El proceso del escurrimiento FACULTAD DE AGRONOMIA UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA El proceso del escurrimiento Mario García Petillo Unidad de Hidrología, GD Ingeniería Agrícola, Departamento de Suelos y Aguas mgarciap@fagro.edu.uy

El proceso del escurrimiento Factores que lo afectan Esquema de la charla Introducción El proceso del escurrimiento Factores que lo afectan Predicción del escurrimiento Caudal pico Rendimiento de agua

1. Introducción

Definición El escurrimiento es la parte de la precipitación que fluye sobre el terreno, o que va a partes subterráneas, y eventualmente, hacia mares u océanos.

Importancia de su conocimiento y manejo Erosión Aprovechamiento por los cultivos Tajamares Desagües

2. El proceso del escurrimiento

Escurrimiento subsuperficial Percolación Profunda PP TOTAL Exceso de PP Infiltración Otras extracciones Escurrimiento superficial Escurrimiento subsuperficial Percolación Profunda Escurrimiento subsuperficial rápido Escurrimiento subsuperficial lento Escurrimiento subterráneo Escurrimiento directo Escurrimiento de base ESCURRIMIENTO TOTAL

El ciclo del escurrimiento INICIO DE LA LLUVIA

3. Factores que afectan el escurrimiento

Factores que afectan el escurrimiento Climáticos Lluvia Intensidad Duración Distribución Frecuencia Precipitación antecedente Agua en el suelo

Factores que afectan el escurrimiento Climáticos Intercepción Especie Composición Densidad Estado de crecimiento

Factores que afectan el escurrimiento Climáticos Evapotranspiración Radiación Temperatura Velocidad del viento Humedad relativa

Factores que afectan el escurrimiento Fisiográficos De la cuenca en sí Geométricos Tamaño Pendiente Forma Longitud de la pendiente

Factores que afectan el escurrimiento Fisiográficos De la cuenca en sí Físicos Condiciones de la superficie del suelo Uso del suelo Drenaje interno Permeabilidad

Factores que afectan el escurrimiento Fisiográficos De la red de drenaje Capacidad de carga Sección Pendiente Rugosidad

Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia

Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia

Sub-regiones pluviométricas del Uruguay

Curvas Intensidad, Duración, Frecuencia (IDF)

Índice de Precipitación Antecedente (IPA) (Shaw, 1963)

IPA = 25

Índice de Precipitación Antecedente (IPA) (Shaw, 1963)

Intercepción Precipitación total 176 mm/mes Intercepción de la lluvia por un monte de Eucaliptus L. Martínez y P. Durán (2002) Medidas promedio de 9 meses Árboles de 7 años de edad Precipitación total 176 mm/mes Precipitación directa 156 mm/mes Precipitación fustal 13 mm/mes Intercepción 7 mm/mes (4%)

Efecto de la pendiente V f(h0.5) > pendiente, > V, < tiempo para infiltrar, > escurrimiento EC f(V2) V*2 EC*4 Cant f(V5) V*2 Cant*32 Tam f(V6) V*2 Tam*64

Efecto del tipo de suelo Planosol – Horizonte A Fr.Ar., profundidad 50 cm, AD 62 mm Brunosol – Horizonte A Fr.Arc., profundidad 20 cm, AD 40 mm Lluvias - Verano 69/70 162 mm (p<1%) - Verano 70/71 688 mm (p<7%)

Efecto del laboreo

Efecto del laboreo INIA La Estanzuela – promedio de 9 años

Relación de caudales pico (L. Silveira et al, 2003)

Relación de volúmenes específicos escurridos

Modificación de los coeficientes de escorrentía por el desarrollo forestal (Silveira y Alonso, 2004)

Tendencias de Coeficientes de escorrentía anual

Efecto de la red de drenaje Capacidad de carga (factores de la fórmula de Manning)

Cuenca Es toda superficie del terreno limitada por divisorias de agua

Cuenca chica Menos de 1000 km2 (100.000 has) La mayoría del esc sobre el terreno No hay efecto de retardo Picos de esc muy cerca de picos de pp Sensible a cambios de uso del suelo Sensible a lluvias intensas y cortas

Cuenca grande Mayor de 1000 km2 Importante efecto de los cursos de agua Retardo del escurrimiento Importante papel de almacenamiento de aguas de drenaje

4. Predicción del escurrimiento 4.1. Caudal pico de escurrimiento

Selección del método de cálculo Si TdeC < 20’ Método Racional Si TdeC > 20’ y Ac > 400 há Método S.C.S. Si TdeC > 20’ y Ac < 400 há Ambos métodos

Método Racional (C.E.Ramser, 1927)

