GUÍA DE CONCEPTOS DE HIDROLOGÍA

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Capítulo 2 GUÍA DE CONCEPTOS DE HIDROLOGÍA Ing. Adolfo Guitelman Ing. Adriana Leiva

HIDROLOGÍA E HIDRÁULICA VIAL CAPÍTULO 2: Guía de Conceptos Hidrológicos

ÍNDICE:

1

CICLO HIDROLÓGICO

3

2

CONCEPTO DE SISTEMA:

4

3

SISTEMA HIDROLÓGICO:

5

4

MODELO DEL SISTEMA HIDROLÓGICO:

6

5

MODELOS HIDROLÓGICOS:

7

6

AGUA SUPERFICIAL:

10

FLUJO SUPERFICIAL HORTONIANO:

11

FLUJO SUPERFICIAL DE SATURACIÓN:

12

7

FLUJO SUBSUPERFICIAL:

13

8

EXCESO DE PRECIPITACIÓN:

15

9

MÉTODO SCS PARA ABSTRACCIONES:

15

10

EFECTOS DE URBANIZACIÓN:

21

11

FLUJO SUPERFICIAL:

22

12

FLUJO EN CANALES:

26

13

TIEMPO DE TRÁNSITO:

27

14

HIDROGRAMA DE CAUDAL:

31

HIDROGRAMA ANUAL: Caudal vs. Tiempo en un año

31

HIDROGRAMA DE TORMENTA

33

15

HIDROGRAMA UNITARIO:

33

16

HIDROGRAMA ADIMENSIONAL SCS:

33

17

DEFINICIONES:

35

Página 2

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1

CICLO HIDROLÓGICO

La hidrología aplicada ayuda a analizar los problemas derivados de aplicaciones tales como erosión y control de sedimentos, control de inundaciones, uso recreacional del agua, etc., constituyendo una guía para el planeamiento y el manejo de los Recursos Hidráulicos.

ESQUEMA DEL CICLO HIDROLÓGICO

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2

CONCEPTO DE SISTEMA:

Un sistema es un conjunto de partes conectadas entre sí, que forman un todo. El ciclo hidrológico puede tratarse como un sistema cuyos componentes son precipitación, evaporación, escorrentía y otras fases del ciclo hidrológico. El ciclo hidrológico total, puede agruparse en subsistemas del ciclo total, para de manera más simple realizar análisis separados cuyos resultados puedan combinarse de acuerdo a la interacción de los subsistemas entre sí.

SUBSISTEMA AGUA ATMOSFÉRICA

SUBSISTEMA AGUA SUPERFICIAL

SUBSISTEMA AGUA SUBSUPERFICIAL

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA HIDROLÓGICO GLOBAL Página 4

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3

SISTEMA HIDROLÓGICO:

Estructura o volumen en el espacio, rodeada de una frontera, que acepta agua y, otras entradas, opera en ellas internamente y las produce como salidas.

Entrada I (t)

Salida OPERADOR 

Q (t)

Interactúa con:

AGUA (Medio de trabajo)

 La estructura  Otros medios

Salida Q (t)

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4

MODELO DEL SISTEMA HIDROLÓGICO:

ECUACIÓN DE TRANSFORMACIÓN DEL SISTEMA Q(t) = I(t) Función de transferencia:   Si la función de transferencia puede representarse mediante una ecuación algebraica: Ej: Q(t) = C . I(t) Q(t) / I (t) = C Si la función de transferencia es descrita por una ecuación diferencial: Ej: Embalse lineal:

S = k.Q

Siendo S: Almacenamiento [L3] k: constante [t] Tasa de cambio del almacenamiento = Entrada – Salida dS / dt = I (t) – Q(t) Eliminando S en las dos ecuaciones y reordenando: k. dQ/dt + Q(t) = I(t) luego:

Q(t) / I (t) = 1/(1+k D)

donde: D: operador diferencial d/dt

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5

MODELOS HIDROLÓGICOS:

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6

AGUA SUPERFICIAL:

Es la que se almacena o se encuentra fluyendo sobre la superficie de la tierra PRECIPITACIÓN:  Intensidad Constante  Continua

Almacenamiento superficial

Infiltración

Almacenamiento subsuperficial

Flujo No saturado a través del suelo

Flujo por aguas Subterráneas

Escorrentía superfical

Distribución de la precipitación en una cuenca durante una tormenta Página 10

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FLUJO SUPERFICIAL HORTONIANO:

Capacidad de Infiltración del suelo

Precipitación

f [mm/h]

i [mm/h]

Si: if

Escorrentía superficial con una tasa: EXCESO DE LLUVIA = (i – f)

Almacenamiento en depresiones

FLUJO SUPERFICIAL HORTONIANO: Aplicable a:  Superficies impermeables en áreas urbanas  Superficies naturales con baja capacidad de infiltración. Ej: Tierras áridas y semiáridas. Página 11

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FLUJO SUPERFICIAL DE SATURACIÓN: El flujo superficial de saturación difiere del flujo superficial hortoniano en que en este último el suelo se satura desde arriba mediante infiltración, mientras que en el flujo superficial de saturación el suelo se satura desde abajo por el flujo subsuperficial. Flujo superficial Hortoniano: Precipitación Escorrentía superficial SUELO SATURADO Infiltración

Flujo Superficial de Saturación: Escorrentía superficial

Flujo Subsuperficial

SUELO SATURADO

Aplicable:  En la parte inferior de las pendientes de colinas cerca de las bancas de la corriente.

