Curso de Hidrología La Cuenca Hidrológica Por: Sergio Velásquez Mazariegos svelasqu@catie.ac.cr Enero de 2011

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 morfográficas 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. Funciones de las Cuencas Función Hidrológica Captación de agua de las diferentes fuentes de precipitación para formar el escurrimiento de manantiales, ríos y arroyos. Almacenamiento del agua en sus diferentes formas y tiempos de duración. Descarga del agua como escurrimiento. Función Hidrológica Captación de agua de las diferentes fuentes de precipitación para formar el escurrimiento de manantiales, ríos y arroyos. Almacenamiento del agua en sus diferentes formas y tiempos de duración. Descarga del agua como escurrimiento.

Capítulo 2. Funciones de las Cuencas Función Ecológica Provee diversidad de sitios y rutas a lo largo de la cual se llevan a cabo interacciones entre las características de calidad física y química del agua. Provee de hábitat para la flora y fauna que constituyen los elementos biológicos del ecosistema y tienen interacciones entre las características físicas y biológicas del agua Función Ecológica Provee diversidad de sitios y rutas a lo largo de la cual se llevan a cabo interacciones entre las características de calidad física y química del agua. Provee de hábitat para la flora y fauna que constituyen los elementos biológicos del ecosistema y tienen interacciones entre las características físicas y biológicas del agua  

Capítulo 2. Funciones de las Cuencas Función Ambiental  Constituyen sumideros de CO2. Alberga bancos de germoplasma. Regula la recarga hídrica y los ciclos biogeoquímicos. Conserva la biodiversidad. Mantiene la integridad y la diversidad de los suelos Función Ambiental   Constituyen sumideros de CO2. Alberga bancos de germoplasma. Regula la recarga hídrica y los ciclos biogeoquímicos. Conserva la biodiversidad. Mantiene la integridad y la diversidad de los suelos

Capítulo 2. Funciones de las Cuencas Función Socioeconómica Suministra recursos naturales para el desarrollo de actividades productivas que dan sustento a la población. Provee de un espacio para el desarrollo social y cultural de la sociedad. Función Socioeconómica Suministra recursos naturales para el desarrollo de actividades productivas que dan sustento a la población. Provee de un espacio para el desarrollo social y cultural de la sociedad.

Capítulo 2. Servicios Ambientales del Flujo Hidrológico Usos directos: agricultura, industria, agua potable, etc) Dilución de contaminantes Generación de electricidad Regulación de flujos y control de inundaciones Transporte de sedimentos Recarga de acuíferos Dispersión de semillas y larvas de la biota.

Capítulo 2. Implicaciones ecológicas de la cuenca Distribuidor de insumos primarios (nutrientes, materia orgánica, sedimentos) Modela el relieve e influye en la formación y distribución de los suelos en las laderas Influye en la distribución de la vegetación y del uso de la tierra. Integra procesos y patrones de los ecosistemas, en donde las plantas y los animales ocupan una diversidad de hábitat generado por variaciones de tipos de suelo, geomorfología y clima en un gradiente altitudinal. Constituye una unidad espacial ecogeográfica Se pueden analizar los procesos ambientales generados como consecuencia de las decisiones en materia de uso y manejo de los recursos agua, suelos y vegetación Marco apropiado para la planificación y de corrección de impactos sobre los RRNN Al interior de la cuenca, el agua funciona como distribuidor de insumos primarios (nutrientes, materia orgánica, sedimentos) producidos por la actividad sistémica de los recursos. Este proceso modela el relieve e influye en la formación y distribución de los suelos en las laderas, y por ende en la distribución de la vegetación y del uso de la tierra. La utilización del agua entra con frecuencia en conflicto con la conservación del medio ambiente y la biodiversidad. Dada la extraordinaria riqueza de recursos bióticos e hídricos de la cuenca y la degradación a la que están siendo sometidos, el análisis de la relación entre la gestión de los recursos hídricos y la del medio ambiente constituye una prioridad para esta Dirección. La cuenca integra procesos y patrones de los ecosistemas, en donde las plantas y los animales ocupan una diversidad de hábitat generado por variaciones de tipos de suelo, geomorfología y clima en un gradiente altitudinal. La cuenca constituye una unidad espacial ecogeográfica relevante para analizar los procesos ambientales generados como consecuencia de las decisiones en materia de uso y manejo de los recursos agua, suelos y vegetación. Por lo tanto, constituye un marco apropiado para la planificación de medidas destinadas a corregir impactos ambientales producto del uso y manejo de los recursos naturales.