Conceptos básicos Supuestos en que se basa

Coeficiente C: Para obtener el coeficiente de escorrentía “C” de tabla, es necesario estimar la pendiente de la cuenca y fijar el período de retorno a utilizar L.C.N. = Longitud de las curvas de nivel (m) I.V. = intervalo vertical (m) entre las curvas de nivel Area de la cuenca (m2) Período de Retorno (T) T = Período de retorno r = Riesgo asumido vu = Vida útil de la obra

Criterios de diseño generalizado para estructuras de control de agua (Período de Retorno) 1. Presas con poca probabilidad de pérdida de vidas Volumen (m3 * 10) Altura (m) P.R. (años) 1.1. Presa pequeña 60 - 1.250 7.60 – 12.20 50 – 100 1.2. Presa mediana 1.250 - 61. 650 12.20 - 30.50 100 - + 1.3. Presa grande 61.650 - + 30.50 - + E.L.V. 2. Alcantarillas 5 – 10 3. Drenaje agrícola 5 – 50 Fuente: adaptados de Chow, V.T., Hidrología Aplicada

RELACIONES LLUVIA/ESCURRIMIENTO  Coeficientes de escorrentía “C” para ser usados en el Método Racional. Fuente: Chow, V.T., 1994. Hidrología aplicada. Los valores son los utilizados en Austin, Texas.

Tormenta de diseño Es la máxima intensidad de lluvia (I) para una duración igual al tiempo de concentración (Tc) de la cuenca, para un determinado período de retorno (T).

Tc = D / V TIEMPO DE CONCENTRACIÓN Método de V. T. Chow Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente Condiciones de la superficie Pendiente (%) 0 - 3 4 - 7 8 –11 12 - + Flujo no concentrado Bosques 0 - 0.46 0.46 - 0.76 0.76 - 0.99 0.99 - + Pasturas 0 - 0.76 0.76 - 1.07 1.07 - 1.30 1.30 - + Cultivos 0 - 0.91 0.91 - 1.37 1.37 - 1.67 1.67 - + Pavimentos 0 - 2.59 2.59 - 4.11 4.11 - 5.18 5.18 - + Flujo concentrado Canales naturales mal definidos 0 - 0.61 0.61 - 1.22 1.22 - 2.13 2.13 - + Canales naturales bien definidos Calcular por fórmulas Tc = D / V

2.1 Método de Ramser y Kirpich (para flujo concentrado) Tc = 0.0195 L 0.77 S -0.385 Donde: Tc - tiempo de concentración (minutos) L - longitud hidráulica de la cuenca en (m) (mayor trayectoria de flujo) S - pendiente (m/m) 2.2 Método del S.C.S. (para flujo no concentrado) Tc = 0.91134 *  (L k (S-0.5)) Donde. Tc - tiempo de concentración (horas) L - longitud hidráulica de la cuenca en (Km) (mayor trayectoria de flujo) S - pendiente (%) K - coeficiente de cobertura del suelo

Coeficiente K del método del SCS Cobertura del suelo K Bosques con espeso mantillo sobre el suelo 3.953 Barbecho de hojarasca o cultivos de mínimo laboreo 2.020 Pasturas 1.414 Cultivos en línea recta 1.111 Suelo prácticamente desnudo y sin arar 1.000 Vías de agua empastadas 0.666 Área impermeable 0.500

Caudal pico de escorrentía Volumen total de escorrentía Vesc = m3 Qmáx= m3/s Tc = horas

Ejemplo Área de la cuenca: 50 has Pendiente promedio: 5% Cobertura del suelo: pasturas naturales Máximo recorrido del flujo: 900 m Ubicación: Young

Coeficiente C de escurrimiento Características de la superficie Período de retorno (años) 2 5 10 25 50 100 500 Area de cultivos Plano, 0-2% 0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.57 Promedio, 2-7% 0.35 0.38 0.41 0.44 0.48 0.51 0.60 Pendiente, superior a 7% 0.39 0.42 0.54 0.61 Pastizales 0.25 0.28 0.30 0.37 0.53 0.33 0.45 0.49 0.58 0.46 Bosques 0.22 0.56 0.52

Tiempo de concentración Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente Condiciones de la superficie Pendiente (%) 0 - 3 4 - 7 8 –11 12 - + Flujo no concentrado Bosques 0 - 0.46 0.46 - 0.76 0.76 - 0.99 0.99 - + Pasturas 0 - 0.76 0.76 - 1.07 1.07 - 1.30 1.30 - + Cultivos 0 - 0.91 0.91 - 1.37 1.37 - 1.67 1.67 - + Pavimentos 0 - 2.59 2.59 - 4.11 4.11 - 5.18 5.18 - + Flujo concentrado Canales naturales mal definidos 0 - 0.61 0.61 - 1.22 1.22 - 2.13 2.13 - + Canales naturales bien definidos Calcular por fórmulas 900 m / 0.86 ms-1 = 1046 s = 17 min 44 s = 0.29 h