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FLUJO SUBSUPERFICIAL:

En superficies con vegetación en regiones húmedas, la capacidad de infiltración del suelo generalmente excede las intensidades de lluvia (excepto lluvias extremas) Luego: FLUJO SUBSUPERFICIAL PRINCIPAL TRANSPORTE DE AGUA DE LLUVIA

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8 EXCESO DE PRECIPITACIÓN: Es la precipitación que no se retiene en la superficie terrestre y tampoco se infiltra en el suelo. PRECIPITACIÓN TOTAL ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

EXCESO DE PRECIPITACIÓN ABSTRACCIONES O PÉRDIDAS

INTERCEPCIÓN DE LA VEGETACIÓN ALMACENAMIENTO EN DEPRESIONES DE LA SUPERFICIE INFILTRACIÓN

MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE ABSTRACCIONES

UTILIZANDO ECUACIONES DE INFILTRACIÓN

9

MÉTODO S.C.S.

MÉTODO SCS PARA ABSTRACCIONES:

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PRECIPITACIONES: Precipitación total

P > Pe

Precipitación en exceso o Escorrentía Superficial

Antes de iniciarse la escorrentía:

Ia = Abstracción inicial Luego de iniciada la escorrentía:

Retención Potencial Máxima

S > Fa

Agua retenida en la Cuenca

HIPÓTESIS DEL MÉTODO: La relación entre cantidades reales y las dos cantidades potenciales son iguales.

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Pe Fa  P  Ia S Por principio de continuidad:

P  Pe  I a  Fa Combinando y reemplazando: ECUACIÓN BÁSICA ESCORRENTÍA DIRECTA O EXCESO DE PRECIPITACIÓN según S.C.S.

(P  I a ) 2 Pe  P  Ia  S

Al estudiar los resultados obtenidos para muchas cuencas experimentales pequeñas, se desarrolló una relación empírica:

I a  0. 2  S Con base en esto:

( P  0.2  S ) 2 Pe  P  0.8  S Representado en gráficas la información de SCS encontró las siguientes curvas:

P y Pe para muchas cuencas, el

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A cada curva se le asigna un número para cada curva tal que:

0  CN  100

Para diferentes superficies

CN = 100 para superficies de agua y superficies impermeables El número de curva está asociado con:

S

1000  10 (pulgadas) CN

CN depende de:  Tipo de suelo  Condición de uso del suelo  Condición de antecedentes de humedad

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Los números de curva de la figura, se aplican para “condiciones antecedentes de humedad” normales (AMC II), aplicando correcciones para las condiciones secas (AMC I) o condiciones húmedas (AMC III):

CN ( I ) 

4,2  CN ( II ) 10  0,058  CN ( II )

CN ( III ) 

23  CN ( II ) 10  0,13  CN ( II )

Para poder determinar la condición de humedad del suelo debe tenerse en cuenta la lluvia antecedente total en los 5 días previos: CN (I) CN (II) CN (III)

INVIERNO VERANO < 12.7mm < 35.6mm 12.7 - 28mm 35.6 - 53.3mm < 28mm > 53.3mm

El valor de número de curva para AMC II se obtiene a partir del tipo y uso del suelo, para ello los números de curva han sido tabulados por el SCS en base a esos parámetros, en cuatro grupos principales: GRUPO A: Arena profunda, suelos profundos depositados por el viento, limos agregados. GRUPO B: Suelos poco profundos depositados por el viento, marga arenosa. GRUPO C: Margas arcillosas, margas arenosas poco profundas, suelos con bajo contenido orgánico y suelos con altos contenidos de arcilla. GRUPO D: Suelos que se expanden significativamente cuando se mojan, arcillas altamente plásticas y ciertos suelos salinos.

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10 EFECTOS DE URBANIZACIÓN:

Los cambios en los caudales en las cuencas urbanas se deben a lo siguiente: 1. El volumen de agua disponible para la escorrentía aumenta debido al incremento de las zonas impermeables, producto de la pavimentación, las calles y los techos, que reducen la cantidad de infiltración. 2. Los cambios en la eficiencia hidráulica asociados con canales artificiales, cunetas y sistemas de recolección de drenaje de tormentas, aumentan la velocidad del flujo y la magnitud de los picos creciente. El método SCS puede utilizarse para analizar la influencia de la urbanización

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11 FLUJO SUPERFICIAL: De una lámina delgada que ocurre en la parte superior de las pendientes antes de que el flujo se concentre en canales reconocibles.

