Universidad Nacional de Cajamarca Escuela académico profesional de Ingeniería hidráulica
ASIGNATURA :
HIDROGEOLOGIA HIDROGEOLOGIA
DOCENTE
:
Ing. LUIS DE FRANCHEST ORTIZ
TEMA
:
BALANCE HIDRICO DEL VALLE
ALUMNOS
CICLO
:
:
BUSTAMANTE BUSTAMANTE VASQUEZ, Elva CARUANAMBO CORTEZ, Victor Raúl CORTEZ GÁLVEZ, Vivien Lizbeth CUEVA INGA, Yhosmil DELGADO FUSTAMANTE FUSTAMANTE,, Mayane Arely MEJIA GONZALES, GONZALES, Jhonat TANTALEAN TANTALEAN RAMOS, Jhensor Manuel VALDIVIA DIAZ, Roxana VASQUEZ TAPIA, Walter VIII Septiembre del 2013
A través de la historia, el hombre ha necesitado de un suministro adecuado de agua para su alimentación, seguridad y bienestar. El agua es una necesidad universal y es el principal factor limitante para la existencia de la vida humana. La destrucción de las cuencas naturales hidrográficas ha causado una crítica escasez de la misma, afectando extensas áreas y poblaciones. Sin embargo, a través de la tecnología conocida como captación ("cosecha") del agua, granjas y comunidades pueden asegurar el abastecimiento del agua para uso doméstico y agrícola. La captación consiste en recolectar y almacenar agua proveniente de diversas fuentes para su uso benéfico. El agua captada de una cuenca y conducida a estanques reservorios puede aumentar significativamente el suministro de ésta para el riego de huertos, bebederos de animales, la acuicultura y usos domésticos. A través de la historia, se puede comprender como las civilizaciones llegaron al desarrollo de culturas hídricas muy avanzadas, que permitieron establecer conceptos tales como que “el agua es vida”, “el agua es amiga de la comunidad” o, en muchos otros casos, “enemiga de la comunidad”. Estas definiciones muestran que, efectivamente, el acceso al agua se ha convertido desde la más remota antigüedad en una fuente de poder o en la manzana de la discordia que ha originado grandes conflictos. Con los antecedentes indicados, podemos añadir que la gestión de los recursos hídricos debe compatibilizar o articular la oferta de los recursos (correspondiente al área de las ciencias naturales) con la demanda de la población (estudiada por el área de las ciencias sociales), en función de la utilización de la ciencia y la tecnología. Los últimos estudios relativos a la cuantificación de los recursos hídricos nos muestran que la cantidad de agua en el planeta se mantiene constante, pero que sin embargo la calidad se deteriora, dando lugar a una disminución del recurso hídrico en términos de su oferta. A su vez, la demanda del recurso hídrico se incrementa proporcionalmente al crecimiento de la población, lo cual hace suponer que un exceso o déficit de la oferta del recurso hídrico da lugar a un conflicto social. Si aceptamos que la tendencia de la demanda será siempre a aumentar, llegaremos a un momento en el que la demanda será siempre mayor que la oferta, lo cual solo podría generar un conflicto social crónico. Ante esto, la única alternativa sería el desarrollo de técnicas eficientes para restaurar el sistema y establecer un equilibrio dinámico entre la oferta y la demanda, dando lugar a una armonía social. Como toda herramienta, la resolución de conflictos se ha convertido en una técnica muy adecuada para el estudio de la gestión de los recursos hídricos.
Objetivos generales: Estimar la recarga hídrica del valle de Cajamarca mediante un balance hídrico. Objetivos específicos: Calcular la precipitación Calcular la evaporación Determinar la evapotranspiración Calcular el caudal
1.
BALANCE HÍDRICO
Este método consiste en escribir la ecuación de balance hídrico en términos de volúmenes: S1 + I + P – O - Og - E = S2 S..……….. almacenamiento I ...……….. volúmen de entrada P..……….. precipitación O..……….. volúmen de salida Og……….. infiltración E..……….. evaporación Se trata de un método simple, en teoría, porque en la práctica rara vez da resultados confiables. La razón está en que los errores en la medición de los volúmenes que intervienen y de los almacenamientos repercuten directamente en el cálculo de la evaporación. De todos los términos que entran en la ecuación, el más difícil de evaluar es la infiltración, porque debe ser estimada indirectamente a partir de niveles de agua subterránea, permeabilidad, etc.
