Escorrentía (Escurrimiento)

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1 Escorrentía (Escurrimiento)

2 Escurrimiento o Escorrentía
El escurrimiento es la parte de la precipitación que aparece en las corrientes fluviales superficiales, perennes, intermitentes o efímeras, y que regresa al mar o a los cuerpos de agua interiores. Dicho de otra manera, es el deslizamiento virgen del agua, que no ha sido afectado por obras artificiales hechas por el hombre. La escorrentía es un término geológico de la hidrología, que hace referencia a la lámina de agua que circula sobre la superficie en una cuenca de drenaje, es decir la altura en milímetros del agua de lluvia escurrida y extendida. Normalmente se considera como la precipitación menos la evapotranspiración real y la infiltración del sistema suelo.

3 Escurrimiento o Escorrentía
El movimiento del agua en el suelo es el resultado de tres procesos físicos: entrada, transmisión y almacenamiento. El proceso de entrada, que también se denomina infiltración, ocurre en el límite entre el agua y la superficie del suelo. La transmisión es la percolación, tanto vertical como horizontal, que puede producirse a cualquier profundidad en la capa del suelo. El almacenamiento puede ocurrir en cualquier parte del perfil del suelo y se manifiesta como un aumento en la humedad del suelo. En términos generales, las condiciones ambientales que influyen en estos tres procesos se dividen en dos categorías principales: efectos naturales y efectos antropogénicos. A diferencia de los procesos naturales, que pueden tener varios efectos, la actividad humana suele reducir la cantidad de agua que penetra en el perfil del suelo y, por consiguiente, aumenta la escorrentía en la superficie del suelo, con todos sus conocidos. Empleamos los términos cuenca, cuenca de drenaje y cuenca hidrológica (o hídrica o hidrográfica) para describir el área que contribuye a la escorrentía. En términos generales, la escorrentía comienza en la divisoria de las aguas que marca el perímetro de la cuenca. Toda la escorrentía dentro de una cuenca drena en un único sitio, es decir, la salida o desagüe de la cuenca. Si el índice de precipitación excede la capacidad de infiltración, se produce escorrentía superficial. La escorrentía superficial equivale al índice de pluviosidad o a la velocidad de deshielo menos la capacidad de infiltración.

4 Escurrimiento o Escorrentía
El motivo principal del estudio del proceso de escorrentía es la necesidad de estimar la cantidad de agua que alcanza rápidamente el cauce fluvial. La escorrentía es el elemento más importante de la predicción de crecidas y puede consistir de agua pluvial o del agua generada por el derretimiento de la nieve y del hielo. Las condiciones en la cuenca hidrológica determinan la proporción de lluvia o nieve que se transforma en escorrentía. Conociendo la cantidad de agua esperada en forma de escorrentía, pueden utilizarse otras herramientas, como el hidrograma unitario, para calcular el caudal o gasto correspondiente que se descargará en el cauce. La expresión escurrimiento superficial suele referirse al volumen de las precipitaciones que caen sobre una cuenca, menos la retención superficial y la infiltración. El escurrimiento superficial o directo es función de la intensidad de la precipitación y de la permeabilidad de la superficie del suelo, de la duración de la precipitación, del tipo de vegetación, de la extensión de la cuenca hidrográfica considerada, de la profundidad del nivel freático y de la pendiente de la superficie del suelo.  La aportación de una cuenca se representa comúnmente en una gráfica llamada "hidrograma", que consiste en una curva que representa las oscilaciones, respecto el tiempo, del nivel del agua de un río en una sección dada del mismo. En el caso de un río con un tiempo de descarga muy largo, los caudales que por él circulan al cabo de un tiempo, son el resultado de la acumulación del escurrimiento superficial con la aportación subterránea.

5 Tipos de Escurrimiento o Escorrentía
Escurrimiento superficial o escorrentía. Es la parte del agua que escurre sobre el suelo y después por los cauces de los ríos. Escurrimiento subsuperficial. Es la parte del agua que se desliza a través de los horizontes superiores del suelo hacia las corrientes. Una parte de este tipo de escurrimiento entra rápidamente a formar parte de las corrientes superficiales y a la otra le toma bastante tiempo el unirse a ellas. Escurrimiento subterráneo. Es aquél que, debido a una profunda percolación del agua infiltrada en el suelo, se lleva a cabo en los mantos subterráneos y que, posteriormente, por lo general, descarga a las corrientes fluviales. A la parte de la precipitación que contribuye directamente al escurrimiento superficial se le llama precipitación en exceso. El escurrimiento subterráneo y la parte retardada del escurrimiento subsuperficial constituyen el escurrimiento base de los ríos. La parte de agua de escurrimiento que entra rápidamente en el cauce de las corrientes es a lo que se llama escurrimiento directo y es igual a la suma del escurrimiento subsuperficial más la precipitación que cae directamente en los cauces.

