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Hidrología20214 de marzoIngeniería CivilInstituto Tecnológico de Quintana RooIng. Miguel Ángel BriceñoChanInvestigación de unidadCastro López Christopher EsaiUnidad 1: Cuenca HidrológicaNumero de control: 18530478SuperficialContenido 1.- Cuenca Hidrológica 1 Generalidades (Definiciones, desarrollo h...

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2021 4 de marzo Instituto Tecnológico de Quintana Roo Ingeniería Civil

Investigación de unidad Unidad 1: Cuenca Hidrológica

Castro López Christopher Esai Numero de control: 18530478

Ing. Miguel Ángel Briceño Chan

Hidrología Superficial

Contenido 1.- Cuenca Hidrológica ........................................................................................................................ 3 1.1 Generalidades (Definiciones, desarrollo histórico y administración de los recursos). .............. 3 La Hidrología.................................................................................................................................... 4 Ciclo hidrológico .............................................................................................................................. 4 Ciencias auxiliares ........................................................................................................................... 5 Base Histórica de Información Hidrológica ..................................................................................... 6 Breve reseña histórica ..................................................................................................................... 6 Año Hidrológico............................................................................................................................... 6 Precipitación.................................................................................................................................... 7 Precipitación Convectiva. ................................................................................................................ 7 Precipitación Orográfica. ................................................................................................................. 7 Precipitación frontal o del tipo ciclónico ........................................................................................ 7 Caudal.............................................................................................................................................. 7 Hidrograma ..................................................................................................................................... 7 Subcuenca ....................................................................................................................................... 8 Origen de la Hidrología ................................................................................................................... 8 Sistema hidrológico ......................................................................................................................... 8 1.2 Balance hidrológico. ..................................................................................................................... 9 Objetivo del balance hidrológico .................................................................................................. 10 1.3 Propiedades fisiográficas. .......................................................................................................... 11 ¿Qué es una propiedad fisiográfica?............................................................................................. 11 Propiedades................................................................................................................................... 11 1.4 Tipos de cuentas hidrográficas................................................................................................... 14 Qué tipos de cuencas existen........................................................................................................ 14 Arreicas.......................................................................................................................................... 14 Endorreicas.................................................................................................................................... 15 Exorreicas ...................................................................................................................................... 15 Ejercicios ........................................................................................................................................... 16 Glosario ............................................................................................................................................. 18 Bibliografía ........................................................................................................................................ 22

1.- Cuenca Hidrológica Concepto: Es una cavidad natural en la que se acumula agua de lluvia. Esta circula hacia una corriente principal y finalmente llega a un punto común de salida. Unidad básica para la gestión de los recursos hídricos. Una región hidrológica está conformada por una o varias cuencas hidrológicas. Así como el ciclo hidrológico es el concepto fundamental de la hidrología, la cuenca hidrológica es su unidad básica de estudio.

1.1 Generalidades (Definiciones, desarrollo histórico y administración de los recursos). 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 definición anterior se refiere a una cuenca superficial; asociada a cada una de éstas existe también una cuenca subterránea, cuya forma en planta es semejante a la superficial. De ahí la aclaración de que la definición es válida si la superficie fuera impermeable. Desde el punto de vista de su salida, existen fundamentalmente dos tipos de cuencas: endorreicas y exorreicas. En las primeras el punto de salida está dentro de los límites de la cuenca y generalmente es un lago; en las segundas, el punto de salida se encuentra en los límites de la cuenca y está en otra corriente o en el mar. La cuenca es aquella superficie en la cual el agua precipitada se transfiere a las partes topográficas bajas por medio del sistema de drenaje, concentrándose generalmente en un colector que descarga a otras cuencas aledañas, o finalmente al océano. La cuenca hidrológica, junto con los acuíferos, son las unidades fundamentales de la hidrología. Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas: endorreicas (cerradas) y exorreicas (abiertas). a) En el primer tipo, el punto de salida se ubica dentro de los límites de la cuenca y generalmente es un lago. b) En el segundo tipo, el punto de salida se localiza en los límites de la cuenca y a su vez la descarga se vierte en una corriente o en el mar, tal como se observa en la figura.