Los parámetros del balance tienen validez muy particular para trabajos de ingeniería hidráulica. En forma estricta el balance hídrico sólo examina volúmenes de agua en un tiempo dado y se usa en zonas geográficas con límites arbitrarios. Por definición, el balance hídrico no establece condiciones y procesos de la participación del agua subterránea El balance no es una herramienta que permita definir interacciones entre agua superficial y subterránea en: – –
términos del funcionamiento de ecosistemas respuesta ambiental (hundimiento, inundación, problemas de salud, erosión, pérdida de vegetación, etc.)
El agua subterránea es un agente geológico y por lo tanto, con memoria de los procesos ocurridos en un espacio y tiempo particulares. El balance es válido como método para determinar el caudal de “disponibilidad”, no para conocer el funcionamiento del agua superficial y subterránea. El balance está condicionado a la calidad y cantidad de información y es difícil ratificar los valores encontrados
Aunque pudiera ser exacto un balance:
La recarga estimada no necesariamente es la cantidad de agua que se puede usar (una parte va a los ecosistemas). No define las zonas de recarga, su jerarquía y procesos involucrados. No determina las zonas de descarga su jerarquía y vulnerabilidad. No indica la realidad de cómo y dónde extraen agua los ecosistemas. No indica la conexión entre agua superficial y subterránea y del flujo subterráneo. No indica cuál es la respuesta ambiental a la extracción. No da indicios de la respuesta en el agua subterránea a cambios en el ambiente externo.
1.1.
PRECIPITACIÓN
1. ¿Qué es?
Se entiende por precipitación a la caída de partículas liquidas o sólidas de agua. Es cualquier tipo de agua que cae sobre la superficie de la tierra. Las diferentes formas de precipitación incluyen lloviznas, lluvia, nieve, granizo, agua nieve, y lluvia congelada. Las precipitaciones son importantes porque ayudan a mantener el balance atmosférico. Sin precipitaciones, todas las tierras del planeta serian desiertos. Las precipitaciones ayudan a los granjeros a crecer su siembra y nos proporcionan agua fresca para beber. Las precipitaciones también pueden ser dañinas. Demasiada lluvia puede ocasionar inundaciones severas y muchos accidentes automovilísticos. El granizo puede dañar siembras y autos. La lluvia helada y el agua nieve pueden destruir árboles y torres de poder eléctrico.
2. ¿Cómo se mide? La precipitación se mide mediante instrumentos diseñados para calcular la precipitación llamados pluviómetros o nivómetros. La precipitación líquida se mide utilizando pluviómetros, el vapor medido es la profundidad de agua producida por una precipitación. Otro método de medir el monto de precipitación es a través del uso de radares. El radar es un dispositivo que detecta objetos transmitiendo y recibiendo las reflexiones de la radiación en longitudes de onda de microondas.
3. Tipos de precipitación:
Precipitación ciclónica: es la que esta asociada al paso de una perturbación ciclónica. Precipitación frontal: ocurre cuando dos masas de aire de distintas presiones, tales como la fría (más pesado) y la cálida (más liviana) chocan una con la otra.
Precipitación convectiva: se produce generalmente en regiones calidas y húmedas., cuando masas de aire calidas, al ascender en altura, se enfrían, generándose de esta manera la precipitación.
Precipitación orográfica: es la que se genera durante el ascenso de una nube sobre un relieve como lo son las montañas y las cordilleras. Esto ocurre porque el vapor de agua se eleva demasiado y su temperatura baja lo suficiente como para precipitar en forma líquida.
4. Variaciones:
5.
Temporal: la variación anual de las precipitaciones se da en el ámbito de un año, en efecto siempre hay meses en que las precipitaciones son mayores que en otros. Para evaluar correctamente las características objetivas del clima, las precipitaciones mensuales deben haber sido observadas por un periodo de por lo menos 20 a 30 años, lo que se llama un periodo de observación largo. Espacial: la distribución espacial de la precipitación sobre los continentes es muy variada, donde las precipitaciones son extremadamente escasas y otras muy húmedas; la orografía del terreno influye fuertemente en las precipitaciones. Una elevación del terreno provoca muy frecuentemente un aumento local de las precipitaciones, al provocar la ascensión de las masas de aire saturadas de vapor de agua.
