Hidrología y Gestión de Cuencas Curso Internacional

Hidrología y Gestión de Cuencas Curso Internacional
Por: Sergio Velásquez Mazariegos Tel CATIE , Turrialba, Costa Rica Julio de 2006

Capítulo 1. Concepto de Hidrología
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 medio ambiente, incluyendo a los seres vivos.

Capítulo 1. Importancia de la Hidrología
Determinar caudales de una fuente (río, nacimiento, pozo) para: abastecimiento de agua potable a una población abastecimiento de agua a una industria satisfacer la demanda de un proyecto de irrigación satisfacer la demanda de un proyecto de generación de energía eléctrica permitir la navegación

Diseñar obras como: alcantarillas puentes estructuras para el control de avenidas presas vertedores sistemas de drenaje agrícola poblaciones carreteras Aeropuertos Se diseñan para un evento determinado: precipitación-escorrentía

Fuente de información para otras herramientas SIG Modelos erosión Modelos hidráulicos Modelos de evaluación de tierras

Capítulo 1. El Ciclo Hidrológico
Conjunto de cambios que experimenta el agua en la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido, gaseoso), como en su forma (agua superficial, agua subterránea, etc.) Varía en el espacio Varía en el tiempo No tiene ni principio, ni fin La Hidrología solamente estudia la fase en la que la precipitación toca “tierra” hasta el retorno del agua a la atmósfera. La fase atmosférica corresponde a la Meteorología y el agua en los océanos a la Oceanografía. “Irregular”

Capitulo 1 El Ciclo Hidrológico

Capitulo 1 Enfoque de los problemas hidrológicos
Procesos naturales son sumamente complejos No siempre se puede aplicar una ley física fundamental para calcular un resultado Es necesario hacer análisis estadísticos (Probabilidades)

Capitulo 1 Instituciones compiladoras de datos
Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) Datos en el CSEBI Registro de 83 estaciones hidrológicas (registro de caudales) 70% están automatizadas 222 estaciones meteorológicas (precipitaciones) 50 % están automatizadas algunas miden temperatura, humedad relativa, evaporación y velocidad del viento. También lleva registro de sedimentos y calidad de agua de los ríos. Consultar a:

Instituto Meteorológico Nacional (IMN) Encargada de recopilar información climatológica Precipitación Temperatura Humedad Radiación solar Presión atmosférica Velocidad y dirección del viento. No se sabe cuántas estaciones tiene en operación Los datos son comprados Pueden consultar a:

Servicio Nacional de Aguas Subterráneas, Riego y Avenamiento (SENARA) Encargado de sistematizar y mantener actualizado el inventario de las aguas subterráneas y superficiales relacionadas con estas 22 estaciones en operación 2 estaciones tipo B 20 pluviométricas Datos de 7557 pozos en todo el país

Acueductos y Alcantarillados Suple y norma todos los aspectos relacionados con los servicios públicos de agua potable y alcantarillado sanitario para toda la población dentro del territorio nacional Integración las actividades siguientes: Financiamiento Protección ambiental y construcción operación y mantenimiento de ambos servicios Tiene datos de calidad de agua

La Cuenca Hidrográfica
Por: Sergio Velásquez Mazariegos Julio de 2006

Capítulo 2. Definición de Cuenca Hidrográfica
Es el área de terreno donde todas las aguas caídas por precipitación, se unen para formar un solo curso de agua Unidad natural definida por la existencia de la divisoria de las aguas en un territorio dado Las cuencas hidrográficas son unidades morfológicas superficiales Divisoria geográfica principal= Parteaguas Divisorias geográficas secundarias= Forman las subcuencas Unidad natural definida por la existencia de la divisoria de las aguas en un territorio dado. Las cuencas hidrográficas son unidades morfográficas superficiales. Sus límites quedan establecidos por la divisoria geográfica principal de las aguas de las precipitaciones; también conocido como "parteaguas". El parteaguas, teóricamente, es una línea imaginaria que une los puntos de máximo valor de altura relativa entre dos laderas adyacentes pero de exposición opuesta; desde la parte más alta de la cuenca hasta su punto de emisión, en la zona hipsométricamente más baja. Al interior de las cuencas se pueden delimitar subcuencas o cuencas de orden inferior. Las divisorias que delimitan las subcuencas se conocen como parteaguas secundarios.

Capítulo 2. Definición de Cuenca Hidrológica
La definición de cuenca hidrológica es más integral que la de cuenca hidrográfica Las cuencas hidrológicas son unidades morfológicas integrales y además de incluir todo el concepto de cuenca hidrográfica, abarcan en su contenido, toda la estructura hidrogeológica subterránea del acuífero como un todo. La definición de cuenca hidrológica es más integral que la de cuenca hidrográfica. Las cuencas hidrológicas son unidades morfológicas integrales y además de incluir todo el concepto de cuenca hidrográfica, abarcan en su contenido, toda la estructura hidrogeológica subterránea del acuífero como un todo.

Capítulo 2. División de la cuenca como unidad de gestión
Subcuenca: es toda área que desarrolla su drenaje directamente al curso principal de la cuenca. Varias subcuencas pueden conformar una cuenca. Microcuenca: es toda área que desarrolla su drenaje directamente a la corriente principal de una subcuenca. Varias microcuencas pueden conformar una subcuenca. Quebradas: es toda área que desarrolla su drenaje directamente a la corriente principal de una microcuenca. Varias quebradas pueden conformar una microcuenca.

Capitulo 2 Delimitación de cuencas
Las cuencas pueden ser delimitadas de varias formas: Manual: Siguiendo simples reglas de trazado

Capitulo 2 Delimitación de cuencas
Computarizada o automática Se hace a partir de las curvas a nivel y la red hidrográfica digitalizadas Puede presentar algunos problemas para su delimitación principalmente en el área cercana al punto de aforo. Depende de un insumo llamado Modelo de Elevación Digital (MED) o Modelo de Elevación de Terreno (MET). Un breve ejercicio en ARCVIEW……

Capitulo 2 Delimitación automatizada de cuencas
Generación del MED “Quemado” o “Marcado” de los ríos MED sin depresiones locales (Fill sinks) Grid de Dirección de Flujo Grid de Acumulación de Flujo Trazado automático

Capítulo 2 Características físicas de la cuenca
Superficie o área Perímetro Topografía (curva hipsométrica y curva de frecuencia de altitudes) Altitudes características Índices representativos Con el fin de establecer grupos de cuencas hidrológicamente semejantes, se estudian una serie de características físicas en cada cuenca, entre las que se tienen: 􀂃 superficie 􀂃 topografía 􀂃 altitudes características 􀂃 geología y suelos 􀂃 cobertura

Superficie o área Automatizada o computarizada Por medio de un SIG.
En ArcView 3.3 se aplica la extensión Mila Utilities 3.2. El proceso se hace de manera automática y el área se agrega a la tabla de atributos de la cuenca.

Perímetro Automatizado o Computarizado Por medio de un SIG.
En ArcView 3.3 se aplica la extensión Mila Utilities 3.2. El proceso se hace de manera automática y el perímetro se agrega a la tabla de atributos de la cuenca.