Cuenca endorreica

Cuenca exorreica

La Hidrología Es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medioambiente, incluyendo a los seres vivos, y predice: • •

Las variaciones espaciales y temporales del agua en las etapas terrestre, oceánica y atmosférica del sistema hídrico global y; El movimiento del agua sobre y debajo de la superficie terrestre, incluyendo los procesos químicos, físicos y biológicos que tienen lugar a lo largo de su trayectoria”

En general los objetivos de la Hidrología son: • • •

Adquirir los conocimientos teóricos básicos de los fenómenos hidrológicos, para resolver los problemas que en este campo se presenten en nuestro país; Conocer la cantidad, frecuencia y naturaleza de ocurrencia del proceso lluviaescurrimiento sobre la superficie terrestre y; Determinar eventos de diseño, a partir de los datos hidrológicos de los diferentes fenómenos hidrológicos que son registrados en las redes de medición.

Ciclo hidrológico Es el ciclo fundamental para entender los procesos que se suceden en la tierra. No existe un punto de partida en el ciclo del agua en la tierra, pero lo que sí está claro es que se basa en todos los estados del agua (gas, líquido y sólido). Todos los estados se presentan en la naturaleza y todas ellas son importantes de cara a los recursos humanos.

El agua que se encuentra sobre la superficie terrestre o muy cerca de ella se evapora bajo el efecto de la radiación solar y el viento. El vapor de agua, que así se forma, se eleva y se transporta por la atmósfera en forma de nubes hasta que se condensa y cae hacia la tierra en forma de precipitación. Durante su trayecto hacia la superficie de la tierra, el agua precipitada puede volver a evaporarse o ser interceptada por las plantas o las construcciones, luego fluye por la superficie hasta las corrientes o se infiltra. El agua interceptada y una parte de la infiltrada y de la que corre por la superficie se evapora nuevamente. De la precipitación que llega a las corrientes, una parte se infiltra y otra llega hasta los océanos y otros grandes cuerpos de agua, como presas y lagos. Del agua infiltrada, una parte es absorbida por las plantas y posteriormente es transpirada, casi en su totalidad, hacia la atmósfera y otra parte

fluye bajo la superficie de la tierra hacia las corrientes, el mar u otros cuerpos de agua, o bien hacia zonas profundas del suelo (percolación)para ser almacenada como agua subterránea y después aflorar en manantiales, ríos o el mar.

Aceptando la definición de Hidrología, es necesario limitar la parte de la hidrología que se estudia en la ingeniería a una rama que comúnmente se llama ingeniería hidrológica o hidrología aplicada, que incluye aquellas partes del campo de la hidrología que atañen al diseño y operación de proyectos de ingeniería para el control y aprovechamiento del agua. El ingeniero que se ocupa de proyectar, construir o supervisar el funcionamiento de diferentes instalaciones hidráulicas debe resolver numerosos problemas prácticos de muy variado carácter. Por ejemplo, se encuentra con la necesidad de diseñar puentes, estructuras para el control de avenidas, presas, vertedores, sistemas de drenaje para poblaciones, carreteras y aeropistas y sistemas de abastecimiento de agua. Sin excepción, estos diseños requieren de análisis hidrológicos cuantitativos para la selección del evento de diseño necesario. La hidrología juega un papel importante en la operación efectiva de estructuras hidráulicas, especialmente aquellas que se destinan a la generación de energía y control de avenidas, donde se requiere con frecuencia de pronóstico de avenidas y sequias. El ciclo hidrológico involucra un proceso de transporte recirculatorio e indefinido o permanente, este movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol que proporciona la energía para elevar el agua (evaporación); la segunda, la gravedad terrestre, que hace que el agua condensada descienda (precipitación y escurrimiento). Ciencias auxiliares Las ciencias en que se apoya la investigación hidrológica son básicamente la geografía física, la meteorología, la geología, la hidráulica, las matemáticas y la estadística, aunque también es fácil encontrar relaciones de la hidrología con disciplinas como la física, química, biología, investigación de operaciones y otras. Así como la hidrología es una ciencia muy amplia, interdisciplinaria porque requiere material de otras ciencias para su propia interpretación.

