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Apuntes de Hidrología en la Ingeniería...

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UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

HIDROLOGÍA (Apuntes de clase)

Fernando Oñate-Valdivieso

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HIDROLOGÍA

Ing. Fernando Oñate Valdivieso

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HIDROLOGIA I. 1. CONTENIDOS 1. GENERALIDADES 1.1. Definición, importancia. 1.2. El ciclo hidrológico. 1.3. Aspectos meteorológicos 1.4. Instrumentación meteorológica 2. GEOMORFOLOGÍA DE CUENCAS HIDROGRAFICAS 2.1. Definición 2.2. Demarcación 2.3. Características morfométricas 3. PRECIPITACION 3.1. Tipos de precipitación 3.2. Pluviometría 3.3. Procesamiento de registros de lluvia 3.4. Determinación de la precipitación media de una cuenca 4. ANÁLISIS DE TORMENTAS 4.1. Definición, importancia. 4.2. intensidad, duración, frecuencia de tormentas 4.3. Histograma y diagrama de masas 4.4. Intensidades máximas 4.5. Relaciones Intensidad – Duración – Frecuencia 4.6. Curvas I – D – F 4.7. Ecuaciones de Intensidad 4.8. Hietograma 4.9. Tormentas de diseño 5. EVAPORACIÓN Y EVAPOTRANSPIRACION 5.1. Introducción 5.2. Teoría de la evaporación 5.3. Evaporación en superficies libres 5.4. Medida de la evaporación 5.5. Cálculo de la evapotranspiración potencial 5.6. Método de Thornthwaite ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

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2. BIBLIOGRAFIA - FUNDAMENTOS DE HIDROLOGIA DE SUPERFICIE. Francisco Javier Aparicio Mijares. Noriega Editores, Editorial Limusa (1997) - HIDROLOGIA EN LA INGENIERIA. Germán Monsalve Sáenz. Editorial de la Escuela Colombiana de Ingeniería (1995) - HIDROLOGIA APLICADA. Chow, Maidment, Mays. Editorial Mc Graw – Hill (1993) - HIDROLOGIA PARA INGENIEROS. Linsley, Kohler, Paulus, Mc Graw – Hill (1990) - HIDROLOGIA. Dr. Medardo Molina. Universidad Agraria “La Molina” Departamento de Recursos de Agua y Tierra (1975)

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1. GENERALIDADES

1.1. DEFINICIÓN E IMPORTANCIA. La hidrología es la ciencia que estudia la circulación del agua en la naturaleza (ciclo hidrológico) cualitativa y cuantitativamente . Específicamente, estudia el agua sobre la superficie de la tierra, en el suelo, en las rocas subyacentes y en la atmósfera, con referencia a la evaporación y a la precipitación. La importancia radica en su aplicación directa en el diseño y operación de proyectos de ingenieria para el control y uso del agua - Vías de comunicación: redes viales, puentes alcantarillas, etc. - Ingeniería sanitaria: proyectos para uso humano - Ingeniería estructural: Influencia Sobre Las Cimentaciones - Ingeniería hidráulica: Información Indispensable En El Diseño 1.2. CICLO HIDROLÓGICO:

Fig. No. 1: CICLO HIDROLÓGICO

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1.2.1. PROBLEMAS HIDROLÓGICOS Se puede simplificar el ciclo hidrológico en cuatro etapas de interés para el ingeniero: -

La precipitación

-

La evaporación y evapotranspiración

-

El agua superficial

-

Corrientes subterráneas

1.3. ASPECTOS METEOROLOGICOS 1.3.1. ATMÓSFERA Es la capa de aire que rodea la tierra y donde se desarrolla la evaporación, precipitación y otras etapas del ciclo hidrológico. Para la hidrología se consideran los primeros 15 a 20 km el 90% del agua atmosférica se encuentra contenida en los primeros 5 km de altura. La atmósfera se divide en: - Tropósfera (10 km): la temperatura disminuye con la altura - Estratósfera (40 km): la temperatura constante con la altura - Tropopausa: (12 km): zona de transición entre las anteriores