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12 FLUJO EN CANALES:

Considérese un canal de alimentado por el flujo superficial desde un plano: Longitud del canal: Lc   Caudal del flujo superficial por unidad de ancho: q0 Luego el caudal que llega al canal es: Q = q0 . L c Para calcular la profundidad y la velocidad en varios puntos a lo largo del canal, es necesaria una solución iterativa.

La ecuación de Manning es:

Q

S0

0.5

 A  R2/3 n

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13 TIEMPO DE TRÁNSITO:

t

l

l i

i 1

vi



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EJEMPLO DE CUENCA:

Cuenca Matanza –Riachuelo:

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14 HIDROGRAMA DE CAUDAL:

Q = f (t)

HIDROGRAMA: Una expresión integral de las características fisiográficas y climáticas que rigen las relaciones entre la lluvia y la escorrentía de una cuenca de drenaje particular.

HIDROGRAMA ANUAL: Caudal vs. Tiempo en un año

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 Régimen perenne o de flujo continuo Caudal Base Escorrentía directa Capacidad de la cuenca

 Río Efímero de clima árido Escorrentía directa Poca infiltración

 Río alimentado por derretimiento de nieve Permanente salida en consecuencia hidrograma suave

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HIDROGRAMA DE TORMENTA

Comienzo de Escorrentía directa

Caudal base

Fin de Escorrentía Superficial Caudal base

15 HIDROGRAMA UNITARIO:

Es la función respuesta de pulso unitario para un Sistema hidrológico Lineal: Sus hipótesis básicas son: 1. Exceso de precipitación tiene una intensidad constante dentro de la duración efectiva. 2. El exceso de precipitación está uniformemente distribuido en toda el área de drenaje. 3. El tiempo base de DRH (duración de la escorrentía directa) resultante de un exceso de lluvia de una duración dada es constante. 4. Las ordenadas de todos los DRH de una base de tiempo común son directamente proporcionales a la cantidad total de escorrentía directa representada por cada hidrograma. 5. Para una cuenca dada, el hidrograma resultante de un exceso de lluvia dado refleja las características no cambiantes de la cuenca.

16 HIDROGRAMA ADIMENSIONAL SCS: Página 33

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Hidrograma adimensional

Hidrograma unitario triangular

q

CA TP

[m3/s .cm]

Siendo C = 2.08 A = Área de drenaje en km2.

Tp  tp = Tiempo de retardo.

tr  tp 2

t p  0.6  t C

tr = Tiempo total del pulso de precipitación Tp = Tiempo al pico

tb = Tiempo base tC = Tiempo de Concentración. Página 34

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17 DEFINICIONES:

Evaporación de agua: Emisión de vapor de agua por una superficie libre a temperatura inferior a su punto de ebullición. Transpiración: Proceso por el cual el agua de la vegetación pasa a la atmósfera en forma de vapor. Evapotranspiración: Cantidad de agua transferida del suelo a la atmósfera por evaporación y por la transpiración de las plantas. Condensación: Transición del agua de la fase de vapor a la líquida. Precipitación: Agregado de partículas acuosas, líquidas o sólidas, cristalizadas o amorfas, que caen de una nube o grupo de nubes y alcanzan el suelo. Intercepción: Proceso por el cual la precipitación es detenida y retenida por la vegetación y estructuras, precipitación que se pierde por evaporación y transpiración antes de penetrar en el suelo. Almacenamiento por depresiones: Es el almacenamiento de agua que se presenta en las depresiones del terreno. Escorrentía: Parte de la precipitación que fluye por la superficie del terreno (escorrentía superficial) o por debajo de aquél (escorrentía subterránea). Flujo subsuperficial: Flujo que se presenta inmediatamente por debajo de la superficie del terreno. Infiltración: Formación de un paso de agua en forma de conducto a través de materiales naturales o artificiales, cuando las resultantes de todas las fuerzas que actuán sobre las partículas del suelo tienen una componente vertical en el sentido de la gravedad. Percolación: Flujo de líquido a través de un medio poroso, por ejemplo de agua en el suelo, bajo la acción de gradientes hidráulicos moderados; principalmente es un flujo debido a la acción de la gravedad. Agua Capilar: La capilaridad es importante cuando se trata con medios porosos, con diámetro de partículas menor o igual a 10mm. El líquido se eleva cuando la fuerza de adhesión de éste a las paredes del receptáculo contenedor es mayor que la fuerza de cohesión del líquido. Al contrario, cae cuando la fuerza de cohesión del liquido es mayor que la fuerza de adhesión de éste a las paredes del receptáculo contenedor. Derretimiento: Acción de volver líquida por medio de calor el agua en estado sólido, tal como nieve, granizo, etc. Filtración: Movimiento y paso de agua alrededor de estructuras. 18 BIBLIOGRAFÍA: Página 35

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“Hidrología Aplicada” – (1994) Ven Te Chow – David R. Maidment – Larry W. Mays.

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