Curva hipsométrica Es la curva que puesta en coordenadas rectangulares, representa la relación entre la altitud, y la superficie de la cuenca que queda sobre esa altitud.

Curva hipsométrica Se debe calcular las áreas entre curvas a nivel
Se calcula por medio del planímetro o por medios gravimétricos Se puede calcular por SIG

Curva hipsométrica

Altitudes características
Altitud media: es la ordenada medida de la curva hipsométrica, donde el 50 % del área de la cuenca, está situado por encima de esa altitud y el 50 % está situado por debajo de ella. Altitud mas frecuente: es el máximo valor en porcentaje de la curva de frecuencia de altitudes. Altitud de frecuencia 1/2: es la altitud correspondiente al punto de abscisa ½ de la curva de frecuencia de altitudes.

Indice o Factor de Forma (F)
Expresa la relación, entre el ancho promedio de la cuenca y su longitud

Indice o Factor de Forma (F)
A mayor F mayor posibilidad de tener una tormenta intensa simultánea sobre toda la extensión de la cuenca Si una cuenca tiene un F mayor que otra (tal es el caso de F2 en la figura), existe mayor posibilidad de tener una tormenta intensa simultánea, sobre toda la extensión de la cuenca. Por el contrario, si la cuenca tiene un F menor, tiene menos tendencia a concentrar las intensidades de lluvias, que una cuenca de igual área pero con un F mayor.

Pendiente de la Cuenca Tiene una relación importante y compleja con la infiltración, la escorrentía superficial, la humedad del suelo, y la contribución del agua subterránea a la escorrentía Controla el tiempo de escurrimiento y concentración de la lluvia en los canales de drenaje

Pendiente de la Cuenca Criterios para evaluar la pendiente
Criterio de Alvord Criterio de Horton Criterio de Nash Criterio del rectángulo equivalente

Criterio de Alvord Este criterio está basado, en la obtención previa de las pendientes existentes entre las curvas de nivel. Este criterio está basado, en la obtención previa de las pendientes existentes entre las curvas de nivel. Dividiendo el área de la cuenca, en áreas parciales por medio de sus curvas de nivel, y las líneas medias de las curvas de nivel,

Pendiente del cauce Importante para
Aprovechamiento hidroeléctrico Solución de problemas de inundaciones. La pendiente del cauce se puede considerar como el cociente, que resulta de dividir, el desnivel de los extremos del tramo, entre la longitud horizontal de dicho tramo. Existen varios métodos para obtener la pendiente de un cauce El conocimiento de la pendiente del cauce principal de una cuenca, es un parámetro importante, en el estudio del comportamiento del recurso hídrico, como por ejemplo, para la determinación de las características óptimas de su aprovechamiento hidroeléctrico, o en la solución de problemas de inundaciones. En general, la pendiente de un tramo de un cauce de un río, se puede considerar como el cociente, que resulta de dividir, el desnivel de los extremos del tramo, entre la longitud horizontal de dicho tramo. Existen varios métodos para obtener la pendiente de un cauce, entre los que se pueden mencionar:

Metodos para obtener pendiente del cauce
Pendiente uniforme Compensación de áreas Ecuación de Taylor y Schwarz

Pendiente Uniforme Considera la pendiente del cauce, como la relación entre el desnivel que hay entre los extremos del cauce y la proyección horizontal de su longitud El método puede utilizarse en tramos cortos del río. considera la pendiente del cauce, como la relación entre el desnivel que hay entre los extremos del cauce y la proyección horizontal de su longitud

Red de Drenaje Las características de una red de drenaje, pueden describirse principalmente de acuerdo con: El tipo de corrientes El orden de las corrientes Longitud de los tributarios Densidad de corriente Densidad de drenaje La red de drenaje de una cuenca, se refiere a las trayectorias o al arreglo que guardan entre sí, los cauces de las corrientes naturales dentro de ella. Es otra característica importante en el estudio de una cuenca, ya que manifiesta la eficiencia del sistema de drenaje en el escurrimiento resultante, es decir, la rapidez con que desaloja la cantidad La cuenca hidrológica - página (65) de agua que recibe. La forma de drenaje, proporciona también indicios de las condiciones del suelo y de la superficie de la cuenca. Las características de una red de drenaje, pueden describirse principalmente de acuerdo con:

Tipo de Corrientes Corriente efímera, es aquella que solo lleva agua cuando llueve e inmediatamente después. Corriente intermitente, lleva agua la mayor parte del tiempo, pero principalmente en época de lluvias; su aporte cesa cuando el nivel freático desciende por debajo del fondo del cauce. Corriente perenne, contiene agua todo el tiempo, ya que aún en época de sequía es abastecida continuamente, pues el nivel freático siempre permanece por arriba del fondo del cauce. Una corriente efímera, es aquella que solo lleva agua cuando llueve e inmediatamente después. 􀂃 Una corriente intermitente, lleva agua la mayor parte del tiempo, pero principalmente en época de lluvias; su aporte cesa cuando el nivel freático desciende por debajo del fondo del cauce. 􀂃 La corriente perenne, contiene agua todo el tiempo, ya que aún en época de sequía es abastecida Hidrología - página (66) continuamente, pues el nivel freático siempre permanece por arriba del fondo del cauce.

Orden de las corrientes
Strahler Proporciona el grado de bifurcación dentro de la cuenca. Se requiere de un plano de la cuenca que incluya tanto corrientes perennes como intermitentes. Existen dos métodos para determinarlas: Strahler Shreve Pueden trazarse mediante el uso de los SIG. Una corriente efímera, es aquella que solo lleva agua cuando llueve e inmediatamente después. 􀂃 Una corriente intermitente, lleva agua la mayor parte del tiempo, pero principalmente en época de lluvias; su aporte cesa cuando el nivel freático desciende por debajo del fondo del cauce. 􀂃 La corriente perenne, contiene agua todo el tiempo, ya que aún en época de sequía es abastecida Hidrología - página (66) continuamente, pues el nivel freático siempre permanece por arriba del fondo del cauce. Shreve 4

Longitud de los tributarios
Indicador de la magnitud de la pendiente de la cuenca, así como del grado de drenaje. Areas escarpadas y bien drenadas ---> numerosos tributarios pequeños y cortos Areas planas (suelos son profundos y permeables) ---> tributarios largos, que generalmente son corrientes perennes Longitud de los tributarios se incrementa como una función de su orden. La medición de las corrientes, se realiza dividiendo la corriente en una serie de segmentos lineales, trazados lo más próximo posible a las trayectorias de los cauces de las corrientes. También puede realizarse desde un SIG. La longitud de los tributarios es una indicación de la pendiente de la cuenca, así como del grado de drenaje. Las áreas escarpadas y bien drenadas, usualmente tienen numerosos tributarios pequeños, mientras que en regiones planas, donde los suelos son profundos y permeables, se tienen tributarios largos, que generalmente son corrientes perennes. La longitud de los tributarios se incrementa como una función de su orden. Este arreglo es también aproximadamente una ley de progresión geométrica. La relación no es valida para corrientes individuales. La medición de las corrientes, se realiza dividiendo la corriente en una serie de segmentos lineales, trazados lo más próximo posible a las trayectorias de los cauces de las corrientes.