1.3.2. RADIACIÓN SOLAR Es la energía para la realización del ciclo hidrológico. Causa variaciones de calor que provocan las brisas y vientos que pueden determinar las condiciones climáticas de una localidad. De todas las radiaciones que llegan a la tierra el 43% se refleja al espacio y el 57% queda en la tierra. De estas el 12% se transforma en calor, 5% se absorbe en la atmósfera y el 40 % es la radiación efectiva sobre la tierra. La magnitud de la radiación que se recibe en un lugar varía con su latitud, altitud y mes del año.

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La potencia media anual de la radiación solar varia entre 0.1 y 0.2 kw/m², que representa de 0.73 a 1.4 x10^6 cal/m² por año, que es suficiente para evaporar una lámina de 1.30 a 2.60 m de agua 1.3.3. TEMPERATURA Es el factor determinante para varios procesos del ciclo hidrológico y principalmente la evaporación. La temperatura varía con la altura, determinándose que el gradiente vertical de temperatura varía entre 0.6 y 1 °C por cada 100 m. Aunque en las mañanas con cielo despejado y buen tiempo se puede producir la llamada inversión de temperaturas. 1.3.4. HUMEDAD ATMOSFÉRICA Es el contenido de vapor de agua en la atmósfera siendo el origen de las aguas de precipitación y determina de cierta manera la velocidad de evaporación de las superficies de agua o superficies húmedas. La humedad atmosférica se origina en la vaporación de toda superficie húmeda, debido a que las moléculas de la superficie húmeda adquieren energía cinética por efecto de factores externos y vencen la fuerza de retención y salen de la masa de agua formando una capa sobre la superficie de evaporación, la que es removida por el viento. La temperatura juega un doble papel, al aumentar la energía cinética de las moléculas y disminuir la tensión superficial de la superficie evaporante, por lo cual a mayor temperatura mayor evaporación Un mismo volumen de aire puede contener una cantidad variable de vapor de agua de acuerdo a la mayor o menor temperatura que tenga. Por enfriamiento, una masa de aire disminuye su capacidad su capacidad de contener vapor de agua y todo exceso se condensa en pequeñas gotas de agua constituyendo las neblinas y nubes. 1.3.5. INFLUENCIA DEL VIENTO El viento es el aire en movimiento y su importancia en el ciclo hidrológico radica en que influye en: - El transporte del calor y de la humedad - Evaporación y transpiración - Alimentación de las precipitaciones. Es muy susceptible a la influencia de los factores de relieve terrestre y la vegetación en las cercanías de la superficie.

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2. GEOMORFOLOGÍA DE CUENCAS HIDROGRAFICAS. 2.1. DEFINICIÓN La cuenca hidrográfica se define como el conjunto de terrenos que drenan sus aguas hacia un cauce común 2.2. DEMARCACIÓN Los cauces de los ríos siempre se encuentran en la parte más baja del terreno, por esta razón entre dos cauces existe una línea divisoria más alta llamada divortium aquarum, por lo que trazando una línea por la divisoria de aguas que rodea al río en estudio y todos sus afluentes se delimita el área que drena todas las aguas precipitadas hacia el río de interés (cuenca hidrográfica).

Fig. 2.1: CUENCA HIDROGRÁFICA

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Para la demarcación se debe considerar: -

Utilizar un mapa a escala conveniente en el que figuren la cuenca y sus áreas aledañas.

-

La divisoria de aguas debe pasar por los puntos más altos que separan una cuenca de otra.

-

Las curvas de nivel se cortarán perpendicularmente así estas sean rectas ( paralelas al cauce), cóncavas (si se va de un punto más alto a uno más bajo) o convexas ( si se va de un punto más bajo a un más alto )

-

La divisoria de aguas solo cortará el cauce en el punto de interés.

