Unidad temática 4. Escorrentía superficial

Contenido Unidad Temática 4. Escorrentía superficial 4.1 Generalidades 4.2 Escorrentía superficial-Producción 4.3 Escorrentía superficial-Propagación 4.2 Escorrentía-Producción

4.2 Escorrentía superficial-Producción

Índice Escorrentía superficial Red hidrométrica y estaciones de aforo Abstracciones iniciales Infiltración Mecanismos de producción de escorrentía directa Modelos de producción de escorrentía superficial Tiempo de encharcamiento 4.2 Escorrentía-Producción

Escorrentía superficial. Elementos del hidrograma observado (i) Escorrentía superficial (origen en la ladera) Escorrentía directa ED (superficie): [L-3 T] Respuesta rápida Flujo lámina libre Interflujo FS (suelo): Respuesta intermedia Flujo saturado Flujo base FB (acuífero): Respuesta lenta E = ED + FS 4.2 Escorrentía-Producción

Escorrentía superficial. Elementos del hidrograma observado (ii) Escorrentía superficial => crecida en el río Lluvia neta: parte de la lluvia que genera E 4.2 Escorrentía-Producción

Escorrentía superficial. Determinación de E Procesos hidrológicos: Abstracciones iniciales (A) Intercepción en cubierta vegetal Almacenamiento de depresión Infiltración (F): flujo de agua que atraviesa la superficie del terreno 4.2 Escorrentía-Producción

Escorrentía superficial. Importancia de las abstracciones (i) La lluvia que no es abstraída inicialmente y tampoco se infiltra se convierte en Escorrentía Directa (crecidas) ED = P – A – F 4.2 Escorrentía-Producción

Escorrentía superficial. Importancia de las abstracciones (ii) La que infiltra en el suelo está disponible para: FS + R + T = F Si humedad por debajo de capacidad de campo: Transpiración (recursos) Si saturación: Interflujo (crecidas) Percolación y recarga (recursos) 4.2 Escorrentía-Producción

Índice Escorrentía superficial Red hidrométrica y estaciones de aforo Abstracciones iniciales Infiltración Mecanismos de producción de escorrentía directa Modelos de producción de escorrentía superficial Tiempo de encharcamiento 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo (i) Sección de control (vertederos) donde Q = Caudal (m3/s) B = Ancho del cauce (m) H = Altura lámina de agua sobre el vertedero (m) 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo (ii) Método sección-pendiente (topográficos) Topografía Nivel del río durante la crecida Según Manning la velocidad es donde Por continuidad v velocidad del flujo [m/s] n coeficiente de rugosidad de Manning R radio hidráulico (topografía) S pendiente línea de energía (nivel) Q caudal [m3/s] v velocidad del flujo [m/s] A área sección de control [m2] S pendiente línea de energía (nivel) 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo (iii) Método sección-pendiente (topográficos) Por Bernoulli 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo (iii) Método sección-pendiente (topográficos) Combinando las tres ecuaciones donde Q caudal [m3/s] Dy diferencia de elevación entre las marcas de las secciones control (m). (z1+y1)-(z2+y2) L distancia entre secciones de control kd coeficiente de conducción medio del tramo . (kd= (kd1kd2)0,5; kd=AiRi2/3/ni) b coeficiente de expansión y/o contracción del tramo b=2 para contracción y b=4 para expansión g aceleración de la gravedad (m/s2). A área de la sección control "i". 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo (iv) Método sección-velocidad Medición de velocidad en diferentes puntos de una sección transversal Cálculo de Q por ec. de continuidad 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo (v) Método sección-altura (curva de gasto) Relaciona nivel del agua en la sección con el caudal circulante donde Q caudal [m3/s] H nivel del agua en el río [m] a, n y C coeficientes a determinar 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo (vi) Limnímetro Limnígrafo Peso suspendido de un cable 4.2 Escorrentía-Producción

Red hidrométrica y estaciones de aforo. Bibliografía recomedada Aparicio M., F. J. 2001. Fundamentos de hidrología de superficie. Limusa-Noriega. 10ª edición. México. 303 pp. Chow, V. T. Maidment, D. y Mays, L. W. 1994. Hidrológica Aplicada. McGraw-Hill, 1ª edición. Bogotá. 299 pp. Linsley, R. K., Kohler, M. A. y Paulus, J. L. H. 1977. Hidrología para ingenieros. McGraw-Hill Latinoamericana S. A. 2ª edición. Bogotá. 385 pp. 4.2 Escorrentía-Producción

Índice Escorrentía superficial Red hidrométrica y estaciones de aforo Abstracciones iniciales Infiltración Mecanismos de producción de escorrentía directa Mecanismos de producción de escorrentía superficial Tiempo de encharcamiento 4.2 Escorrentía-Producción