Métodos para calcular la precipitación media de una cuenca
Promedio aritmético Es el método más simple, en el que se asigna igual peso (1/G) a cada estación. Pueden incluirse estaciones fuera del dominio, cercanas al borde, si se estima que lo que miden es representativo. El método entrega un resultado satisfactorio si se tiene que el área de la cuenca se muestrea con varias estaciones uniformemente repartidas y su topografía es poco variable, de forma de minimizar la variación espacial por esta causa. Este método puede usarse para promedios sobre períodos más largos, en que sabemos que la variabilidad espacial será menor. Si se conocen las lluvias anuales en cada estación, el método puede refinarse ponderando cada estación por su aporte anual.
Método de las isoyetas Este es uno de los métodos más precisos, pero es subjetivo y dependiente del criterio de algún hidrólogo que tenga buen conocimiento de las características de la lluvia en la región estudiada. Permite incorporar los mecanismos físicos que explican la variabilidad de la lluvia dentro de la cuenca. El método consiste en trazar líneas de igual precipitación llamadas isoyetas a partir de los datos puntuales reportados por las estaciones meteorológicas. Al área entre dos isoyetas sucesivas, se le asigna el valor de precipitación promedio entre tales isoyetas. Conociendo el área encerrada entre pares sucesivos de isoyetas, obtenemos la precipitación regional. El método requiere hacer supuestos en "cimas" y "hoyos". Al trazar las isoyetas para lluvias mensuales o anuales, podemos incorporar los efectos topográficos sobre la distribución espacial de la precipitación, tomando en cuenta factores tales como la altura y la exposición de la estación. También se recomienda este método para calcular promedios espaciales en el caso de eventos individuales localizados.
Figura: Trazado de isoyetas
Polígonos de Thiessen (1911) El dominio estudiado se divide en G subregiones o zonas de influencia en torno a cada estación. La precipitación medida (o calculada) en cada pluviómetro se pondera entonces por la fracción del área total de la cuenca comprendida en cada zona de influencia. Las subregiones se determinan de manera tal que todos los puntos incluidos en esa subregión estén más cercanos al pluviómetro correspondiente que a cualquier otra estación. Una vez delimitadas las G zonas de influencia, y calculadas sus áreas (dentro de la cuenca) ai , se obtiene el promedio espacial según:
Thiessen ideó el método para delimitar las subregiones correspondientes a cada pluviómetro: se unen las estaciones adyacentes con segmentos de recta, y luego se construyen los bisectores perpendiculares a cada segmento, extendiéndolos hasta que se intersecten, formando polígonos irregulares. Si hay dudas, se resuelven comparando las distancias a los pluviómetros. Note que pueden usarse estaciones ubicadas fuera de la cuenca, siempre que haya sectores más cercanos a éstas que a cualquier otro instrumento ubicado en su interior. Una vez calculados, los coeficientes de Thiessen (ai / A) no cambian, por lo que es fácil usar el método para muchos eventos o períodos distintos. Si en algún caso faltaran datos en una estación, es más fácil estimarlos que rehacer todos los polígonos obviando tal pluviómetro. Si se altera la red hidro meteorológica, sí deben recalcularse los coeficientes del método.
Figura: Trazado de los polígonos de Thiessen
1.2.
EVAPORACION
La evaporación es el balance entre vaporización y condensación. La vaporización es el paso de moléculas de agua de la fase líquida a la fase gaseosa (vapor) y depende sobre todo de la temperatura del agua. También influye la salinidad y la curvatura de la superficie, es decir, la presión del agua. La condensación es el proceso contrario (paso de moléculas de agua en fase gaseosa a líquida) y depende de la presión parcial del vapor de agua. Cuando la presión de vapor en el aire es muy baja, la vaporización supera a la condensación y se produce una evaporación neta. Esto hace que suba dicha presión de vapor, aumentando la condensación. Si no hay algún mecanismo que elimine vapor, supresión parcial seguirá aumentando hasta que la condensación iguale a la vaporización. En ese momento, el aire está saturado y a la presión de vapor correspondiente se le llama de saturación. La circulación del agua en sus diferentes formas alrededor del mundo se conoce como el ciclo hidrológico. En conclusión la Evaporación es el proceso en el cual el agua cambia de estado líquido a estado gaseoso o vapor.