2.3. CARACTERÍSTICAS MORFOMÉTRICAS Nos permitirán establecer comparaciones entre cuencas estudiadas, con otras en las que no exista la suficiente información. 2.3.1. ÁREA (A) Es quizá el parámetro más importante influyendo directamente en la cantidad de agua que ella puede producir y consecuentemente en la magnitud de los caudales. Es la proyección horizontal de la superficie de la misma. se puede determinar directamente de un plano topográfico: -

Utilizando software Utilizando planímetro Descomposición geométrica Por pesadas

2.3.2. PERÍMETRO (P) Es la longitud del límite exterior de la cuenca, se determina utilizando: -

Software Curvímetro Hilo metálico

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2.3.3. FORMA DE LA CUENCA

La forma de la cuenca se caracteriza con el índice o coeficiente de compacidad Kc se debe a Gravelius, y es la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de un círculo de igual área que la cuenca. cualquier caso, el coeficiente será mayor que la unidad, tanto más próximo a ella cuanto la cuenca se aproxime más a la forma circular, pudiendo alcanzar valores próximos a 3 en cuencas muy alargadas.

Kc =

PERIMETRO .CUENCA PERIMETRO.CIRCULO. IGUAL. AREA

Kc =

Kc 1 – 1.25 1.25 - 1.5 1.5 - 1.75

(2.1)

P 2 ΠA

(2.2)

FORMA DE LA CUENCA TENDENCIA CRECIDAS DE CASI REDONDA A ALTA OVAL REDONDA DE OVAL REDONDA MEDIA A OVAL OBLONGA DE OVAL OBLONGA BAJA A RECTANGULAR

TABLA 1.1 VALORES DEL COEFICIENTE DE COMPACIDAD

2.3.4. ELEVACIÓN MEDIA DE LA CUENCA

Es un factor que se relaciona con la temperatura y la precipitación

ALT .MEDIA =

∑ (Hi * Ai)

(2.3)

Atotal

En la expresión Hi es la altitud media de la faja altitudinal, Ai es el área de dicha faja y Atotal es el área total de la cuenca.

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2.3.5. PENDIENTE MEDIA (Sc)

Tiene estrecha relación con la infiltración, el escurrimiento superficial, la humedad del suelo y la contribución del agua subterránea al caudal de la corriente. afecta notablemente a la relación lluvia escurrimiento pues reduce el tiempo de concentración y acorta el período de infiltración

Sc =

∑ (Di * Li ) *100

(2.4)

Atotal

Es la expresión Di es la diferencia de nivel entre el límite superior e inferior de la faja altitudinal seleccionada. Li es la longitud de la curva media. 2.3.6. INDICE DE PENDIENTE GLOBAL (Ig)

Permite caracterizar el relieve utilizando información tomada de la curva hipsométrica y del rectángulo equivalente se expresa en m/ Km

Ig =

(H 5 − H 95 )

(2.5)

Lm

Lm = Lado mayor rectángulo equivalente H5 = Altura sobre la que esta el 5 % de la superficie (curva hipsométrica) H95 = Altura sobre la que esta el 95 % de la superficie (curva hipsométrica)

TIPO DE RELIEVE

Ig

MUY DEBIL DEBIL

< 2 2a5

DEBIL MODERADO

5 a 10

MODERADO

10 a 20

MODERADO FUERTE

20 a 50

FUERTE

50 a 100

MUY FUERTE

100 a 200

EXTREM. FUERTE

> 200

TABLA 1.2: VALORES DEL INDICE DE PENDIENTE GLOBAL

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2.3.6.1. CURVA HIPSOMÉTRICA

La curva hipsométrica sugerida por Langbein (1947), proporciona una información sintetizada sobre la altitud de la cuenca, que representa gráficamente la distribución de la cuenca vertiente por tramos de altura. Dicha curva presenta, en ordenadas, las distintas cotas de altura de la cuenca, y en abscisas la superficie de la cuenca que se halla por encima de dichas cotas, bien en Km² o en tanto por cien de la superficie total de la cuenca. La ilustración 2.2 muestra una curva hipsométrica tipo.