Densidad de las corrientes
Es la relación entre el número de corrientes y el área drenada Solamente se consideran corrientes perennes e intermitentes El cauce principal cuenta como una corriente y luego los tributarios a este cauce desde su nacimiento hasta su unión con el cauce principal

Densidad de drenaje Se expresa como la longitud de las corrientes, por unidad de área Indica: La posible naturaleza de los suelos, que se encuentran en la cuenca. El grado de cobertura que existe en la cuenca. Valores altos, representan zonas con poca cobertura vegetal, suelos fácilmente erosionables o impermeables Valores bajos, indican suelos duros, poco erosionables o muy permeables y cobertura vegetal densa. Se puede calcular mediante un SIG

Precipitación

Capitulo 3. Precipitación
Formas Llovizna o garúa Lluvia Granizo Nieve Precipitación es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica, la precipitación es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre, y sus mediciones y análisis, forman el punto de partida de los estudios concernientes al uso y control del agua.

Capitulo 3 3.2 Formas de precipitación
Llovizna Gotas con diámetros de 0.1 a 0.5 mm Velocidad de caída baja: 1 m/seg a < 3 m/seg Lluvia Gotas con diámetros > 0.5 mm Velocidad de caída media: 3 m/seg a < 7 m/seg Chubasco Gotas grandes y dispersas con diámetros > 3 mm Velocidad de caída > 7 m/seg Escarcha Capa de hielo con bolsas de aire Nieve Cristales complejos de hielo Granizo Precipitación en forma bolas o formas irregulares de hielo Diámetro entre 5 y 125 mm Llovizna, pequeñas gotas de agua, cuyo diámetro varía entre 0.1 y 0.5 mm, las cuales tienen velocidades de caída muy bajas. 􀂃 Lluvia, gotas de agua con diámetro mayor 0.5 mm. 􀂃 Escarcha, capa de hielo por lo general transparente y suave, pero que usualmente contiene bolsas de aire. 􀂃 Nieve, compuesta de cristales de hielo blanco traslúcido, principalmente de forma compleja. 􀂃 Granizo, precipitación en forma de bolas o formas irregulares de hielo, que se producen por nubes convectivas, pueden ser esféricos, cónicos o de forma irregular, su diámetro varía entre 5 y 125 mm.

Capítulo 3 3.3 Clasificación de la precipitación
Atendiendo al factor que provoca la elevación del aire en la atmósfera, la precipitación se clasifica en: Convectiva Orográfica Ciclónica La formación de la precipitación, requiere la elevación de una masa de agua en la atmósfera, de tal manera que se enfríe y parte de su humedad se condense. Atendiendo al factor que provoca la elevación del aire en la atmósfera, la precipitación se clasifica en: Precipitación de convección. En tiempo caluroso, se produce una abundante evaporación a partir de la superficie del agua, formando grandes masas de vapor de agua, que por estar más calientes, se elevan sufriendo un enfriamiento de acuerdo a la adiabática seca o húmeda. En el curso de su ascenso, se enfrían según el gradiente adiabático seco (1° C /100m), o saturado (0.5°C /100m). Las masas de vapor se acumulan en los puntos llamados células de convección. A partir de este punto, estas masas pueden seguir elevándose hasta llegar a las grandes alturas, donde encuentran condiciones que provocan la condensación y la precipitación. Generalmente viene acompañada de rayos y truenos. Son precipitaciones propias de las regiones tropicales, donde las mañanas son muy calurosas, el viento es calmo y hay una predominancia de movimiento vertical del aire. Clasificación de la precipitación

Capítulo 3 Precipitación convectiva
Propias de tiempo caluroso y de regiones tropicales Son acompañadas de rayos y truenos La precipitación se da por los siguientes procesos: Evaporación Elevación por convección Enfriamiento por ascenso (gradiente) Adiabático seco (1° C /100m) Adiabático húmedo o saturado (0.5°C /100m) Las masas de vapor acumulado forman las llamadas Células de Convección. En tiempo caluroso, se produce una abundante evaporación a partir de la superficie del agua, formando grandes masas de vapor de agua, que por estar más calientes, se elevan sufriendo un enfriamiento de acuerdo a la adiabática seca o húmeda. En el curso de su ascenso, se enfrían según el gradiente adiabático seco (1° C /100m), o saturado (0.5°C /100m). Las masas de vapor se acumulan en los puntos llamados células de convección. A partir de este punto, estas masas pueden seguir elevándose hasta llegar a las grandes alturas, donde encuentran condiciones que provocan la condensación y la precipitación. Generalmente viene acompañada de rayos y truenos. Son precipitaciones propias de las regiones tropicales, donde las mañanas son muy calurosas, el viento es calmo y hay una predominancia de movimiento vertical del aire.

Capítulo 3 Precipitación orográfica
La precipitación se da por los siguientes procesos: Evaporación Empuje del vapor hacia las montañas Enfriamiento por ascenso a lo largo de la montaña Condensación y Precipitación Se producen cuando el vapor de agua que se forma sobre la superficie de agua es empujada por el viento hacia las montañas, aquí las nubes siguen por las laderas de las montañas, y ascienden a grandes alturas, hasta encontrar condiciones para la condensación y la consiguiente precipitación.

Capítulo 3 Precipitación ciclónica
La precipitación se da por los siguientes procesos: Choque de dos masas con diferente temperatura y humedad Nubes mas calientes impulsadas a las partes altas Condensación y Precipitación Están asociadas con el paso de ciclones o zonas de baja presión.

Capítulo 3 3.4 Medición de la precipitación
Se mide en función de la altura de la lámina de agua que cae por unidad de área Si hp= 1mm Entonces: Volumen= m3 o igual a 1 litro Area= 1 m2 hp

Pluviómetro Aparato destinado a medir la cantidad de agua caída, ya sea en forma de lluvia, nieve o granizo, expresada a través de la cantidad de litros o milímetros caídos por metro cuadrado. Cualquier recipiente de boca ancha, cuya superficie sea conocida puede servir como pluviómetro; para efectuar las medidas, se utilizará una probeta graduada que dará los cc. de precipitación caídos en el pluviómetro. El pluviómetro tipo Hellmann es el instrumento meteorológico más generalizado. 20 cm Φ El pluviómetro es un aparato destinado a medir la cantidad de agua caída, ya sea en forma de lluvia, nieve o granizo, expresada a través de la cantidad de litros o milímetros caídos por metro cuadrado. Cualquier recipiente de boca ancha, cuya superficie sea conocida puede servir como pluviómetro; para efectuar las medidas, se utilizará una probeta graduada que dará los cc. de precipitación caídos en el pluviómetro. El pluviómetro tipo Hellmann es el instrumento meteorológico más generalizado. En él, la lluvia se recoge en un embudo de diámetro normalizado (200 cm2) y entra en un depósito de boca estrecha, que se mantiene aislado del contacto con las paredes de un recipiente exterior, para evitar el calentamiento del agua. Se minimizan, así, las pérdidas de agua por evaporación. La lluvia recogida se mide luego con una probeta graduada adecuadamente.