Capítulo 2. La Cuenca como Unidad de Planificación, Manejo y Gestión ¿Por qué la Cuenca? Es un sistema Compuesto por subsistemas que interactúan unos con otros en tiempo y espacio (alta, media y baja) Es una unidad hidrológica que permite un mejor análisis de causa-efecto Unidad de intervención es la finca La cuenca hidrográfica concebida como un sistema está conformada por las interrelaciones dinámicas en el tiempo y en el espacio de los subsistemas social, económico, político, institucional, cultural, legal, físico y biológico. La visión de la cuenca como sistema supone el reconocimiento de la interacción entre la parte alta, media y baja de la cuenca, el análisis integral de las causas, efectos y solución de los problemas.

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). La primera práctica de este curso será la delimitación manual y automatizada de la cuenca y el cálculo de las características físicas de ella.

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 Orientación 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

TIN y Modelo de Elevación Digital Convertir a GRID

Delimitación de cuencas Quemado o Marcado de Ríos Conversión de Ríos a Grid Atributo de rios=100 No data

Delimitación de cuencas Quemado o Marcado de Ríos Reclasificación de ríos Atributo de rios=100 Atributo fuera de ríos=0

Delimitación de cuencas Quemado o Marcado de Ríos Resta con el Map Calculator Ríos 100 m más profundos

Delimitación de cuencas Llenado de depresiones locales Mínimos locales Fill Sinks Parteaguas

Delimitación de cuencas Dirección de Flujo 32 64 128 16 X 1 8 4 2 La dirección de flujo de una celda está definida por la dirección del mayor gradiente de elevación

Delimitación de cuencas Dirección de Flujo

Delimitación de cuencas Acumulación de Flujo

Delimitación de cuencas Acumulación de Flujo

Delimitación de cuencas Dirección y Acumulación de Flujo

Delimitación de cuencas Trazado automático

Orientación de la cuenca El número de horas que está soleada la cuenca. Este es un elemento bastante importante en la medida que aumenta la latitud de la cuenca. Puede ser el factor principal en el cálculo de la evaporación y la evapotranspiración. Las horas en las que incide el sol sobre la ladera de la cuenca. La dirección de los vientos dominantes La dirección del movimiento de los frentes de lluvia Los flujos de humedad

Superficie o área Método gravimétrico (balanza analítica)

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.

Superficie o área Planímetro Planimetrar un área conocida y aplicar regla de tres Promediar tres mediciones con sus lecturas Trazado en el sentido de las agujas del reloj

Perímetro Cuerda o mecate Escala 1:50,000 o sea 1 cm=500 m. 4.3 cm P= 4.3 cm x 500 m = 2,150 m

Perímetro Curvímetro

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 Nosotros lo vamos a calcular por medios computarizados

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.

Curva hipsométrica

Curva hipsométrica

Relación hipsométrica Donde: Rh: Relación hipsométrica Ss: Area por encima de la curva hipsométrica Si: Area por debajo de la curva hipsométrica

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.

Índice de Compacidad o Gravelious El índice de compacidad de una cuenca, definida por Gravelious, expresa la relación entre el perímetro de la cuenca, y el perímetro equivalente de una circunferencia Si K área igual de círculo un de perímetro cuenca la de perímetro K== 1, la cuenca será de forma circular; por lo general, para cuencas alargadas se espera que K > 1. Las cuencas de forma alargada, reducen las probabilidades, de que sean cubiertas en su totalidad por una tormenta, lo que afecta el tipo de respuesta que se presenta en el río.

Índice de Compacidad o Gravelious Cuando K=1 entonces la cuenca es circular. Para K>1 la cuenca tiende a ser alargada y por lo tanto aplica el mismo criterio que para el índice de forma. Si K área igual de círculo un de perímetro cuenca la de perímetro K== 1, la cuenca será de forma circular; por lo general, para cuencas alargadas se espera que K > 1. Las cuencas de forma alargada, reducen las probabilidades, de que sean cubiertas en su totalidad por una tormenta, lo que afecta el tipo de respuesta que se presenta en el río.

