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

1.Introducción 2.El proceso del escurrimiento 3.Factores que lo afectan 4.Predicción del escurrimiento Caudal pico Rendimiento de agua Esquema de la charla

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 Escurrimiento superficial InfiltraciónOtras extracciones Exceso de PP Percolación Profunda Escurrimiento subterráneo ESCURRIMIENTO TOTAL Escurrimiento subsuperficial lento Escurrimiento de baseEscurrimiento directo Escurrimiento subsuperficial rápido PP TOTAL

El ciclo del escurrimiento INICIO DE LA LLUVIA

3. Factores que afectan el escurrimiento

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

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

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

Factores que afectan el escurrimiento Fisiográficos oDe la cuenca en sí Geométricos oTamaño oPendiente oForma oLongitud de la pendiente

Factores que afectan el escurrimiento Fisiográficos oDe la cuenca en sí Físicos oCondiciones de la superficie del suelo oUso del suelo oDrenaje interno oPermeabilidad

Factores que afectan el escurrimiento Fisiográficos oDe la red de drenaje Capacidad de carga oSección oPendiente oRugosidad

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 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 total176 mm/mes Precipitación directa156 mm/mes Precipitación fustal 13 mm/mes Intercepción 7 mm/mes (4%)

Efecto de la pendiente V f(h 0.5 ) > pendiente, > V, escurrimiento EC f(V 2 ) V*2 EC*4 Cant f(V 5 )V*2Cant*32 Tam f(V 6 )V*2Tam*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/ mm (p<1%) - Verano 70/ 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 km 2 ( 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 km 2 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

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 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

Criterios de diseño generalizado para estructuras de control de agua (Período de Retorno) 1. Presas con poca probabilidad de pérdida de vidas Volumen (m 3 * 10) Altura (m)P.R. (años) 1.1. Presa pequeña – – Presa mediana Presa grande E.L.V. 2. Alcantarillas5 – Drenaje agrícola5 – 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., 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).

TIEMPO DE CONCENTRACIÓN 1.Método de V. T. Chow Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente Condiciones de la superficiePendiente (%) – Flujo no concentrado Bosques Pasturas Cultivos Pavimentos Flujo concentrado Canales naturales mal definidos Canales naturales bien definidosCalcular por fórmulas Tc = D / V

2.1 Método de Ramser y Kirpich (para flujo concentrado) Tc = L 0.77 S 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 = *  (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

Cobertura del sueloK Bosques con espeso mantillo sobre el suelo3.953 Barbecho de hojarasca o cultivos de mínimo laboreo2.020 Pasturas1.414 Cultivos en línea recta1.111 Suelo prácticamente desnudo y sin arar1.000 Vías de agua empastadas0.666 Área impermeable0.500 Coeficiente K del método del SCS

V esc = m 3 Q máx = m 3 /s Tc = horas Volumen total de escorrentía Caudal pico de escorrentía

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 superficiePeríodo de retorno (años) Area de cultivos Plano, 0-2% Promedio, 2-7% Pendiente, superior a 7% Pastizales Plano, 0-2% Promedio, 2-7% Pendiente, superior a 7% Bosques Plano, 0-2% Promedio, 2-7% Pendiente, superior a 7%

Tiempo de concentración Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente Condiciones de la superficiePendiente (%) – Flujo no concentrado Bosques Pasturas Cultivos Pavimentos Flujo concentrado Canales naturales mal definidos Canales naturales bien definidosCalcular por fórmulas 900 m / 0.86 ms -1 = 1046 s = 17 min 44 s = 0.29 h

Intensidad máxima de la lluvia 88 mm

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

Q = 0.42 * m/h * m 2 / 3600 Qmáx = 7.23 m 3 /s = 7230 l/s Vol total = 4810 * 7.23 * 0.29 = m 3

Método del S.C.S.

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 cubiertaMétodo o tratamientoCondición hidrológica Grupo hidrológico de suelo ABCD Barbecho Surco recto________ Cultivo en surcos Surco rectoDeficiente Surco rectoBuena Cultivo en contornoDeficiente Cultivo en contornoBuena TerrazaDeficiente TerrazaBuena Grano pequeño Surco rectoDeficiente Surco rectoBuena Cultivo en contornoDeficiente Cultivo en contornoBuena TerrazaDeficiente TerrazaBuena Leguminosas sembradas al voleo o pradera de rotación Surco rectoDeficiente Surco rectoBuena Cultivo en contornoDeficiente Cultivo en contornoBuena TerrazaDeficiente TerrazaBuena

Uso del suelo o cubiertaMétodo o tratamiento Condición hidrológica Grupo hidrológico de suelo ABCD Pastizal o terreno de pastoreo Deficiente Regular Buena Cultivo en contornoDeficiente Cultivo en contornoRegular Cultivo en contornoBuena Pradera (permanente)Buena Forestal (terrenos agrícolas con árboles) Deficiente Regular Buena Granjas Carreteras y derecho de vía (superficie dura)

Definición de los grupos de suelo

1. Volumen de escorrentía S =(25400 / NC) -254 P (Tc 12/7) = precipitación con d = Tc x 12/7 (mm) V esc = Volumen escurrido (m 3 ) Ac = Área de la cuenca (há) NC = Número de curva S = Retención máxima (mm) 2. Caudal máximo q max = caudal unitario específico (m 3 /s/mm/ha) Q max = Caudal máximo (m 3 /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) = 0.88CD (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 = m 3 ( *89) Qmax = * ( – (0.2*89/73)2 = m 3 /s/mm/há (0.8 * 89 / 73) Qmax = * 0.343/1.3 *73 * 500/100 = m 3 /s

4. Predicción del escurrimiento 4.2. Rendimiento de agua

Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual

T i = 0si P i  P oi  i = H Max – H i-1 + ETP H Max = CAD * AD P oi = CPo (H Max – H i-1 ) H i = MAX ( 0; H i-1 + P i – T i – ETP i ) ETR i = min(ETP i ; H i-1 +P i – T i, ) A sup i = T i – I i escurrimiento superficial A subi = V i-1 - V i + I i aporte subterráneo A Ti = A sup i + A sub i escorrentia Total Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual infiltración al almacenamiento subterráneo

Calibración del modelo en Uruguay(12 cuencas): CAD: CP 0 = 0.30  = I MAX = 386 ETP Penman = 1.38* ETP Thornthwaite

Isolíneas de evapotranspiración media anual (ETP m, mm/mes) y ciclo anual medio de evapotranspiración (ETP i /ETP m ). Coeficiente de distribución del ciclo anual EneFebMarAbrMayJunJulAgoSepOctNovDic