Pluviógrafo Es un instrumento registrador que mide la cantidad de precipitación e indica la intensidad caída. Constituidos por recipientes dobles de medida conocida (vaciado automático) El movimiento se transmite a una plumilla que inscribe sobre la banda registradora el número de vuelcos que se han producido El gráfico que se genera se conoce como pluviograma. Pluviograma Es un instrumento registrador que mide la cantidad de precipitación e indica la intensidad caída. En general están constituidos por recipientes dobles de medida conocida; cuando uno de los semi-depósitos se llena de agua, se produce un vaciado que lleva el agua recogida al otro semi-depósito y así sucesivamente. Este movimiento se transmite a una plumilla que inscribe sobre la banda registradora el número de vuelcos que se han producido; conocida la capacidad que posee cada uno de los semi-depósitos se puede obtener la cantidad de precipitación caída a través de una simple multiplicación.

Estaciones automáticas Registran parámetros hasta cada minuto Bajo costo Pueden verse los datos en tiempo real Proceso se hace mediante un programa especializado El CATIE acaba de instalar dos estaciones de este tipo. Es un instrumento registrador que mide la cantidad de precipitación e indica la intensidad caída. En general están constituidos por recipientes dobles de medida conocida; cuando uno de los semi-depósitos se llena de agua, se produce un vaciado que lleva el agua recogida al otro semi-depósito y así sucesivamente. Este movimiento se transmite a una plumilla que inscribe sobre la banda registradora el número de vuelcos que se han producido; conocida la capacidad que posee cada uno de los semi-depósitos se puede obtener la cantidad de precipitación caída a través de una simple multiplicación.

Radar Puede determinar dónde están la lluvia y el granizo . El rada rebota ondas de radio en las gotas de lluvia de las nubes. Una computadora mide cuánto tiempo le toma a las ondas reflejarse de vuelta y utiliza ese tiempo para determinar cuán lejos está la lluvia. La computadora también mide cuánta energía se refleja de vuelta hacia el radar y calcula cuanta lluvia contienen las nubes. Radar Doppler No sólo puede determinar cuán lejos están las gotas de lluvia, también puede calcular si se están moviendo en dirección o lejos del radar. Los metereólogos saben que si la lluvia se está moviendo, el viento debe estar empujándola. Es así como saben hacia dónde sopla el viento dentro de las nubes. es parte importante en la predicción del estado del tiempo, ya que puede decirnos dónde están la lluvia y el granizo . El rada rebota ondas de radio en las gotas de lluvia de las nubes. Una computadora mide cuánto tiempo le toma a las ondas reflejarse de vuelta y utiliza ese tiempo para determinar cuán lejos está la lluvia. La computadora también mide cuánta energía se refleja de vuelta hacia el radar y calcula cuanta lluvia contienen las nubes. Un nuevo tipo de radar llamado radar Doppler puede hacer mucho más. No sólo puede determinar cuán lejos están las gotas de lluvia, también puede calcular si se están moviendo en dirección o lejos del radar. Los metereólogos saben que si la lluvia se está moviendo, el viento debe estar empujándola. Es así como saben hacia dónde sopla el viento dentro de las nubes.

Capítulo 3 3.5 Cálculo de la precipitación media
Los métodos pueden ser utilizados para calcular precipitación media anual o de una tormenta Metodologías: Promedio aritmético Polígonos de Thiessen Isoyetas Es un instrumento registrador que mide la cantidad de precipitación e indica la intensidad caída. En general están constituidos por recipientes dobles de medida conocida; cuando uno de los semi-depósitos se llena de agua, se produce un vaciado que lleva el agua recogida al otro semi-depósito y así sucesivamente. Este movimiento se transmite a una plumilla que inscribe sobre la banda registradora el número de vuelcos que se han producido; conocida la capacidad que posee cada uno de los semi-depósitos se puede obtener la cantidad de precipitación caída a través de una simple multiplicación.

3.5.1 Promedio aritmético Promedio aritmético, de las alturas de precipitaciones registradas, de las estaciones localizadas dentro de la zona Precisión depende de: Cantidad de estaciones Distribución de estaciones Distribución de lluvias Es un método bueno si hay un gran número de pluviómetros

3.5.2 Polígonos de Thiessen Se necesita conocer la localización de las estaciones dentro y fuera del área de estudio. Este método lo utilizaremos en el laboratorio utilizando SIG. Para este método, es necesario conocer la localización de las estaciones en la zona bajo estudio, ya que para su aplicación, se requiere delimitar la zona de influencia de cada estación, dentro del conjunto de estaciones. El método consiste en: 1. Ubicar las estaciones, dentro y fuera de la cuenca. Precipitación - página (79) 2. Unir las estaciones formando triángulos, procurando en lo posible que estos sean acutángulos (ángulos menores de 90°). 3. Trazar las mediatrices de los lados de los triángulos (figura 3.8) formando polígonos. (Por geometría elemental, las mediatrices correspondientes a cada triángulo, convergen en un solo punto. En un triángulo acutángulo, el centro de mediatrices, está ubicada dentro del triángulo, mientras que en un obtusángulo, está ubicada fuera del triángulo). 4. Definir el área de influencia de cada estación, cada estación quedará rodeada por las líneas del polígono (en algunos casos, en parte por el parteaguas de la cuenca). El área encerrada por los polígonos de Thiessen y el parteaguas será el área de influencia de la estación correspondiente. 5. Calcular el área de cada estación. 6. Calcular la precipitación media, como el promedio pesado de las precipitaciones de cada estación, usando como peso el área de influencia correspondiente, es decir: donde : Pmed = precipitación media AT = área total de la cueca Ai = área de influencia parcial del polígono de Thiessen correspondiente a la estación i

3.5.3 Isoyetas Se necesita de un plano de isoyetas para el área de estudio Este solía ser el método más exacto. Se necesita de un buen criterio para el trazado de isoyetas Precipitación orográfica sigue el patrón de curvas a nivel Para este método, se necesita un plano de isoyetas de la precipitación registrada, en las diversas estaciones de la zona en estudio. Las isoyetas son curvas que unen puntos de igual precipitación. Este método es el más exacto, pero requiere de un cierto criterio para trazar el plano de isoyetas. Se puede decir que si la precipitación es de tipo Precipitación - página (81) orográfico, las isoyetas tenderán a seguir una configuración parecida a las curvas de nivel.

3.5.4 Interpolación espacial
Procedimiento matemático utilizado para predecir el valor de un atributo en una locación precisa a partir de valores del atributo obtenidos de puntos vecinos ubicados al interior de la misma región. A la predicción del valor de un atributo en lugares fuera de la región cubierta por las observaciones se le llama extrapolación.

