El proceso del escurrimiento Mario García Petillo Unidad de Hidrología, GD Ingeniería Agrícola, Departamento de Suelos y Aguas FACULTAD.

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

2 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

3 1. Introducción

4 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.

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

6 2. El proceso del escurrimiento

7 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

8 El ciclo del escurrimiento INICIO DE LA LLUVIA

9 3. Factores que afectan el escurrimiento

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

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

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

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

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

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

16 Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia

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18 Sub-regiones pluviométricas del Uruguay

19 Curvas Intensidad, Duración, Frecuencia (IDF)

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

23 IPA = 25

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

25 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%)

26 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

27 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%)

28 Efecto del laboreo

29 Efecto del laboreo INIA La Estanzuela – promedio de 9 años

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

32 Relación de volúmenes específicos escurridos

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

34 Tendencias de Coeficientes de escorrentía anual

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

38 Cuenca Es toda superficie del terreno limitada por divisorias de agua

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40 Cuenca chica Menos de 1000 km 2 (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

41 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

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44 4. Predicción del escurrimiento 4.1. Caudal pico de escurrimiento

45 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

46 Método Racional (C.E.Ramser, 1927)

47 Conceptos básicos Supuestos en que se basa

48 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

49 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 pequeña60 - 1.2507.60 – 12.2050 – 100 1.2. Presa mediana1.250 - 61. 65012.20 - 30.50100 - + 1.3. Presa grande61.650 - +30.50 - +E.L.V. 2. Alcantarillas5 – 10 3. Drenaje agrícola5 – 50 Fuente: adaptados de Chow, V.T., Hidrología Aplicada

50 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.

51 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).

52 TIEMPO DE CONCENTRACIÓN 1.Método de V. T. Chow Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente Condiciones de la superficiePendiente (%) 0 - 34 - 78 –1112 - + Flujo no concentrado Bosques0 - 0.460.46 - 0.760.76 - 0.990.99 - + Pasturas0 - 0.760.76 - 1.071.07 - 1.301.30 - + Cultivos0 - 0.910.91 - 1.371.37 - 1.671.67 - + Pavimentos0 - 2.592.59 - 4.114.11 - 5.185.18 - + Flujo concentrado Canales naturales mal definidos0 - 0.610.61 - 1.221.22 - 2.132.13 - + Canales naturales bien definidosCalcular por fórmulas Tc = D / V

53 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

54 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

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

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

57 Coeficiente C de escurrimiento Características de la superficiePeríodo de retorno (años) 25102550100500 Area de cultivos Plano, 0-2%0.310.340.360.400.430.470.57 Promedio, 2-7%0.350.380.410.440.480.510.60 Pendiente, superior a 7%0.390.420.440.480.510.540.61 Pastizales Plano, 0-2%0.250.280.300.340.370.410.53 Promedio, 2-7%0.330.360.380.420.450.490.58 Pendiente, superior a 7%0.370.40 0.460.490.530.60 Bosques Plano, 0-2%0.220.250.280.310.350.390.48 Promedio, 2-7%0.310.340.360.400.430.470.56 Pendiente, superior a 7%0.350.390.410.450.480.520.58

58 Tiempo de concentración Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente Condiciones de la superficiePendiente (%) 0 - 34 - 78 –1112 - + Flujo no concentrado Bosques0 - 0.460.46 - 0.760.76 - 0.990.99 - + Pasturas0 - 0.760.76 - 1.071.07 - 1.301.30 - + Cultivos0 - 0.910.91 - 1.371.37 - 1.671.67 - + Pavimentos0 - 2.592.59 - 4.114.11 - 5.185.18 - + Flujo concentrado Canales naturales mal definidos0 - 0.610.61 - 1.221.22 - 2.132.13 - + Canales naturales bien definidosCalcular por fórmulas 900 m / 0.86 ms -1 = 1046 s = 17 min 44 s = 0.29 h

59 Intensidad máxima de la lluvia 88 mm

60 25 1.18

61 0.29 0.35

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

63 Q = 0.42 * 0.124 m/h * 500.000 m 2 / 3600 Qmáx = 7.23 m 3 /s = 7230 l/s Vol total = 4810 * 7.23 * 0.29 = 10.085 m 3

64 Método del S.C.S.

65 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________77869194 Cultivo en surcos Surco rectoDeficiente72818891 Surco rectoBuena67788589 Cultivo en contornoDeficiente70798488 Cultivo en contornoBuena65758286 TerrazaDeficiente66748082 TerrazaBuena62717881 Grano pequeño Surco rectoDeficiente65768488 Surco rectoBuena63758387 Cultivo en contornoDeficiente63748285 Cultivo en contornoBuena61738184 TerrazaDeficiente61727982 TerrazaBuena59707881 Leguminosas sembradas al voleo o pradera de rotación Surco rectoDeficiente66778589 Surco rectoBuena58728185 Cultivo en contornoDeficiente64758385 Cultivo en contornoBuena55697883 TerrazaDeficiente63738083 TerrazaBuena51677680

66 Uso del suelo o cubiertaMétodo o tratamiento Condición hidrológica Grupo hidrológico de suelo ABCD Pastizal o terreno de pastoreo Deficiente68798689 Regular49697984 Buena39617480 Cultivo en contornoDeficiente47678188 Cultivo en contornoRegular25597583 Cultivo en contornoBuena6357079 Pradera (permanente)Buena30587178 Forestal (terrenos agrícolas con árboles) Deficiente45667783 Regular36607379 Buena25557077 Granjas59748286 Carreteras y derecho de vía (superficie dura) 74849092

67 Definición de los grupos de suelo

68 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)

69 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 = 172200 m 3 (93 + 0.8*89) Qmax = 0.786 * ( 1.223 – (0.2*89/73)2 = 0.343 m 3 /s/mm/há 1.223 + (0.8 * 89 / 73) Qmax = 0.310 * 0.343/1.3 *73 * 500/100 = 29.85 m 3 /s

70 4. Predicción del escurrimiento 4.2. Rendimiento de agua

71 Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual

72 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

73 Calibración del modelo en Uruguay(12 cuencas): CAD: 0.916 CP 0 = 0.30  = 2.325 I MAX = 386 ETP Penman = 1.38* ETP Thornthwaite

74 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 1.881.561.370.880.580.360.370.470.610.941.251.72

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