Fig. 2.2: CURVA HIPSOMÉTRICA TIPO

A partir de esta curva se puede extraer la relación hipsométrica (2.6)

donde Ss y Si son, respectivamente, las áreas sobre y bajo la curva hipsométrica. Según Strahler (LLamas,1993), la importancia de esta relación reside en que es un indicador del estado de equilibrio dinámico de la cuenca. Así, cuando Rh = 1, se trata de una cuenca en equilibrio morfológico. La ilustración 2.3. muestra tres curvas hipsométricas correspondientes a otras tantas cuencas que tienen potenciales evolutivos distintos. La curva superior (curva A) refleja una cuenca con un gran potencial erosivo; la curva intermedia (curva B) es característica de una cuenca en equilibrio; y la curva inferior (curva

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C) es típica de una cuenca sedimentaria. Quedarían, así, representadas distintas fases de la vida de los ríos: - Curva A: fase de juventud - Curva B: fase de madurez - Curva C: fase de vejez Scheidegger (1987) rechaza esta clasificación aduciendo que el levantamiento (uplifting) tectónico es un proceso continuo y que, a lo largo de la historia de la cuenca, hay una tendencia a equilibrar las fuerzas antagónicas de construcción tectónica y degradación por erosión u otros mecanismos. Si un paisaje muestra un carácter permanente, estos dos procesos opuestos están en equilibrio dinámico. Scheidegger entonces atribuye las diversas formas de la curva hipsométrica a los niveles de actividad de los ya citados procesos. Así, la curva A se corresponde con una alta actividad, la curva B con una actividad media y la curva C con una actividad baja. El nivel de actividad no tiene por qué estar relacionado con la edad de la cuenca.

Fig. 2.3: CURVAS HIPSOMÉTRICAS SEGÚN EL POTENCIAL EVOLUTIVO

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2.3.6.2. RECTÁNGULO EQUIVALENTE

Para poder comparar el comportamiento hidrológico de dos cuencas, se utiliza la noción de rectángulo equivalente o rectángulo de Gravelius. Se trata de una transformación puramente geométrica en virtud de la cual se asimila la cuenca a un rectángulo que tenga el mismo perímetro y superficie, y, por tanto, igual coeficiente de Gravelius (coeficiente de compacidad, Kc). Así, las curvas de nivel se transforman en rectas paralelas al lado menor del rectángulo, y el desagüe de la cuenca, que es un punto, queda convertido en el lado menor del rectángulo. Para la construcción del rectángulo, se parte del perímetro, P, y el área de la cuenca, A. Si los lados menor y mayor del rectángulo son, respectivamente, L1 y L2 , se tiene: (2.7)

(2.8)

La solución de este sistema de ecuaciones es:

Kc * A Lmayor = 1.12

2 ⎞ ⎛ ⎜1 + 1 − ⎛⎜ 1.12 ⎞⎟ ⎟ ⎜ ⎝ Kc ⎠ ⎟⎠ ⎝

Kc * A Lmenor = 1.12

2 ⎞ ⎛ ⎜1 − 1 − ⎛⎜ 1.12 ⎞⎟ ⎟ ⎜ ⎝ Kc ⎠ ⎟⎠ ⎝

(2.9)

(2.10)

2.3.7. DESNIVEL ESPECIFICO (Ds):

Ds = Ig * A

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TIPO DE RELIEVE MUY DEBIL DEBIL DEBIL MODERADO MODERADO MODERADO FUERTE FUERTE MUY FUERTE EXTREM. FUERTE

Ds < 10 10 a 25 25 a 50 50 a 100 100 a 250 250 a 500 500 a 1000 1000 a 2500

TABLA 2.3: DESNIVEL ESPECIFICO

2.3.8. DRENAJE DE LA CUENCA

Es la mayor o menor capacidad que tiene una cuenca para evacuar las aguas que provenientes de la precipitación quedan sobre la superficie de la tierra 2.3.8.1. DENSIDAD DE LA RED DE LOS CAUCES (Dr)