Intensidad máxima de la lluvia 88 mm

1.18 25

0.35 0.29

P(d,Tr) = P(3,10) * CT(Tr) * CD(d) I (mm/h) = P(d,Tr) / d P(0.29,25) = 88 * 1.18 * 0.35 = 36 mm I = 36 / 0.29 = 124 mm/h = 0.124 m/h

Q = 0.42 * 0.124 m/h * 500.000 m2 / 3600 Qmáx = 7.23 m3/s = 7230 l/s Vol total = 4810 * 7.23 * 0.29 = 10.085 m3

Método del S.C.S.

Grupo hidrológico de suelo Números de las curvas de escurrimiento para complejos hidrológicos cubierta- suelo para antecedentes de condiciones de lluvia e Ia =0.2S Uso del suelo o cubierta Método o tratamiento Condición hidrológica Grupo hidrológico de suelo A B C D Barbecho Surco recto ________ 77 86 91 94 Cultivo en surcos Deficiente 72 81 88 Buena 67 78 85 89 Cultivo en contorno 70 79 84 65 75 82 Terraza 66 74 80 62 71 Grano pequeño 76 63 83 87 61 73 59 Leguminosas sembradas al voleo o pradera de rotación 58 64 55 69 51

Grupo hidrológico de suelo Uso del suelo o cubierta Método o tratamiento Condición hidrológica Grupo hidrológico de suelo A B C D Pastizal o terreno de pastoreo Deficiente 68 79 86 89 Regular 49 69 84 Buena 39 61 74 80 Cultivo en contorno 47 67 81 88 25 59 75 83 6 35 70 Pradera (permanente) 30 58 71 78 Forestal (terrenos agrícolas con árboles) 45 66 77 36 60 73 55 Granjas 82 Carreteras y derecho de vía (superficie dura) 90 92

Definición de los grupos de suelo

P(Tc 12/7) = precipitación con d = Tc x 12/7 (mm) 1. Volumen de escorrentía S =(25400 / NC) -254 P(Tc 12/7) = precipitación con d = Tc x 12/7 (mm) V esc = Volumen escurrido (m3) Ac = Área de la cuenca (há) NC = Número de curva S = Retención máxima (mm) 2. Caudal máximo q max = caudal unitario específico (m3/s/mm/ha) Q max = Caudal máximo (m3/s) P(Tc) = Precipitación con d = Tc (mm) Tc = Tiempo de concentración (horas)

EJEMPLO DE CALCULO DE QMAX Y Vesc 2. UBICACIÓN – Paysandu AREA: 500 hás Vegetación: pastura TC: 1.3 h Tipo de suelo: C METODO DEL SCS NC = 74 – S = (25400/74)- 254 = 89 TC * 12/7 = 1.3 * 12/7= 2.23h Cd (2.23) = 0.88 CD (1.3) = 0.69 CT (25) = 1.18 P(2.23; 25) = 90*0.88*1.18 =93mm P(1.30;25) 90 * 0.69 * 1.18 = 73mm V esc = (93 – 0.2 * 89)2 * 500 * 10 = 172200 m3 (93 + 0.8*89) Qmax = 0.786 * ( 1.223 – (0.2*89/73)2 = 0.343 m3/s/mm/há 1.223 + (0.8 * 89 / 73) Qmax = 0.310 * 0.343/1.3 *73 * 500/100 = 29.85 m3/s

4. Predicción del escurrimiento 4.2. Rendimiento de agua

Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual

Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual Ti = 0 si Pi  Poi i = HMax – Hi-1 + ETP HMax = CAD * AD Poi = CPo (HMax – Hi-1) Hi = MAX ( 0; Hi-1 + Pi – Ti – ETPi ) ETRi = min(ETPi; Hi-1 +Pi – Ti,) infiltración al almacenamiento subterráneo A sup i= Ti – Ii escurrimiento superficial A subi = V i-1 - Vi + Ii aporte subterráneo A Ti = A sup i + A sub i escorrentia Total

Calibración del modelo en Uruguay(12 cuencas): CAD: 0.916 CP0 = 0.30  = 2.325 IMAX = 386 ETP Penman = 1.38* ETP Thornthwaite

Isolíneas de evapotranspiración media anual (ETPm , mm/mes) y ciclo anual medio de evapotranspiración (ETPi/ETPm). Coeficiente de distribución del ciclo anual Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic 1.88 1.56 1.37 0.88 0.58 0.36 0.37 0.47 0.61 0.94 1.25 1.72