Abstracciones iniciales (i) Procesos que impiden el escurrimiento instantáneo en superficie de parte del agua precipitada al inicio de la tormenta: Intercepción en cubierta vegetal Función de la densidad de vegetación Finalmente se evapora Almacenamiento de depresión Función de la pendiente y microtopografía Finalmente parte se evapora y parte se infiltra 4.2 Escorrentía-Producción

Abstracciones iniciales (ii) Horton: Sa = vol. total abstraído Sp = capacidad límite abstracción inicial (5 – 50 mm): tabulado P = precipitación acumulada = parámetro calibración Tanque de primer llenado 4.2 Escorrentía-Producción

Abstracciones iniciales. Importancia En estudios de crecidas con tormenta de diseño Sa ~ 0 por la lluvia antecedente En climas húmedos, puede suponer la mitad de la precipitación => muy importante en recursos 4.2 Escorrentía-Producción

Índice Escorrentía superficial Red hidrométrica y estaciones de aforo Abstracciones iniciales Infiltración Mecanismos de producción de escorrentía directa Modelos de producción de escorrentía superficial Tiempo de encharcamiento 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Aspectos generales Infiltración realmente producida: Velocidad o tasa de infiltración f(t) [L T-1] o [L3 L-2 T-1] => [mm/h] Infiltración acumulada, F(t)  integral de la tasa de infiltración [L] Capacidad de infiltración del suelo, fp(t)  tasa potencial de infiltración [L T-1] o [L3 L-2 T-1] => [mm/h] 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Movimiento en la zona no saturada Movimiento del agua en la zona no saturada del suelo producido por: Acción de la gravedad (flujo gravitacional) Acción de la capilaridad (flujo difusivo) hacia zonas de menor humedad Facilidad al movimiento: permeabilidad no saturada Depende de la humedad Flujo difusivo depende del contenido de humedad: Mayor cuanto mayor sea el gradiente de humedad En un suelo saturado sólo gravedad => permeabilidad saturada 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Evolución de la capacidad de infiltración (i) Instante inicial de la lluvia, si se parte de un suelo no saturado: Gradiente humedad en superficie =  Difusividad =  Suelo admite toda la precipitación (fp= ) que rellena saturando los poros de la superficie φ θ t0 z 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Evolución de la capacidad de infiltración (ii) Primeros momentos de la tormenta: Se satura la parte más cercana a la superficie Aparece un frente mojante El gradiente humedad es muy alto (poca profundidad saturada) Difusividad muy alta Capacidad de infiltración muy alta φ θ t0 Frente mojante t1 La capacidad de infiltración inicial depende de la humedad inicial del suelo z 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Evolución de la capacidad de infiltración (iii) Conforme pasa el tiempo: Desciende el frente mojante, en función de la tasa real de infiltración Disminuye el gradiente de humedad Disminuye la difusividad Disminuye la capacidad de infiltración φ θ t0 t1 t2 Frente mojante t3 z 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Evolución de la capacidad de infiltración (iv) A largo plazo: Predomina la acción de la gravedad gradiente piezométrico  1 Por Darcy: fp  conductividad hidráulica saturada KS φ θ t0 t1 t2 t3 t4 Frente mojante t5 z 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Evolución de la capacidad de infiltración (v) Después de la tormenta hay una redistribución de la humedad: Percolación por frentes mojantes parciales que descienden por la gravedad y que disminuyen su humedad por la difusión Tendiendo al perfil de equilibrio (curva de retención) φ θ t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 z 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. Frente mojante real 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. El fenómeno físico: resultado (i) Primero: abstracciones iniciales Si i(t) fp(t)  f(t) i(t)  ed(t)= 0 Si i(t) fp(t)  f(t) fp(t)  ed(t)= i(t) - fp(t) i(t) fp(t) ed(t) f(t) f(t) Sa t 4.2 Escorrentía-Producción

Infiltración. El fenómeno físico: resultado (ii) Balance global (despreciando ET): P  ED  F  Sa fp(t) ED F Sa t 4.2 Escorrentía-Producción

Índice Escorrentía superficial Red hidrométrica y estaciones de aforo Abstracciones iniciales Infiltración Mecanismos de producción de escorrentía directa Modelos de producción de escorrentía superficial Tiempo de encharcamiento 4.2 Escorrentía-Producción

Mecanismos de producción ED. Escorrentía directa de Horton Capacidad de infiltración depende de las características del suelo en todo momento => fp() = KS Escorrentía de laderas pura o Hortoniana 4.2 Escorrentía-Producción

Mecanismos de producción ED. Escorrentía directa de Dunne Escorrentía directa generada por saturación del suelo => Colapso de la fp en parte o toda la ladera Tipos de saturación: Interflujo proveniente de aguas arriba Agua infiltrada por precipitación Escorrentía por exceso de saturación o de Dunne 4.2 Escorrentía-Producción