Base Histórica de Información Hidrológica Una parte importante del trabajo del hidrólogo es la recolección y análisis de datos. La disposición de datos básicos adecuados es esencial en todas las ciencias, y la hidrología no es una excepción. La mayoría de los países del mundo disponen de una o más agencias gubernamentales que tienen la responsabilidad de recolectar y difundir datos hidrológicos. En México, los organismos encargados de esta recolección y de su publicación en forma de boletines hidrométricos y climatológicos son la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y la Comisión Internacional de Límites y Aguas México-Estados Unidos de América, además de algunos otros organismos de carácter local, como el Departamento del Distrito Federal.

Las herramientas con que hoy cuenta el hidrólogo son múltiples y muy variadas, pero con frecuencia le son útiles sólo para situarse dentro del orden de magnitud de los parámetros que maneja. Generalmente, cada problema hidrológico es único en cuanto trata con un conjunto diferente de condiciones físicas dentro de una cuenca hidrológica específica, lo que implica que el que trabaja con este tipo de problemas no puede tener una filosofía conformista. Cada nuevo caso es un problema de investigación: éste es uno de los grandes encantos de la hidrología. No es un campo dogmático de la profesión de la ingeniería, sino un reto intelectual sistemático, es un ejercicio de la imaginación y de la inteligencia, de la prudencia y el sentido de la observación. Breve reseña histórica Fijar la fecha exacta del nacimiento de una ciencia es siempre difícil. Esto se aplica particularmente a la hidrología, cuyo origen puede encontrarse en varias esferas conexas: la geografía física, la meteorología, la geología, la hidráulica, etc. Los inicios de la hidrología se vinculan, por una parte, a las primeras obras de ingeniería de la antigüedad que servían para abastecer de agua a las ciudades o para regar campos de cultivo y, por otra, a los intentos de eminentes eruditos por comprender el medio físico que rodea al hombre. Año Hidrológico Período continuo de doce meses seleccionados de manera que los cambios globales en el almacenamiento sean mínimos, por lo que la cantidad sobrante de un año al siguiente, se reduce al mínimo. En el Perú, el año hidrológico empieza en septiembre y termina en agosto del año siguiente.

Precipitación Se denomina precipitación, a toda agua meteórica que cae en la superficie de la tierra, tanto en forma líquida (llovizna, lluvia, etc.) y sólida (nieve, granizo, etc.) y las precipitaciones ocultas (rocío, la helada blanca, etc.). Ellas son provocadas por un cambio de la temperatura o de la presión. La precipitación constituye la única entrada principal al sistema hidrológico continental. Precipitación Convectiva. Resultan de una subida rápida de las masas del aire en la atmósfera. La precipitación que resulta de este proceso es generalmente tempestuosa, de corta duración (menos de una hora), de intensidad fuerte y de poca extensión espacial. Precipitación Orográfica. Como su nombre indica (del griego oros = montaña), este tipo de precipitación se relaciona con la presencia de una barrera topográfica. La característica de la precipitación orográfica es su intensidad y frecuencia regular. Precipitación frontal o del tipo ciclónico. Se denomina Frentes, a la asociación de la temperatura de la masa de aire y la humedad. Los frentes fríos crean precipitaciones cortas e intensas. Caudal. Volumen de agua que fluye a través de una sección transversal de un río o canal en la unidad de tiempo, tal como se aprecia en la figura.

Hidrograma Expresión gráfica de la variación del caudal a lo largo del tiempo. Un hidrograma de caudal es una gráfica o una tabla que muestra la tasa de flujo como función del tiempo en un lugar dado de la corriente. En efecto el hidrograma es una expresión integral de las características fisiográficas y climáticas que rigen las relaciones entre la lluvia y escorrentía de una cuenca de drenaje particular.

Subcuenca Unidad de drenaje de menor superficie que una cuenca y que forma parte de esta, constituyendo un tributario de la misma, o sea una cuenca que sale o que drena a una cuenca más grande.