6 Ciclo del escurrimiento
El estudio del escurrimiento de los ríos como parte del ciclo hidrológico, incluye la distribución del agua y su trayectoria desde que se precipita sobre la tierra hasta que alcanza la red hidrográfica o vuelve directamente a la atmósfera a través de la evapotranspiración. La distribución del volumen total de agua caída durante una precipitación dada, depende tanto de las características y condiciones físicas -naturales o artificiales- de la cuenca, como de las características de la propia precipitación. Al comienzo de una precipitación fuerte, una gran cantidad de agua es interceptada por la vegetación; el agua así almacenada sobre la superficie de la capa vegetal se encuentra muy expuesta al viento y ofrece una enorme área de evaporación, de tal forma que las precipitaciones de corta duración y poca intensidad pueden llegar a ser completamente consumidas por la intercepción de las plantas, por la pequeña cantidad de agua que se infiltra a través del suelo y por el agua que llena los charcos y pequeñas depresiones de la superficie del suelo. Para que el agua llegue a infiltrarse, la superficie del suelo debe presentar una serie de condiciones adecuadas. Cuando a lo largo de una precipitación, el poder de intercepción y de almacenamiento en la superficie del suelo han sido ya agotados, y cuando la precipitación es tal que su intensidad excede la capacidad de infiltración del suelo, comienza ya el escurrimiento superficial propiamente dicho. La superficie del suelo se cubre en ese momento con una fina película de agua llamada película de retención superficial. Una vez que el agua corre sobre la superficie del suelo y alcanza los cauces de la red hidrográfica, comienza a aparecer el escurrimiento superficial en los cauces  

7 ciclo del escurrimiento o escorrentía

8 Parte del agua que se infiltra en el suelo continúa fluyendo lateralmente como un flujo hipodérmico, que tiene lugar a pequeñas profundidades debido a la presencia de horizontes relativamente impermeables situados muy cerca de la superficie del suelo, avanzando de este modo los cauces de la red sin haber sufrido una percolación profunda. Otra parte de esta agua se percola hacia la zona de saturación de las aguas subterráneas y eventualmente, alcanza la red hidrográfica para suministrar el escurrimiento base de los ríos. Existe todavía otra porción del agua infiltrada, que no llega a alcanzar el nivel de saturación de las aguas subterráneas y queda retenida encima del nivel freático, ésta es la llamada zona de saturación incompleta

9 Descomposición de la aportación de una lluvia de intensidad uniforme

10 Esta representa gráficamente la contribución que ejerce al caudal de los ríos una precipitación de intensidad moderada y constante. Cuando comienza una precipitación, casi toda el agua de la lluvia es recogida por la tierra en forma de retención superficial (intercepción + almacenamiento superficie suelo + evaporación); a medida que el tiempo transcurre, el almacenamiento que tiene lugar sobre la capa vegetal y la superficie del suelo se va saturando progresivamente y el agua comienza a infiltrarse a través del suelo; finalmente, aparece el flujo superficial que corre sobre la superficie del terreno, comenzando con ello a hacer presencia el escurrimiento puramente superficial en el caudal de los ríos. Existe además una porción de lluvia que desde el primer momento cae directamente sobre los cauces de los ríos y circula por ellos sin haber corrido previamente sobre la superficie del suelo; esta porción puede a veces aparecer claramente individualizada en el hidrograma general de la crecida.