Fundamento Teórico de La Evaporación
Las moléculas de los líquidos poseen energía cinética.
La energía cinética aumenta conforme aumenta la temperatura.
La evaporación se produce cuando la energía cinética de las moléculas les permite liberarse de la atracción de las moléculas les permite liberarse de la atracción de sus vecinas y pueden escapar al aire (cambio dede sus vecinas y pueden escapar al aire (cambio de fase líquido fase líquido--vapor.
Factores que determinan la evaporación a) Radiación solar. Es el factor determinante de la evaporación ya que es la fuente de energía de dicho proceso. b) Temperatura del aire. El aumento de temperatura en el aire facilita la evaporación ya que: en primer lugar crea una convección térmica ascendente, que facilita la aireación de la superficie del líquido; y por otra parte la presión de vapor de saturación es más alta. c) Humedad atmosférica. Es un factor determinante en la evaporación ya que para ésta se produzca, es necesario que el aire próximo a la superficie de evaporación no esté saturado (situación que es facilitada con humedad atmosférica baja).
d) El viento. Después de la radiación es el más importante, ya que renueva el aire próximo a la superficie de evaporación que está saturado. La combinación de humedad atmosférica baja y viento resulta ser la que produce mayor evaporación. El viento también produce un efecto secundario que es el enfriamiento de la superficie del líquido y la consiguiente disminución de la evaporación. e) Tamaño de la masa de agua. El volumen de la masa de agua y su profundidad son factores que afectan a la evaporación por el efecto de calentamiento de la masa. Volúmenes pequeños con poca profundidad sufren un calentamiento mayor que facilita la evaporación. f) Salinidad. Disminuye la evaporación, fenómeno que sólo es apreciable en el mar.
Medida de la evaporación La medida de la evaporación de una superficie de agua se realiza por medio de unos equipos constituidos a base de unos tanques o bandejas de evaporación, que tratan de reflejar en la medida de lo posible las características de inercia térmica, humedad, viento, etc., de la zona que se quiere medir. Existen varios tipos, todos ellos con una superficie del orden de 1 a 2 112, y que se sitúan llenos de agua en la zona a medir. Todos ellos deben disponer de un pluviómetro ya que la evaporación neta debe excluir el aporte de agua por precipitación. La evaporación se mide como volumen de déficit en el tanque, por lo que deben disponer de una medida precisa para el nivel del agua dentro del tanque. - De superficie; tienen el problema de recibir mayor radiación térmica por las paredes así como de tener menos inercia térmica y de perturbar el régimen de viento en su entorno. - Enterrados; no tienen los problemas anteriores pero por otra parte, es más f ácil que se introduzcan en ellos cuerpos extraños. - Flotantes; se han intentado utilizar en los embalses pero presentan graves dificultades de medida así como problemas con el oleaje.
Todos los tipos deben ser protegidos de los animales y aves por medio de mallas ya que acuden a ellos a beber. Las medidas en tanque son mayores que las reales definiéndose un coeficiente del tanque “k”, tal que k = (evaporación real / evaporación en el tanque); k oscila entre 0,7 y 0,9 y es cuasi constante para cada tipo de tanque.
Cálculo de la evaporación
1. Método de balance energético Determina la evaporación por unidad de superficie y segundo, en función de la radiación neta que entra, de la densidad del agua, y del calor latente de evaporación (calor necesario para que una sustancia cambie de estado): E = Rn / (Lv·fw) mm/día Donde Lv = (2,501·106 - 2370·TªH20ºC) J/Kg.
2.
Método de meyer
Esta fórmula ha sido muy utilizada y considera la acción del viento: E (mm/día) = c·(Pa - P)·(1 + v/16) Donde c es un coeficiente (0.36 para grandes masas y 0,50 para charcas o pantanos); Pa es la presión del agua de vapor en mm de Hg; P es la presión de vapor del aire en mm de Hg; y v es la velocidad del viento en Km/hora a una altura de 7,64 m. de la superficie del agua.