Mecanismos de producción ED. Ocurrencia Mecanismo hortoniano: Lluvias torrenciales Áreas urbanas Cuencas naturales áridas y semiáridas Mecanismo de Dunne: Climas húmedos y alta densidad de vegetación Suelos estrechos mal drenados Pie de montes, depresiones, riberas Realidad compleja! 4.2 Escorrentía-Producción

Mecanismos de producción ED. Principales factores incidentes en fp Características hidráulicas del suelo Conductividad hidráulica vertical Contenido y distribución de macroporosidad Condiciones de drenaje profundas Mecanismo de saturación Humedad antecedente Estado de la superficie Pendiente Compacidad Vegetación Disminuye la velocidad de la escorrentía en superficie Protege de la compactación Sistema radicular aumenta la permeabilidad del suelo 4.2 Escorrentía-Producción

Índice Escorrentía superficial Red hidrométrica y estaciones de aforo Abstracciones iniciales Infiltración Mecanismos de producción de escorrentía directa Modelos de producción de escorrentía superficial Tiempo de encharcamiento 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Modelo de Green y Ampt φ ho θ Modelo físico simplificado (1911) Hipótesis Perfil simplificado en Un frente mojante indeformable (pistón) y una zona de transmisión saturada Existencia de una succión capilar en el frente mojante: Ψi= Ψ(θi) θ FRENTE MOJANTE -L Perfil real -z 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Modelo de Green y Ampt Continuidad:  agua almacenada en t por udad. superficie Darcy: flujo en zona de transmisión θi φ ho θ θ FRENTE MOJANTE -L Perfil real Integrando con F(0)0 -z 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Modelo de Green y Ampt Reproduce el decaimiento del flujo difusivo y la tendencia de fp a conduc. hidráulica saturada: Estimación de 4 parámetros: Humedad inicial y porosidad del suelo Conductividad hidráulica Succión capilar del frente Normalmente ho se desprecia Ventaja: tiene en cuenta el estado de humedad inicial Desventaja: sólo ED Comentar t=0 y t= infinito 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Ecuación de Horton (1940) Modelo empírico de capacidad de infiltración: fo t capacidad de infiltración, fp fc Buenos resultados, aunque: Infiltración depende del tiempo No incluye humedad antecedente Estimación parámetros dificultosa Sólo ED Comentar t=0 y t= infinito 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Método del SCS (1972) Modelo empírico de producción de escorrentía superficial (E= ED + FS) Hipótesis conceptuales: Umbral por debajo del cual la precipitación no produce E Rebasado el umbral: Ojo: variables P y E son acumuladas 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Método del SCS (1972) Comentar t=0 y t= infinito 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Método del SCS: Parámetro Un solo parámetro en la práctica: En España, UMBRAL DE ESCORRENTÍA: Po  [0,[ (mm) Parámetro original, NÚMERO DE CURVA: CN  [0,100] (adimensional) Relación: Función de: Características lito-edafológicas Características de la cubierta del suelo Pendiente del terreno Estado de humedad antecedente Tabulado Condiciones medias 4.2 Escorrentía-Producción

Modelos de producción de E. Método del SCS Ventajas: Un solo parámetro (posibilidad de 2) Tablas para su estimación muy experimentadas Producción depende de precipitación, no del tiempo Buena adaptación a las curvas de precipitación-escorrentía observadas Desventaja: Malo en simulación, por no explicitar la dependencia con el estado de humedad inicial => Utilización en diseño hidrológico 4.2 Escorrentía-Producción

Índice Escorrentía superficial Red hidrométrica y estaciones de aforo Abstracciones iniciales Infiltración Mecanismos de producción de escorrentía directa Mecanismos de producción de escorrentía superficial Tiempo de encharcamiento 4.2 Escorrentía-Producción

Tiempo de encharcamiento Hipótesis de Mein y Larson (1973) f,i Infiltración real F, P Infiltración potencial Hietograma Infiltración acumulada Pluviograma t te ite i Definición te: tiempo transcurrido desde inicio aguacero hasta inicio escorrentía directa Simplificaciones de M. y L.: Lluvia de duración indefinida e intensidad cte Antes de te toda la lluvia se infiltra (sin abstracciones iniciales) En t = te f(te) = fp(te) = i F(te) = i· te 4.2 Escorrentía-Producción

Tiempo de encharcamiento. Estimación para el modelo de Green y Ampt Capacidad de infiltración: Si en t = te f(te) = fp(te) = i F(te) = i· te Además: ho0 Entonces 4.2 Escorrentía-Producción

Tiempo de encharcamiento. Estimación para el modelo de Horton Asumiendo hipótesis de Mein y Larson: fo t te fc i fp 4.2 Escorrentía-Producción

Tiempo de encharcamiento. Estimación para el modelo del SCS Asumiendo hipótesis de Mein y Larson: 4.2 Escorrentía-Producción