3.6 Estudio de una tormenta Definición
Tormenta: Conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación meteorológica y de características bien definidas. Dura desde minutos, horas o días Abarca extensiones variables (pequeñas a grandes)

3.6 Estudio de una tormenta Importancia del análisis
Importante en el diseño de obras de ingeniería hidráulica Drenajes Q máximos para el diseño de aliviaderos de represas o en control de torrentes Diseño de la luz de un puente Conservación de suelos Diámetro de alcantarillas

3.6 Estudio de una tormenta Elementos del análisis
Intensidad Cantidad de H2O caída por unidad de tiempo Lo más importante es la intensidad máxima La intensidad se expresa así: Imax = P / t donde: Imax= Intensidad máxima en mm/hora P = Precipitación en altura de agua, en mm t = tiempo, en horas

Duración Tiempo entre el comienzo y el fin de la tormenta Período de duración (PD) = un determinado período de tiempo, tomado en minutos u horas, dentro del total de la tormenta El PD tiene importancia en la determinación de intensidades máximas. Tanto la intensidad como la duración se obtienen del pluviograma.

Frecuencia (f) No. de veces que se repite una tormenta de características de intensidad y duración, definidas en un período de tiempo expresado en años. Tiempo de retorno (Tr) Intervalo de tiempo promedio, dentro del cual un evento de magnitud X puede ser igualado o excedido por lo menos una vez en promedio. Es el inverso de la frecuencia Se representa como: Tr = 1/f Ej: Tormenta de intensidad máxima igual a 50 mm/hr, para una duración de 30 minutos y un tiempo de retorno de 10 años.

3.6 Estudio de una tormenta El Hietograma y la curva masa
Es necesario determinar las variaciones de las tormentas en el tiempo De esas variaciones depende el diseño de obras hidráulicas Estas variaciones se estudian mediante el hietograma y la curva masa de precipitación.

3.6 Estudio de una tormenta El Hietograma
Gráfico escalonado similar al histograma que representa la variación en intensidad expresada en mm/hora en el transcurso de la misma expresada en minutos u horas. Nos muestra la hora a la que sucede la máxima intensidad y su respectivo valor Matemáticamente representa: I = δP/ δt

3.6 Estudio de una tormenta La curva masa acumulada
Representa la precipitación acumulada vrs el tiempo. Se extrae directamente del pluviograma La pendiente de la tangente en cualquier punto, representa la intensidad instantánea en ese tiempo. La curva masa es la integral del hietograma.

3.6 Estudio de una tormenta Hietograma y curva masa

3.6 Estudio de una tormenta Intensidad máxima para una determinada zona de Costa Rica
Elaboradas por Ellio Coen París (1967) Se recomiendan para períodos de retorno de 10 años o menos

3.6 Estudio de una tormenta Ejemplo de Imax para diseño
Se desea realizar el diseño de una alcantarilla en Cartago, para lo cual, se requiere calcular la intensidad máxima de diseño, para una duración de 20 min (esto se calcula con el tiempo de concentración), y un período de retorno de 10 años.

Corresponde una intensidad máxima de 40 mm para una hora de duración y un período de retorno de un año

Para un período de retorno de 10 años y una lluvia de 40 mm para una duración de 1 hora corresponde una lluvia máxima de 76 mm.

Para una duración de 20 min y una lluvia máxima de 76 mm (interpolar entre dos líneas) se obtiene una intensidad de 135 mm/hora

3.6 Estudio de una tormenta Curvas IDP para CR
En general, las curvas IDF se ajustan a ecuaciones que tienen la siguiente expresión: Donde: Cr es un coeficiente que depende de la Frecuencia del evento b y n son parámetros propios de la cuenca que se está analizando i es la intensidad del aguacero t es la duración del mismo La ecuación es aceptable para Duraciones menores de 2 horas y Frecuencias menores de una vez en 100 años.

3.6 Estudio de una tormenta Curvas IDP para CR
Desarrolladas por W. Varson y A. Marvin (1992) Se hizo para las principales ciudades de CR. Períodos de registro de 21 años, duraciones de 5 a 720 minutos y períodos de retorno de 2 hasta 200 años. Se utilizó la distribuciónde Gumbel Se basó en ecuaciones de regresión (basadas en datos tabulares) con los que se elaboraron los gráficos A la derecha se muestran las ecuaciones para duraciones entre 5 y 120 minutos

Escorrentía I

Capitulo 4. Escurrimiento 4.1 Aspectos Generales
El escurrimiento es el componente del ciclo hidrológico que se define como el agua proveniente de la precipitación, que circula sobre o bajo la superficie terrestre, y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca (estación de aforo).

Capitulo 4. Escurrimiento 4.1 Aspectos Generales
¿Qué pasa con la precipitación cuando llega a la superficie de la tierra? 1. Una parte de la precipitación se infiltra. Una parte de ésta, satisface la humedad del suelo, de las capas que se encuentran sobre el nivel freático del agua Una vez que estas capas se han saturado, el agua subterránea es recargada, por la parte restante del agua que se infiltra. 2. Otra parte de la precipitación, tiende a escurrir sobre la superficie terrestre La precipitación que ocasiona este escurrimiento, se llama altura de precipitación en exceso (hp). 3. Una pequeña proporción se pierde.

Capítulo 4. Escurrimiento 4.1 Aspectos Generales
El escurrimiento se clasifica en tres tipos: Escurrimiento superficial (Q) Escurrimiento subsuperficial (Qs) Escurrimiento subterráneo (Qg) Con base en lo anterior, el escurrimiento se clasifica en tres tipos: 􀂃 Escurrimiento superficial (Q) 􀂃 Escurrimiento subsuperficial (Qs). 􀂃 Escurrimiento subterráneo (Qg) En la figura 4.1, se muestra un esquema donde se indica la relación entre la precipitación y el escurrimiento total.

Escurrimiento superficial Proviene de la precipitación no infiltrada y que escurre sobre la superficie del suelo. Efecto inmediato sobre el escurrimiento total existe durante la tormenta e inmediatamente después de que esta termine La parte de la precipitación total que da lugar a este escurrimiento, se denomina precipitación en exceso (hp). Escurrimiento subsuperficial Proviene de una parte de la precipitación infiltrada. El efecto sobre el escurrimiento total, puede ser inmediato o retardado. Si es inmediato se le da el mismo tratamiento que al escurrimiento superficial, en caso contrario, como escurrimiento subterráneo. Escurrimiento subterráneo es aquel que proviene del agua subterránea, la cual es recargada por la parte de la precipitación que se infiltra, una vez que el suelo se ha saturado. Escurrimiento superficial, es aquel que proviene de la precipitación no infiltrada y que escurre sobre la superficie del suelo. El efecto sobre el escurrimiento total es inmediato, y existirá durante la tormenta e inmediatamente después de que esta termine. La parte de la precipitación total que da lugar a este escurrimiento, se denomina precipitación en exceso (hp). Escurrimiento subsuperficial, es aquel que proviene de una parte de la precipitación infiltrada. El efecto sobre el escurrimiento total, puede ser inmediato o retardado. Si es inmediato se le da el mismo tratamiento que al escurrimiento superficial, en caso contrario, como escurrimiento subterráneo. Escurrimiento subterráneo, es aquel que proviene del agua subterránea, la cual es recargada por la parte de la precipitación que se infiltra, una vez que el suelo se ha saturado.