3. Método aerodinámico completo Esta forma de cálculo tiene en cuenta el viento pero no la altura. La evaporación se mide en mm/día: E = B·(Pa - P) = (0,102·v) / [Ln(z/z0)]2 Donde B es el coeficiente de transporte de vapor; ( z ?); z0 es la altura de rugosidad en superficies naturales (equivale a una resistencia); Pa es la presión del agua de vapor en mm de Hg; P es la presión de vapor del aire en mm de Hg; v es la velocidad del viento en Km/hora a una altura z ; * Este método es bueno, pero a veces los resultados son excesivos debido a que intervienen muchas variables.
1.3.
EVAPOTRANSPIRACION
La evapotranspiración es el proceso mediante el cual la superficie terrestre devuelve a la atmósfera en forma de vapor el agua que ha precipitado sobre ella a través de dos procesos: uno eminentemente físico como es la evaporación directa de la humedad del suelo, de las láminas de agua, de las capas de hielo, nieve y otras cubiertas, la interceptada por la vegetación, y de la transpiración, proceso biológico físico realizado por las plantas. Definición de evapotranspiración La evapotranspiración es la suma de la evaporación y la transpiración, fenómenos que se dan simultáneamente. La evapotranspiración es el resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso directamente o a través de la planta y vuelve a la atmósfera en forma de vapor. La evapotranspiración potencial es la máxima evapotranspiración posible bajo las condiciones climáticas existentes cuando el suelo está a capacidad de campo y cubierto completamente de cobertura vegetal. Factores que afectan a la evapotranspiración Todos aquellos factores que influyen a la evaporación y la transpiración. Resumiendo, los factores ya visto los podemos agrupar de la siguiente manera:
a) Factores meteorológicos – radiación solar – temperatura del aire – viento – presión de vapor – duración del día – energía advectiva
b) Factor del suelo - energía de retención
c) Factor Planta - especie y variedad -tamaño, color, morfología y mecanismo de regulación de cierre y apertura de los estomas. - Terrenos desnudos. Determinación experimental de la evapotranspiración Se basa en medidas directas de disminución del contenido de agua en el volumen de suelo explorado por las raíces. Esta determinación puede realizarse en instrumentos especiales a campo, en evapotranspirómetros y en lisímetros, o en parcelas de ensayo.
a) Evapotranspirómetro: consta de un tanque que se ha llenado de tierra y sembrado con un cultivo que cubre completamente la superficie. Una sección de abastecimiento permite mantener en forma continua un plano freático alto, de modo tal que dicho suelo se puede suponer en las condiciones óptimas de humedad (CC). El control del volumen del agua en el tanque de abastecimiento permite determinar la evapotranspiración en función del tiempo. La estimada por este sistema es por lo tanto la evapotranspiración potencial.
b) Lisímetro: equivaldría a un evapotranspirómetro, cuya diferencia radica en la forma de abastecimiento y la existencia de drenaje. En el lisímetro el agua se aplica por la superficie y se elimina por debajo, en el evapotranspirómetro asciende por capilaridad a la capa radical. En general son de mayor tamaño que los Evaporímetros, pudiendo tener dos sistemas de control de humedad: por pesada o por diferencia de valores de volúmenes incorporados y drenados.
c) Parcelas de ensayo: consisten en determinar la evapotranspiración directamente en condiciones de campo, controlando la disminución del contenido de humedad del suelo en la profundidad explorada por raíces, para la cual se podrían utilizar métodos gravimétricos o radioactivos.
Métodos de estimación de evapotranspiración Basándose en diferentes factores meteorológicos y de cultivo, diversos autores han realizado procedimientos para estimar la evapotranspiración potencial y real (actual). Algunos de los principales autores son:
Lowry y Jonson (1942) USA Penmann (1948) en Inglaterra Thorthwaite (1948) USA Blaney y Cridle (1950) USA Turc (1954) Francia Hargreaves (1956) USA Sharov (1959) ex URSS Papadakis (1961) Argentina Grassi y Cristiansen (1964) USA
a) Método de Thorthwaite: Tiene aplicación desde el año 1948, y fue desarrollado en el Este de los Estados Unidos. El autor considera como variable primaria para el cálculo de la Evapotranspiración Potencial (máxima evapotranspiración posible que se da en condiciones favorables y cuando el suelo está bien provisto de agua y tapizado por una vegetación o cubierta vegetal densa, pareja y de poca altura), la media mensual de las temperaturas medias diarias del aire, utilizando la fórmula:
Etp = K * ETPsc Donde:
Etp = evapotranspiración potencial (mm/mes) K = constante función de la latitud y la insolación
ETPsc = evapotranspiración potencial sin corregir para un mes de 30 días y 12 horas de insolación diaria.