11 Ríos que ganan o ceden agua al acuífero
El río o arroyo típico de una región húmeda recibe agua del nivel freático. Este es un río efluente o que gana agua. En las regiones áridas, muchos ríos llevan bastante agua en las partes altas. A medida que llegan a una elevación más baja, su cauce decrece debido a una menor precipitación, lo que provoca un descenso en el nivel freático, hasta el punto en que el río cede agua al acuífero, y se llama río influente. Algunos ríos pueden ser de ambos tipos, cediendo agua en épocas de sequía y recibiéndola en tiempos de lluvia

12 Tipos de ríos A) Efluente, B) Influente,
C) Efluente en período de lluvia e influente en época de sequía

13 Cauce El cauce o lecho fluvial es la parte del fondo de un valle por donde discurren las aguas en su curso: es el confín físico normal de un flujo de agua, siendo sus confines laterales las riberas. El lecho menor, aparente o normal, es aquel por el cual discurre agua incluso durante el verano (de ahí que algunos le den el nombre permanente). El lecho mayor o llanura de inundación, que contiene al primero, sólo es invadido por el curso de las crecidas y, en general, durante la estación anual en que el caudal aumenta y cuyo periodo depende, por su duración y por la época del año en que se sitúa, del régimen propio de cada río. La naturaleza de cualquier lecho fluvial es siempre una función de la dinámica del flujo y de los materiales geológicos locales que pueden influenciar a dicho flujo.

14 cauce

15 Capacidad de infiltración
En hidrología, se denomina capacidad de infiltración a la velocidad máxima con que el agua penetra en el suelo. La capacidad de infiltración depende de muchos factores; un suelo desagregado y permeable tendrá una capacidad de infiltración mayor que un suelo arcilloso y compacto. Si una gran parte de los poros del suelo ya se encuentran saturados, la capacidad de infiltración será menor que si la humedad del suelo es relativamente baja. Si los poros del suelo en las camadas superiores del mismo ya se encuentran saturadas, la infiltración se hará en función de la permeabilidad de los estratos inferiores. Una precipitación intensa podrá provocar la colmatación de los poros superficiales, con partículas finas del suelo, reduciendo la infiltración. En la figura anexa se puede ver la curva de la capacidad de infiltración, variable en el tiempo, sobrepuesta a un pluviograma horario, gráficamente se muestra el escurrimiento superficial, también variable en el tiempo. El índice de infiltración o capacidad media de infiltración es utilizado para calcular el escurrimiento en grandes áreas, donde sería difícil aplicar la curva de capacidad de infiltración. Este es equivalente a la velocidad media de infiltración.

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17 Coeficiente de escorrentía
Se conoce como coeficiente de escorrentía a la relación entre el índice de escorrentía y la precipitación anual. Indica qué porcentaje de la precipitación anual circula, de media. La fórmula de este índice es Ce = Ie/Pmm. Expresado en tantos por ciento es Ce = (Ie/Pmm) · 100. Siendo: Ce = Coeficiente de escorrentía Ie = Índice de escorrentía Pmm = Precipitaciones anuales en milímetros Cuando hablamos de la cantidad de lluvia que resbala sobre un material determinado lo llamamos factor de impermeabilidad, que es diferente para cada uno de ellos; por ejemplo: pizarra (0,70-0,95); grava de carretera (0,15-0,30); césped (0,05-0,03).

18 Coeficiente de escurrimiento
Se entiende por coeficiente de escurrimiento a la relación entre la lámina de agua precipitada sobre una superficie y la lámina de agua que escurre superficialmente, (ambas expresadas en mm). Donde:  = Precipitación (en mm)  = Lámina escurrida (en mm) El valor del parámetro k varía mucho en función del tipo de uso del suelo.

19 En lo siguiente se presentan algunos valores generalmente aceptados para precipitaciones de larga duración. Característica del área Valor de k Residencial urbano - Casas unifamiliares 0.30 Residencial urbano - Apartamentos con jardines 0.50 Comercial e industrial 0.90 Forestada (dependiendo del suelo) Parques, prados, terrenos cultivados Pavimentadas con asfalto u hormigón Terreno saturado por lluvias prolongadas 1.00

20 Observación Observando estos valores determinados por medio de ensayos de campo, se puede apreciar fácilmente por qué la destrucción de los bosques y la urbanización provocan crecidas mucho mayores. Debe corregirse la ecuación del coeficiente de escurrimiento, pues éste es la relación entre el caudal que escurre sobre el caudal precipitado (que siempre es mayor por las pérdidas que se presentan durante el escurrimiento, como son la infiltración y la evaporación), lo que hace que el coeficiente de escurrimiento sea siempre menor que la unidad. A mayores pérdidas del caudal precipitado, menor será el coeficiente de escurrimiento, y viceversa. Por lo tanto: K= caudal E= escurrimiento P= precipitacion

21 Modelos de escorrentía
Un modelo de escorrentía es una representación que forma parte del ciclo hidrológico en cuanto al fenómeno de la escorrentía superficial de una cuenca hidrográfica. El modelo se usa mayormente para entender el proceso de escurrimiento y para pronosticarlo con el propósito de regularizar el uso del agua o diseñar obras hidráulicas para el control de inundaciónes. Aunque se podrían hacer modelos a escala, la gran mayoría de los modelos de la escorrentía son modelos matemáticos.