4.2 Factores que afectan el escurrimiento superficial
Meteorológicos forma, tipo, duración e intensidad de la precipitación la dirección y la velocidad de la tormenta la distribución de la lluvia en la cuenca. Fisiográficos Características físicas de la cuenca (superficie, forma, elevación, pendiente) tipo y uso del suelo humedad antecedente del mismo. Meteorológicos, se pueden considerar la forma, el tipo, la duración y la intensidad de la precipitación, la dirección y la velocidad de la tormenta, y la distribución de la lluvia en la cuenca. Fisiográficos, se pueden considerar las características físicas de la cuenca (superficie, forma, elevación, pendiente), tipo y uso del suelo, humedad antecedente del mismo.

4.2.1 Factores Meteorológicos
Forma y tipo de la precipitación Si la precipitación es de origen orográfico ===> ocurre seguramente en las zonas montañosas en la parte alta de la cuenca, por lo que los escurrimientos se regularizarán notablemente durante su recorrido, y se tendrán valores relativamente bajos del caudal en la descarga. El efecto de la forma de la precipitación, se manifiesta principalmente en el tiempo de concentración de los escurrimientos En forma de lluvia, con intensidad y duración suficiente, el escurrimiento superficial se presentará casi de inmediato Precipitación en forma de nieve el escurrimiento es retardado, donde la respuesta de la cuenca, será más lenta debido al tiempo necesario para que se produzca el deshielo. Forma y tipo de la precipitación La manera de como se origina la precipitación, y la forma que adopta la misma, tiene gran influencia en la Escurrimiento - página (139) distribución de los escurrimientos en la cuenca. Así por ejemplo, si la precipitación es de origen orográfico, seguramente ocurrirá en las zonas montañosas en la parte alta de la cuenca, por lo que los escurrimientos se regularizarán notablemente durante su recorrido, y se tendrán valores relativamente bajos del caudal en la descarga. El efecto de la forma de la precipitación, se manifiesta principalmente en el tiempo de concentración de los escurrimientos. Si la precipitación cae en forma de lluvia, con intensidad y duración suficiente, el escurrimiento superficial se presentará casi de inmediato, no ocurriendo lo mismo cuando la precipitación es en forma de nieve, donde la respuesta de la cuenca, será más lenta debido al tiempo necesario para que se produzca el deshielo

Intensidad de precipitación Intensidad de lluvia excede a la capacidad de infiltración del suelo, se presenta el escurrimiento superficial, observándose para incrementos posteriores en la intensidad de lluvia, aumento en el caudal transportado por el río. Existe un retardo debido a: tamaño de la cuenca almacenamiento en las depresiones efecto regulador de los cauces Intensidad de precipitación Cuando la intensidad de lluvia excede a la capacidad de infiltración del suelo, se presenta el escurrimiento superficial, observándose para incrementos posteriores en la intensidad de lluvia, aumento en el caudal transportado por el río. Esta respuesta, sin embargo, no es inmediata, pues existe un retardo debido al tamaño de la cuenca, al almacenamiento en las depresiones y al efecto regulador de los cauces.

Duración de la precipitación La capacidad de infiltración del suelo disminuye durante la precipitación, por lo que puede darse el caso, que tormentas con intensidad de lluvia relativamente baja, produzcan un escurrimiento superficial considerable, si su duración es extensa. En algunos casos, particularmente en las zonas bajas de la cuenca, para lluvias de mucha duración el nivel freático puede ascender hasta la superficie del suelo, llegando a nulificar la infiltración, aumentado por lo tanto, la magnitud del escurrimiento. Los caudales de una cuenca, son máximos cuando el tiempo que tardan en concentrarse (tiempo de concentración), es similar a la duración de la tormenta que los origina. Duración de la precipitación La capacidad de infiltración del suelo disminuye durante la precipitación, por lo que puede darse el caso, que tormentas con intensidad de lluvia relativamente baja, produzcan un escurrimiento superficial considerable, si su duración es extensa. En algunos casos, particularmente en las zonas bajas de la cuenca, para lluvias de mucha duración el nivel freático puede ascender hasta la superficie del suelo, llegando a nulificar la infiltración, aumentado por lo tanto, la magnitud del escurrimiento. Se ha observado, que los caudales que se presentan en la descarga de una cuenca, son máximos cuando el tiempo que tardan en concentrarse (tiempo de concentración), es similar a la duración de la tormenta que los origina.

Distribución de la lluvia en la cuenca La lluvia no se distribuye uniformemente en cuencas grandes, ni con la misma intensidad. Si la precipitación se concentra en la parte baja de la cuenca produce caudales mayores, que los que se tendrían si tuviera lugar en la parte alta donde el efecto regulador de los caudales, y el retardo en la concentración, se manifiesta en una disminución del caudal máximo de descarga. Distribución de la lluvia en la cuenca Es muy difícil, sobre todo en cuencas de gran extensión, que la precipitación se distribuya uniformemente, y con la misma intensidad en toda el área de la cuenca. El escurrimiento resultante de cualquier lluvia, depende de la distribución en tiempo y espacio de ésta. Si la precipitación se concentra en la parte baja de la cuenca, producirá caudales mayores, que los que se tendrían si tuviera lugar en la parte alta, donde el efecto regulador de los caudales, y el retardo en la concentración, se manifiesta en una disminución del caudal máximo de descarga.

Dirección y velocidad de la tormenta Tormentas que se mueven en el sentido de la corriente, producen caudales de descarga mayores, que las que se desplazan hacia la parte alta de la cuenca. Otras condiciones meteorológicas Condiciones meteorológicas generales que influyen, aunque de una manera indirecta en el escurrimiento superficial Temperatura velocidad del viento humedad relativa presión barométrica, etc. Dirección y velocidad de la tormenta La dirección y velocidad con que se desplaza la tormenta, respecto a la dirección general del escurrimiento, en el sistema hidrográfico de la cuenca, tiene una influencia notable en el caudal máximo resultante y en la duración del escurrimiento superficial. En general, las tormentas que se mueven en el sentido de la corriente, producen caudales de descarga mayores, que las que se desplazan hacia la parte alta de la cuenca. Otras condiciones meteorológicas Aunque la lluvia es el factor más importante que afecta y determina la magnitud de un escurrimiento, no es el único que debe considerarse. Existen condiciones meteorológicas generales que influyen, aunque de una manera indirecta en el escurrimiento superficial, como es el caso de la temperatura, la velocidad del viento, la humedad relativa, la presión barométrica, etc.

4.2.2 Factores Fisiográficos
Superficie de la cuenca Relación entre el tamaño del área y el caudal de descarga no es lineal. A igualdad de los demás factores cuencas mayores, se observa una disminución relativa en el caudal máximo de descarga, debido a que son mayores, el efecto de almacenaje, la distancia recorrida por las aguas, y por lo tanto, el tiempo de regulación en los cauces naturales. Máxima intensidad de lluvia, que puede ocurrir con cualquier frecuencia, decrece conforme aumenta la superficie que cubre la tormenta cuencas mayores, se tendrán intensidades de precipitación (referidas a la superficie de la cuenca), y caudales específicos de descarga menores. Superficie de la cuenca Debido a que la cuenca, es la zona de captación de las aguas pluviales que integran el escurrimiento de la corriente, su tamaño tiene una influencia, que se manifiesta Hidrología - página (142) de diversos modos en la magnitud de los caudales que se presentan. Se ha observado que la relación entre el tamaño del área y el caudal de descarga no es lineal. A igualdad de los demás factores, para cuencas mayores, se observa una disminución relativa en el caudal máximo de descarga, debido a que son mayores, el efecto de almacenaje, la distancia recorrida por las aguas, y por lo tanto, el tiempo de regulación en los cauces naturales. Otro factor importante, que afecta la relación entre el caudal y la superficie de la cuenca, es que la máxima intensidad de lluvia, que puede ocurrir con cualquier frecuencia, decrece conforme aumenta la superficie que cubre la tormenta, por lo que para cuencas mayores, se tendrán intensidades de precipitación (referidas a la superficie de la cuenca), y caudales específicos de descarga menores.