Se define como el cociente entre el número de segmentos de canal de la cuenca y la superficie de la misma; se expresa en cauces / Km²: Dr =

N A

(2.12)

donde N es la suma de todos los segmentos de canal que forman la red hidrográfica de la cuenca, entendiendo como tales a todo tramo de canal que no sufre aporte alguno de otro canal. Aunque la densidad hidrográfica y la densidad de drenaje miden propiedades distintas, Melto (1958) propuso una relación, que ha resultado muy acertada, entre ellas: F =δ * D2

(2.13)

δ es un coeficiente adimensional que se aproxima generalmente a un valor de 0.7 (0.694). 2.3.8.2. DENSIDAD DE DRENAJE (Dd):

Horton (1945) definió la densidad de drenaje de una cuenca como el cociente entre la longitud total de los canales de flujo pertenecientes a su red de drenaje y la superficie de la cuenca: En Km / Km²

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Dd =

L A

(2.14)

L = Longitud total de los cursos de agua incluyendo perennes e intermitentes en km CARACT. CUENCA REGULAR DRENAJE NORMAL DRENAJE BUEN DRENAJE

Dd 0a1 1 a 1.5 > 1.5

TABLA 2.4. DENSIDAD DE DRENAJE

Carlston (1963) determinó que el drenaje está relacionado con los aspectos hidrológicos del sistema de canales de la cuenca. Así, la densidad de drenaje la asoció con la transmisividad del suelo, el caudal o flujo base, el caudal medio anual por unidad de área y la recarga. También la densidad de drenaje depende de las condiciones climáticas; por ejemplo, de la precipitación anual media o de la intensidad de lluvia. La densidad de drenaje es un indicador de la respuesta de la cuenca ante un aguacero, y, por tanto, condiciona la forma del hidrograma resultante en el desagüe de la cuenca. A mayor densidad de drenaje, más dominante es el flujo en el cauce frente al flujo en ladera, lo que se traduce en un menor tiempo de respuesta de la cuenca y, por tanto, un menor tiempo al pico del hidrograma. 2.3.8.3. CONSTANTE DE ESTABILIDAD DEL RÍO

La constante de estabilidad de un río, propuesta por Schumm (1956) como el valor inverso de la densidad de drenaje:

C=

A 1 = LT D

(2.15)

representa, físicamente, la superficie de cuenca necesaria para mantener condiciones hidrológicas estables en una unidad de longitud de canal. Puede considerarse, por tanto, como una medida de la erodabilidad de la cuenca. Así, regiones con suelo rocoso muy resistente, o con suelos altamente permeables que implican una elevada capacidad de infiltración, o regiones con densa cobertura vegetal, tienen valores altos de la constante de estabilidad y bajos de densidad de drenaje. Por el contrario, una baja constante de

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estabilidad, o una elevada densidad de drenaje, es característica de cuencas con rocas débiles, escasa o nula vegetación y baja capacidad de infiltración del suelo. 2.3.8.4. LA ESTRUCTURA DE LA RED DE DRENAJE

El análisis cuantitativo de redes hidrográficas se basa en el método de Horton (1945) de clasificación de la red de canales, basado en el sistema de Gravelius. Horton (1945) propuso un esquema de ordenamiento para la red de drenaje, con base en este ordenamiento, encontró algunas regularidades existentes en la red de drenaje, relacionadas con la estructura de bifurcación, y su distribución espacial. Los primeros resultados empíricos sobre estas regularidades se conocen como las Leyes de Horton: las llamadas ley de los números de corriente y ley de las longitudes de corriente. 2.3.8.4.1. MODELO DE ORDENACIÓN DE HORTON - STRAHLER

Strahler (1952, 1957), revisó y perfeccionó el esquema de Horton dando lugar al esquema de ordenación o de clasificación de Horton-Strahler, hoy en día el más utilizado en hidrología (hay otros modelos, como el de Shreve (1966), Mock (1971), etc). Las redes de drenaje pueden ...