ETPsc = 16 * (10 * t / I) a Donde:
t = temperatura media diaria del mes (°C) a = constante = 675 * 10-9 I3 771 * 10-7 I2 + 1972 * 10-5 I + 0.49239 I = índice calórico anual = S i i = índice calórico mensual = ( t / 5 )1,514 –
Para la aplicación de este método se puede seguir dos caminos:
a) Cálculo analítico de acuerdo a la fórmula b) Utilizando ábacos y tablas. 1.4.
CAUDAL
Cantidad de agua que fluye en una unidad de tiempo por un conducto abierto o cerrado.
HIDROMETRÍA • •
Medición del agua Permite determinar el caudal del agua que fluye en un riachuelo, rio, una tubería o canal, así como determinar la cantidad de agua que produce un manantial, la que llega a una planta de tratamiento o sale de ella.
CAUDAL cantidad de agua que fluye en una unidad de tiempo por un conducto abierto o cerrado.
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Unidades: m3/s, m3/día, L/s, L/min
Henri Pitot, a comienzos de 1700, puso a punto una sonda que, dirigida en sentido del flujo, permite medir la presión estática en un fluido (esta sonda fue modificada a mediados de 1800 por el científico francés Henry Darcy) Es un tubo vertical en su mayor parte y horizontal en un extremo, el que se sumerge al operar; está abierto en ambas extremidades. El dispositivo está perforado con pequeños orificios laterales suficientemente alejados del punto de parada o estancamiento (punto del flujo donde se anula la velocidad) para que las líneas de corriente sean paralelas a la pared.
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Es un instrumento sencillo y económico. La medición se debe realizar para fluidos limpios con una baja pérdida de carga. Para líquidos quizás el principal problema sea la rotura de la sonda. Su uso habitual es para la medición de la velocidad del aire, también se lo utiliza para determinar el caudal total en grandes conductos y prácticamente con cualquier fluido. Su precisión es baja, del orden de 1.5 4 %.
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1. Como es un instrumento que determina la medición del caudal a través de la cuantificación de la velocidad del flujo, es un medidor de gasto indirecto. 2. La instalación de este equipo tiende a ser un poco difícil, por utilizar algunos otros instrumentos ajenos al equipo. 3. Con cierta cantidad de partículas en suspensión, las tomas de presión tienden a obstruirse. 4. Se requiere personal capacitado para su operación.
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FUNDAMENTOS HIDRÁULICOS
Se observa que a mayor velocidad de circulación del líquido, mayor es la altura h que alcanza el agua en el interior del tubo, entonces la velocidad podrá conocerse midiendo h.
El agua circula con velocidades muy diferentes en los diversos puntos de una sección debido al rozamiento con las paredes, de condiciones de rugosidad muy variables, como sucede en los canales o en los ríos y entonces, para averiguar las condiciones de circulación se emplea el Tubo de Pitot.
De esta manera se pudo estimar la recarga hídrica del valle de Cajamarca siendo de La precipitación media en el valle es de La evaporación promedio anual es de La evapotranspiración estimada es de El caudal estimado es de
Trabajar con datos confiables en este caso fue de las estaciones más cercanas el valle de Cajamarca. Tener cuidado al procesar los datos para obtener resultados lo mas precisos posibles. Aforar con cuidado para obtener datos exactos.
Hidrología superficial – ing. Oswaldo Ortiz Hidrología general – Maximo Villon Bejar Senamhi (servicio nacional de metereologia e hidrología) http://biblioteca.pucp.edu.pe/docs/elibros_pucp/chereque_wendor/hidrologia_estu diantes_ing_civil.pdf http://demo.dokeos.com/courses/HIDROLOGIA/document/ConceptosHidrologicos Basicos.pdf?cidReq=HIDROLOGIA