Forma de la cuenca Para cuencas muy anchas o con salidas hacia los lados, el factor de forma puede resultar mayor que la unidad. Los factores de forma inferiores a la unidad, corresponden a cuencas mas bien extensas, en el sentido de la corriente. El coeficiente de compacidad, es indicador de la regularidad geométrica de la forma de la cuenca. Forma de la cuenca Para tomar en cuenta, cuantitativamente la influencia que la forma de la cuenca, tiene en el valor del escurrimiento, se han propuesto índices numéricos, como es el caso del factor de forma y el coeficiente de compacidad. El factor de forma, expresa la relación entre el ancho promedio y la longitud de la cuenca, medida esta última desde el punto mas alejado hasta la descarga. El ancho promedio se obtiene, a su vez, dividiendo la superficie de la cuenca entre su longitud. Para cuencas muy anchas o con salidas hacia los lados, el factor de forma puede resultar mayor que la unidad. Los factores de forma inferiores a la unidad, corresponden a cuencas mas bien extensas, en el sentido de la corriente. El coeficiente de compacidad, es indicador de la regularidad geométrica de la forma de la cuenca. Es la relación entre el perímetro de la cuenca, y la circunferencia de un círculo con igual superficie que el la de la cuenca.

Elevación de la cuenca y diferencia entre elevaciones extremas influye en las características meteorológicas, que determinan formas de la precipitación Por lo general, existe una buena correlación, entre la precipitación y la elevación de la cuenca, es decir, a mayor elevación la precipitación es también mayor. Elevación de la cuenca La elevación media de la cuenca, así como la diferencia entre sus elevaciones extremas, influye en las características meteorológicas, que determinan principalmente las formas de la precipitación, cuyo efecto en la distribución se han mencionado anteriormente. Por lo general, existe una buena correlación, entre la precipitación y la elevación de la cuenca, es decir, a mayor elevación la precipitación es también mayor.

Pendiente Uno de los factores que mayor influencia tiene en la duración del escurrimiento, sobre el suelo y los cauces naturales, afectando de manera notable, la magnitud de las descargas Influye en: la infiltración la humedad del suelo probable aparición de aguas subterráneas al escurrimiento superficial Es difícil la estimación cuantitativa, del efecto que tiene la pendiente sobre el escurrimiento Pendiente La pendiente media de la cuenca, es uno de los factores que mayor influencia tiene en la duración del escurrimiento, sobre el suelo y los cauces naturales, afectando de manera notable, la magnitud de las descargas; influye así mismo, en la infiltración, la humedad del suelo y la probable aparición de aguas subterránea al Hidrología - página (144) escurrimiento superficial, aunque es difícil la estimación cuantitativa, del efecto que tiene la pendiente sobre el escurrimiento para estos casos.

Tipo y uso del suelo Factores de suelo: El tamaño de los granos del suelo Ordenamiento y compactación Contenido de materia orgánica El suelo se puede ver alterado por el uso Deforestación Compactación Erosión, etc Estado de humedad antecedente del suelo La cantidad de agua existente en las capas superiores del suelo, afecta el valor del coeficiente de infiltración humedad del suelo es alta en el momento de ocurrir una tormenta, la cuenca generará caudales mayores debido a la disminución de la capacidad de infiltración. Capacidad de Infiltración y retención de humedad Tipo y uso del suelo El tamaño de los granos del suelo, su ordenamiento y comparación, su contenido de materia orgánica, etc, son factores íntimamente ligados a la capacidad de infiltración y de retención de humedad, por lo que el tipo de suelo, predominante en la cuenca, así como su uso, influye de manera notable en la magnitud y distribución de los escurrimientos. Estado de humedad antecedente del suelo La cantidad de agua existente en las capas superiores del suelo, afecta el valor del coeficiente de infiltración. Si la humedad del suelo, es alta en el momento de ocurrir una tormenta, la cuenca generará caudales mayores debido a la disminución de la capacidad de infiltración.

Otros factores La localización y orientación de la cuenca La eficiencia de la red de drenaje natural La extensión de la red hidrográfica y otros de menor importancia. Otros factores Existen algunos factores de tipo fisiográfico, que influyen en las características del escurrimiento, como son por ejemplo, la localización y orientación de la cuenca, la eficiencia de la red de drenaje natural, la extensión de la red hidrográfica y otros de menor importancia.

Caudales Máximos I

Introducción Importancia del análisis de caudales máximos: Diseño:
Sistemas de drenaje Agrícolas Aeropuertos Ciudades Carreteras Muros de encauzamiento para proteger ciudades y plantaciones Alcantarillas Vertedores de excesos Luz en puentes Magnitud del Q de diseño depende de: Importancia y costo de la obra Vida útil de la obra Consecuencias de la falla de la obra (daños a infraestructura, vidas humanas, etc). Estos factores determinarán el período de retorno que se asuma para el diseño.

Capítulo 6 Período de retorno de una avenida
Período de retorno (T) para un caudal de diseño Se define, como el intervalo de tiempo dentro del cual un evento de magnitud Q, puede ser igualado o excedido por lo menos una vez en promedio. Si un evento igual o mayor a Q, ocurre una vez en T años, su probabilidad de ocurrencia P, es igual a 1 en T casos, es decir: La definición anterior permite el siguiente desglose de relaciones de probabilidades: La probabilidad de que Q ocurra en cualquier año: La probabilidad de que Q no ocurra en cualquier año; es decir, la probabilidad de ocurrencia de un caudal < Q:

Capítulo 6 Período de retorno de una avenida
Si se supone que la no ocurrencia de un evento en un año cualquiera, es independiente de la no ocurrencia del mismo, en los años anteriores y posteriores, entonces la probabilidad de que el evento no ocurra en n años sucesivos es: La probabilidad de que el evento, ocurra al menos una vez en n años sucesivos, es conocida como riesgo o falla R, y se representa por: Con el parámetro riesgo, es posible determinar cuáles son las implicaciones, de seleccionar un período de retorno dado de una obra, que tiene una vida útil de n años.

Período de retorno de una avenida Ejercicio 1
Determinar el riesgo o falla de una obra que tiene una vida útil de 15 años, si se diseña para un período de retorno de 10 años.

Período de retorno de una avenida Ejercicio 1: Solución
Para el ejemplo: T = 10 y n = 15 Sustituyendo en la ecuación de riesgo: Si el riesgo es de 79.41%, se tiene una probabilidad del 79.41% de que la obra falle durante su vida útil.