22 Clases de modelos Análisis de la frecuencia acumulada del caudal un río, modelo estadístico Factores hidrológicos en el proceso de la escorrentía

23 Los modelos matemáticos de la escorrentía se pueden clasificar como:
modelos estadísticos modelos empíricos modelos conceptuales modelos de transporte modelos compuestos

24 Modelos estadísticos Los modelos estadísticos estan basados en el análisis de frecuencia acumulada de las escorrentías. Los pronósticos a base del período de retorno sirven para evaluar la frecuencia de escasez o de exceso de agua con el propósito de regularizar el uso del agua o diseñar obras hidráulicas para el control de inundaciónes. Ademas, el análisis estadístico de la lluvia o de la precipitación permite de estimar las recargas hidrológicas respresentativas de la cuenca que despues pueden servir como datos de entrada en los modelos matemáticos que convierten las recargas en escorrentías, de modo que se puede evaluar el régimen de la escorrentía Modelos empíricos Los modelos empíricos son modelos, o mas bien métodos, que se desarrollaron por experiencia, relacionando parámetros físicos hidrológicos con el fin de derivar la escorrentía a base de ellos. Modelos empíricos bien conocidos son: el método racional, que rinde el caudal máximo de escorrentía esperado en unidades de [L³/T] a base de una intensidad de la precipitación máxima en [L/T] en un período igual al tiempo de concentración de la cuenca el método del numero de curva,2 que rinde el volumen total de la escorrentía total (L³), combinado con el método del hidrograma unitario, que calcula la distribución del volumen en el tiempo lo que resulta en un hidrograma del caudal en [L³/T]

25 Modelos conceptuales Los modelos conceptuales son modelos basados en algun idea o concepto del proceso de la conversión de la lluvia en escorrentía. Modelos de transporte Los modelos de transporte hidráulico son modelos matemáticos a base de ecuaciones hidráulicas usadas en la mecánica de fluidos, como la de Saint Venant, para el flujo del agua en el lecho o cauce del río. El transporte del agua se hace normalmente por ciertos tramos del río definidos por una división de la cuenca entera en subcuencas. La complejidad de las características de la superficie de cuencas hace que los modelos de transporte todavía no son aplicables al proceso de escorrentía hasta el momento que el agua llega a un lecho o cauce bien definido. Por ello estos modelos se usan para el caso que el agua ya entró en un arroyo o río. Modelos compuestos Los modelos compuestos son modelos que tienen componentes de los modelos conceptuales y de transporte. La distinción entre modelos compuestos y modelos de transporte no es siempre muy clara porque muchos modelos de transporte tambien incluyen elementos de modelos conceptuales para determinar la cantidad de agua que entra en el cauce del río, en tanto que el método de la determinación puede variar de bien simple a muy avanzado.

26 Modelo del reservorio: Un modelo bien conocido el el modelo del reservorio lineal, pero en la práctica este modelo tiene utilidad limitada. El modelo de escorrentía a base del reservorio no-lineal tiene mas aplicabilidad universal, pero solamente vale para cuencas en las cuales se puede considerar que la lluvia tiene una distribución mas o menos igual sobre el área. El tamaño máximo de la cuenca depende entonces de las características de la precipitación en la región. Cuando el área de estudio es demasiado grande, se puede dividirlo en subcuencas y las hidrogramas respectivas pueden ser combinadas empleando modelos de simulación o modelos hidráulicos de transporte

27 La hidrología de un reservorio lineal
esta basada en dos ecuaciones 1) ecuación del flujo: Q = A.S (2) ecuación de continuidad o balance de agua: R = Q + dS/dT donde: Q es la escorrentía, el escurrimiento o la descarga superficial hidráulica en unidades [L/T], en que L indica el espesor de una lámina (mm, m) y T el tiempo (hora, dia) R es la recarga hidráulica neta, la lluvia efectiva o la precipitación excesiva [L/T] A es el factor de reacción constante, o factor de respuesta, con unidad [1/T] S es el almacenamiento o abastecimiento del agua con unidad [L] dS es una diferencial, o infinitesimal, o incremento pequeño de S dT es una diferencial, o infinitesimal, o incremento pequeño de T