Origen de la Hidrología Aunque existen algunas referencias en la literatura más antigua, aparentemente le correspondió a Pierre Perrault el gran mérito de demostrar con evaluaciones cuantitativas en su libro “origine des jontaines”, publicado en 1674, que las precipitaciones y las nevadas son la causa del flujo en los ríos, con lo cual marcó la pauta para el reconocimiento universal del ciclo hidrológico en su interpretación moderna. Lo anterior justificó la decisión de aceptar la obra de Pierre Perrault como principio de la hidrología científica. Conocido también como el padre de esta ciencia.

Sistema hidrológico

1.2 Balance hidrológico. El Balance Hidrológico relaciona las variables que intervienen en el ciclo hidrológico. Se aplica en todos los casos que tienen que ver con la distribución de los recursos hidráulicos a nivel global, o en cuencas particulares. Es imprescindible en los estudios de regulación de embalses y en los proyectos de suministro de agua para acueducto, riego y generación hidroeléctrica. El Balance Hídrico consiste en la aplicación del principio de la conservación de masa al conjunto de una cuenca o a una cierta parte de ella definida por unas determinadas condiciones de contorno. Durante un determinado período de tiempo en el que se realiza el balance, la diferencia entre el total de entradas y el total de las salidas debe ser igual a la variación en el almacenamiento: Entradas – Salidas = Variación del almacenamiento El agua, recurso de la humanidad el cual se encuentra en un ciclo continúo debido a los diferentes procesos que conlleva su almacenamiento y explotación, es cuantificable y debido a los requerimientos actuales del hombre, es necesario conocer con exactitud ese movimiento y definirlo para aprovechar de forma racional los recursos hídricos y que no se modifiquen de forma irreversible los componentes que intervienen en el ciclo del agua. El balance hidrológico tiene por objeto cuantificar los recursos y volúmenes de agua del ciclo hidrológico de acuerdo con el axioma de Lavoisier (el cual nos dice que nada se crea ni se destruye, solo se transforma. Lo que nos lleva a suponer que todo recurso hídrico puede ser medible a manera de pérdida o uso natural y de esta manera poderse administrar) este axioma permite establecer las relaciones entre las variables hidrológicas.

Objetivo del balance hidrológico El balance hidrológico puede ser denominado como un proceso para administrar recursos hidrológicos de esta manera este puede ser aplicado en cuencas o en diversas regiones. Este proceso permite obtener información sobre: 1. El volumen anual de escurrimiento o excedentes. 2. El periodo en el que se produce el excedente y por tanto la infiltración o recarga del acuífero. 3. Periodo en el que se produce un déficit de agua o sequía. 4. El cálculo de demanda de riego para ese periodo.

Demandas por las cuales se pueden realizar un balance hidrológico. El establecimiento de un balance hidrológico supone la medición de caudales y almacenamiento de la misma la cual puede se puede cuantificar mediante niveles. Se pueden establecer balances para medir el agua de forma general o por separado ya sea en aguas subterráneas o superficiales de manera que se pueda analizar las entradas y salidas de agua en el sistema supervisado. La propia idea de balance supone la medida independiente de los términos que intervienen en la ecuación de balance. Como toda medida física, está sujeta a error, que, en algunos casos es grande debido a diversas circunstancias. Por ello ha de actuarse con gran prudencia a la hora de obtener datos del balance. El concepto de balance hídrico deriva del concepto de balance de materia, es decir, que es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que entran en un sistema y los que salen del mismo, en un intervalo de tiempo determinado. Sintéticamente puede expresarse por la fórmula:

Para la determinación del balance hídrico se debe hacer referencia al sistema analizado. Estos sistemas pueden ser, una cuenca hidrográfica, un lago natural o un embalse; incluso una región, un país o el mismo cuerpo humano.

1.3 Propiedades fisiográficas. ¿Qué es una propiedad fisiográfica? Una propiedad fisiográfica se refiere a las propiedades físico-morfometría que posee un objeto o elemento, en este caso una cuenca. La hidrografía estudia características como el caudal, la cuenca y la sedimentación fluvial de las aguas continentales. Es habitual que se considere la cuenca hidrográfica de un rio como una región natural específica y que se desarrollen análisis detallados de sus especificidades. En gen...