5< QmS "alculo del volumen de escurrimiento directo R 8:0.<< % F600 Ve =2916792 m
3
(p en e%ceso. hpe =
V e A c
=
2916792 6
1543.92 x 10
=0.0018 ≈ 0.19 mm
Hietogra1a de "reci"itacion. :8 :6 :; :< :0 8 6 ; < 0
2ltura de precipitacion en =mm>
Hidrogra1a de escurri1iento directo ;0 FB F0
*asto mF9s =?i>
<0 :B :0 B
&scurrimiento
0
hr : < F ; B 6 / 8 5 :0 :: :< :F :; :B
2ltura de precipitaci ón en =mm> :F.< :6.F /.5 ::.< B.8 8./ 6.; ;.; F.; 0 0 0 <.F 0 0
:0 F.< 6.F :.<
Dalores de W 5 :< ;.< :.< :<.: ;.F <.<
:6.:: 0.:5
:6 :/ :8 :5 <0
0 <.B 0.B 0 0.B
:0./
)uración en e%ceso
:8.B
0.:5
B.B
1 hora
(ptR 8F.: mm −3
Vll=81.1 x 10
Ce=
( 2916792 )=236551.33 m
2916792 236551.33
3
=¿ 12.33%
V =2916792 −236551.33 =2680240.67 m
3
25todo racional.
&l 15todo racional se utili1a en hidrología para determinar el "audal Mnstantáneo Há%imo de descarga de una cuenca hidrográfca. La órmula básica del m+todo racional esC
)óndeC R "audal má%imo e%presado en mF9s R "oefciente de escurrimiento =o coefciente de escorrentía> R Mntensidad de la precipitación concentrada en m9s en un período igual al tiempo de concentración tc
R Irea de la cuenca hidrográfca en m2. "on los siguientes datos. 2c R :<;8.:5 QmS mm9h S R 6.F0J
i promedio R B./B
C R :.B
!p =1.5 x 5.75 x 1543.92 =13316.31 m 3 / s
Pro"uesta de Cortina. 4"M4&3 )& &32GMLM)2) )& "4'M23 Las obras hidráulicas se construyen con dos ob!etivos, uno consiste en aprovechar el agua de un río y el otro para deenderse contra los da#os que ocasionan los ríos al desbordarse. )entro de las primeras se tienen las presas de aprovechamiento y derivación y en las segundas las presas contra inundaciones y retenedoras de a1olve. Las presas de almacenamiento pueden tambi+n ser para control de inundaciones y en caso de que el transporte de sedimentos de la corriente no sea alto, y en ella, adicionalmente, se puede considerar
una capacidad de a1olve. Nna presa es un con!unto de estructuras que tienen como ob!eto impedir el paso de una corriente para aprovecharla y9o proteger contra inundaciones y avenidas a poblaciones ubicadas en 1onas cercanas a la corriente o para aprovechar el agua para satisacer cierta demanda de la población e industria.
La demanda requerida de agua, para la 1ona de la subcuenca valle acional seg-n datos de inegi Po b l a c i o nt o t a l d e2 1 . 1 8 9h a b i t a n t e s .
&l gasto medio diario es la cantidad de agua requerida para satisacer las necesidades de la población en un día de consumo promedio. La e%presión que defne el gasto medio es la siguienteC
omando en cuenta que no se estimara para riego ya que este cálculo conlleva un gran n-mero de variables, que por el tiempo del curso, no se podrían desarrollar. •
)otacionR Poblaciones de 15.000 a 60.000 habitantes
!med =
21189 x 220 86,400
m =53.95 s
220 L/d/hab.
3
&l gasto reali1ado por el riego se estimara de un dato tomado de inegi, solo como reerencia.
3
m !med =1350 00 s
La presa se planea mantener en un tercio de su capacidad para reserva. &l área asignada es de B0 m< " =
(
3 53.95+ 135000 500000
)
=81 metros#