28 Ecuación de la escorrentía La combinación de las dos ecuaciones anteriores resulta en una ecuación diferencial la solución de la cual se presenta como: Q2 = Q1 exp { – A (T2 – T1) } + R [ 1 – exp { – A (T2 – T1) } ] Este es la ecuación de la escorrentía, del escurrimiento, o de la descarga superficial hidráulica, donde Q1 y Q2 significan los valores de Q al tiempo T1 y T2 respectivamente mientras que T2–T1 es el paso o intervalo en el tiempo durante el cual la recarga neta R se puede suponer constante. Computación del hidrograma total Provisto que el valor de A es conocido se puede obtener el hidrograma total (HT) utilizando un número sucesivo de pasos en el tiempo y calculando la escorrentía con la ecuación de la escorrentía al final de cada paso partiendo de la escorrentía al final del intervalo previo. La escorrentía inicial debe estar conocido también.

29 Hidrograma unitario Cuando R = 0, la descarga se deja escribir como:
Q = – dS/dT Sustituyendo la expresión de Q en la ecuación (1) se obtiene la ecuación diferencial dS/dT = – A.S La solución de ella es: S = exp(– A.T) Reemplazando S por Q/A de acuerdo a la ecuación (1) y tomando una undidad de tiempo (T=1), se ve que: Q = A exp(– A) Esta se llama hidrograma unitaria instantánea (HUI19 ). La disponibilidad del HUI elimina la necesidad de calcular el HT sumando los hidrogamas parciales con el método mas complicado de la convolución. Factor de reacción Cuando el factor de reacción (A) se deja determinar a partir de las características de la cuenca hidrológica, el modelo del reservorio se puede emplear como modelo determinístico o modelo analítico. De otro modo, el factor A se puede determinar de un archivo de datos de lluvia y escorrentía usando el método de calibración explicado mas abajo para el reservorio no-lineal. Con este método el reservorio se utiliza como caja negra. Conversiones 1 mm/día corresponde a 10 m3/día por ha de la cuenca 1 l/seg por ha corresponde a 8.64 mm/día o 86.4 m3/día por hora

30 Reservorio no-lineal:Contrario al reservorio lineal, el reservorio no-lineal tiene un factor de reacción (A) que no es constante, pero una función que depende de S o Q  Normalmente el factor A aumenta con Q o S porque cuando mas elevado el nivel del agua mas grande la capacidad de descarga. Por ello, el factor se llama Aqen vez de A El reservorio no-lineal no tiene un HUI utilizable. Durante períodos sin lluvia y recarga, o sea R = 0, la ecuación de escorrentía se reduce a: Q2 = Q1 exp { – Aq (T2 – T1) } o empleando un intervalo unitario del tiempo T2 – T1 = 1 y solucionando para Aq: Aq = – ln (Q2/Q1) Entonces, el factor de reacción Aq se puede derivar de la escorrentía o descarga con intervalos unitarios durante épocas secas mediante un método numérico.

31 Índice de escorrentía El índice de escorrentía es un término usado en hidrología. Si conocemos el caudal relativo (módulo relativo) de un río, en una sección determinada, podemos obtener el índice de escorrentía multiplicándolo por un valor constante: 31,557 Ie = Mr (l/s/km²) · 31,557 Ie = índice de escorrentía (mm) Mr = caudal relativo (módulo relativo) expresado en (l/s/km²)

32 Recarga neta La recarga durante un intervalo unitario de tiempo (T2–T1=1) se encuentra como: R = Lluvia – Sd, a condición que R > 0, si no R = 0. El almacenamiento actual al final del intervalo unitario se calcula como Sa2 = Sa1 + Lluvia – R – Ea, donde Sa1 es al almacenamiento actual al comienzo del intervalo de tiempo. El método del Numero de Curva (NC)2 presenta una alternativa para estimar la recarga neta. Aquí, la abstracción inicial es comparable con Sm–Si donde Si es el valor inicial de Sa en el método del reservorio.

33 Gracias