Períodos de retorno de diseño recomendados
Esta tabla es para estructuras menores. En la medida que se pueda se debe aplicar la fórmula para conocer el riesgo o bien fijar un umbral de riesgo, para determinar el período de retorno.

Métodos de estimación de avenidas máximas: Método directo
Método de sección y pendiente: Se estima después del paso de una avenida recolectando datos en el campo. Selección de un tramo del río representativo, suficientemente profundo, que contenga al nivel de las aguas máximas. Levantamiento de secciones transversales en cada extremo del tramo elegido, y determinar:

Métodos de estimación de avenidas máximas: Método directo
Formula de Manning Determinar la pendiente S, de la superficie libre de agua con las huellas de la avenida máxima en análisis. Elegir el coeficiente de rugosidad n de Manning de acuerdo a las condiciones físicas del cauce (ver tabla). (USGS, Barnes) En el sitio WEB del curso se muestran algunas fotos de rugosidades para canales naturales. Aplicar la fórmula de Manning Coeficiente de rugosidad

Métodos de estimación de avenidas máximas: Métodos empíricos
Método racional Tiene una antigüedad de más de 100 años, se ha generalizado en todo el mundo. El método puede ser aplicado a pequeñas cuencas de drenaje agrícola, aproximadamente si no exceden a 1300 has ó 13 km2. La máxima escorrentía ocasionada por una lluvia, se produce cuando la duración de ésta es igual al tiempo de concentración (tc). Toda la cuenca contribuye con el caudal en el punto de salida. Si la duración es mayor que el tc Contribuye toda la cuenca con el caudal en el punto de salida. La intensidad de la lluvia es menor, por ser mayor su duración y, por tanto, también es menor el caudal. Si la duración de la lluvia es menor que el tc la intensidad de la lluvia es mayor, pero en el momento en el que acaba la lluvia El agua caída en los puntos mas alejados aún no ha llegado a la salida Sólo contribuye una parte de la cuenca a la escorrentía, por lo que el caudal será menor. El uso de este método, tienen una antigüedad de más de 100 años, se ha generalizado en todo el mundo. En mayo de 1989, la universidad de Virginia, realizó una Conferencia Internacional, en conmemoración del Centenario de la Fórmula Racional. El método puede ser aplicado a pequeñas cuencas de drenaje agrícola, aproximadamente si no exceden a 1300 has ó 13 km2. En el método racional, se supone que la máxima escorrentía ocasionada por una lluvia, se produce cuando la duración de ésta es igual al tiempo de concentración (tc). Cuando así ocurre, toda la cuenca contribuye con el caudal en el punto de salida. Si la duración es mayor que el tc, contribuye asimismo toda la cuenca, pero en ese caso la

Métodos de estimación de avenidas máximas: Métodos empíricos
Método racional El caudal máximo se calcula por medio de la siguiente expresión, que representa la fórmula racional: El 1/360 corresponde a la transformación de unidades

Método Racional: Tiempo de concentración (tc)
El tiempo de concentración debe incluir los escurrimientos sobre terrenos, canales, cunetas y los recorridos sobre la misma estructura que se diseña. Todas aquellas características de la cuenca tributaria, tales como dimensiones, pendientes, vegetación, y otras en menor grado, hacen variar el tiempo de concentración.

Tiempo de concentración (tc) Métodos de cálculo
Medida directa usando trazadores Colocar trazadores radiactivos durante tormentas intensas Medir el tiempo que tarda el agua en llegar al sitio de aforo Usando características hidráulicas de la cuenca Dividir la corriente en tramos según sus características hidráulicas Obtener la capacidad máxima de descarga de cada tramo utilizando el método de sección y pendiente. Calcular la velocidad media correspondiente a la descarga máxima de cada tramo. Usar la velocidad media y la longitud del tramo para calcular el tiempo de recorrido de cada tramo. Sumar los tiempos recorridos para obtener tc .

Estimando velocidades Calcular la pendiente media del curso principal, dividiendo el desnivel total entre la longitud total. De la tabla, escoger el valor de la velocidad media en función a la pendiente y cobertura. Usando la velocidad media y la longitud total encontrar tc .

Usando fórmulas empíricas Fórmula de Kirpich

Usando fórmulas empíricas Fórmula Australiana y Jorge Rivero (revisarlas Uds.) Fórmula de SCS Cuencas menores a 10 km2

Método de Cálculo: Intensidad de lluvia
Este valor se determina a partir de la curva intensidad – duración – período de retorno Entrando con una duración igual al tiempo de concentración y con un período de retorno de 10 años, que es lo frecuente en terrenos agrícolas. El período de retorno se elige dependiendo del tipo de estructura a diseñar.

Método de Cálculo: SCS Coeficiente de Escorrentía
La escorrentía directa representa una fracción de la precipitación total. A esa fracción se le denomina coeficiente de escorrentía, que no tiene dimensiones y se representa por la letra C. El valor de C depende de factores topográficos, edafológicos, cobertura vegetal, etc. Cuando la cuenca se compone de superficies de distintas características, el valor de C se obtiene como una media ponderada, es decir:

Ejemplo 2 Determinar caudal de diseño:
Se desea construir un canal revestido en Turrialba, que sirva para evacuar las aguas pluviales. Determinar el caudal de diseño de la estructura para un período de retorno de 10 años. Se adjuntan los siguientes datos: Superficie total = m2 Superficie ocupada por edificios = m2 Superficie ocupada por parqueo y calle asfaltada = m2 Considerar que la textura del suelo es media, que el 80% de la superficie sin construir está cubierto por zacate, y el 20% es terreno cultivado. La longitud máxima de recorrido de agua es 500 m, y la diferencia de altura entre el punto más remoto y el punto de desagüe es 12 m.

Determinar caudal de diseño: Ejemplo 2: Solución
Cálculo del coeficiente de escorrentía:

Cálculo de la Intensidad máxima (Imax) Imax se calcula para una duración igual al tiempo de concentración, y para un período de retorno de 10 años. Cálculo del tc (Kirpich) Tiempo de duración = Tiempo de concentración En este caso la duración será aprox. de 10 minutos

Figura 1 Cálculo de I para d = 1 hr y T = 1 año: De la figura 1 se tiene: I = 40 mm

Figura 2 Cálculo de I para d = 1 hr y T = 1 año: De la figura 1 se tiene: I = 40 mm Cálculo de I para d = 1 hr y T= 10 años: De la figura 2 se tiene: I = 75 mm

Figura 3 Cálculo de I para d = 10 min y T = 10 años: De la figura 3 se tiene: I = 177 mm para d = 10 min y T = 10 años. Cálculo del caudal máximo Q: De la fórmula racional, se tiene:

Diseño Hidrológico de Zanjas de Infiltración

Introducción

Principio básico

Diseño de Zanjas de Infiltración

Conceptos preliminares

Período de retorno

Curvas IDF

Velocidad de Infiltración

Precipitación máxima de 1 hora

Tabla de uso práctico

Diseño de Zanjas de Infiltración

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