Rectángulo equivalente Transformación geométrica, que permite representar a la cuenca, de su forma heterogénea, con la forma de un rectángulo que tiene: la misma área y perímetro (y por lo tanto el mismo índice de compacidad ó índice de Gravelious) igual distribución de alturas (y por lo tanto igual curva hipsométrica) igual distribución de terreno, en cuanto a sus condiciones de cobertura. Las curvas de nivel se convierten en rectas paralelas al lado menor, siendo estos lados, la primera y última curvas de nivel. El rectángulo equivalente es una transformación geométrica, que permite representar a la cuenca, de su forma heterogénea, con la forma de un rectángulo, que tiene la misma área y perímetro (y por lo tanto el mismo índice de compacidad ó índice de Gravelious), igual distribución de alturas (y por lo tanto igual curva hipsométrica), e igual distribución de terreno, en cuanto a sus condiciones de cobertura. En este rectángulo, las curvas de nivel se convierten en rectas paralelas al lado menor, siendo estos lados, la primera y última curvas de nivel.

Rectángulo equivalente

Rectángulo equivalente Calculo de K, L y l: Se toma el signo + para L Se toma el signo – para l

Rectángulo equivalente Calculo de los segmentos del lado mayor Li A1=6.13/10.9034=0.56

Indice de Pendiente Es una ponderación que se establece entre las pendientes y el tramo recorrido por el río

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,

Criterio del rectángulo equivalente Con este criterio, para hallar la pendiente de la cuenca, se toma la pendiente media del rectángulo equivalente, es decir:

Perfil longitudinal de un cauce Si se plotea la proyección horizontal de la longitud de un cauce versus su altitud, se obtiene el perfil longitudinal del curso de agua. Perfil longitudinal del curso de agua Si se plotea la proyección horizontal de la longitud de un cauce versus su altitud. se obtiene el perfil longitudinal del curso de agua.

Perfil longitudinal de un cauce Importancia: Proporciona una idea de las pendientes que tiene el cauce, en diferentes tramos de su recorrido, Factor de importancia para Control de torrentes Determinar puntos de captación Ubicación de posibles centrales hidroeléctricas. La importancia de conocer el perfil longitudinal del curso principal, radica en que nos proporciona una idea de las pendientes que tiene el cauce, en diferentes tramos de su recorrido, y que es un factor de importancia para ciertos trabajos, como control de las aguas, puntos de captación y ubicación de posibles centrales hidroeléctricas.

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

Compensación de áreas Elegir la pendiente de una línea que se apoya en el extremo final del tramo por estudiar, y que tiene la propiedad de contener la misma área (abajo y arriba), respecto al perfil del cauce.

Ecuación de Taylor y Schwarz Considera que un río está formado por n tramos de igual longitud, cada uno de ellos con pendiente uniforme. Tiene una mejor aproximación, cuanto más grande sea el número de tramos, en los cuales se subdivide el perfil longitudinal del río a analizar. Tramos de diferente longitud

Red de Drenaje Trayectorias o arreglo que guardan entre sí, los cauces de las corrientes naturales dentro de ella Manifiesta la eficiencia del sistema de drenaje en el escurrimiento (rapidez con que desaloja la cantidad de agua que recibe). Proporciona indicios de las condiciones del suelo y de la superficie de la cuenca. 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:

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

Densidad de drenaje La densidad de drenaje es un indicador de la respuesta de la cuenca ante un aguacero, y, por tanto, condiciona la forma del hidrograma resultante en el desagüe de la cuenca. A mayor densidad de drenaje, más dominante es el flujo en el cauce frente al flujo en ladera, lo que se traduce en un menor tiempo de respuesta de la cuenca y, por tanto, un menor tiempo al pico del hidrograma.

Cuencas hipotéticas a y b: Igual Dd pero diferente Dc Contraste entre Densidad de las corrientes (Dc) y Densidad de drenaje (Dd) Cuencas hipotéticas a y b: Igual Dd pero diferente Dc Cuencas hipotéticas c y d: Igual Dc pero diferente Dd

Constante de estabilidad del río Es el inverso de la Densidad de Drenaje A: Area de la cuenca Lt: Longitud total de las corrientes perennes Representa, físicamente, la superficie de cuenca necesaria para mantener condiciones hidrológicas estables en una unidad de longitud de canal. Puede considerarse, por tanto, como una medida de la erodabilidad de la cuenca. Así, regiones con suelo rocoso muy resistente, o con suelos altamente permeables que implican una elevada capacidad de infiltración, o regiones con densa cobertura vegetal, tienen valores altos de la constante de estabilidad y bajos de densidad de drenaje. Por el contrario, una baja constante de estabilidad, o una elevada densidad de drenaje, es característica de cuencas con rocas débiles, escasa o nula vegetación y baja capacidad de infiltración del suelo.