Hidrología. Ciencia que estudia las propiedades, distribución y circulación del agua. Semana 7. - Temas, Contenido y Asignación del Trabajo Final

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1 Hidrología Ciencia que estudia las propiedades, distribución y circulación del agua Semana 7 - Temas, Contenido y Asignación del Trabajo Final - Escorrentía - Hidrograma, Hietograma. - Relación lluvia- escorrentía Trabajo Final Temario: 1- Calentamiento Global: Efecto Invernadero y Cambio Climático (ENSO). 2- Humedales: Importancia, Problemática y Conservación/Restauración. 3- Erosión de los Suelos (Enfoque Hidrológico). 4- Sedimentación en Embalses/Medición. 5- Hidrogeología: Acuíferos y Recarga/Acuíferos trasfronterizos. 6- Hidrogeología: Intrusión Salina. 7- Sistemas de Información Geográfica en la Hidrología. 8- Gestión Integrada/Integral de Recursos Hídricos. 1

2 Trabajo Final Contenido: 1- Título: Tema, Fecha (mes/año), Autores. 2- Resumen (Abstract). 3- introducción: Descripción + Objetivos. 4- Antecedentes: Trabajos o investigaciones previas. 5- Desarrollo (caso de estudio si desea). 6- Conclusiones. 7- Recomendaciones. 8- Bibliografía (Fuentes). * Máximo de Páginas: 15 pág. * Formato IFAC (anexo). * Importante: citar los autores. Hidrograma de Caudal Caudal/Gasto: Cantidad de fluido por unidad de tiempo Hidrograma: Gráfica en la que se muestra la variación del caudal con respecto al tiempo. A- Punto de levantamiento: se verifica el aumento de caudal debido a la tormenta en estudio. B- Pico: gasto máximo producido por la tormenta (punto importante de diseño). C- Punto de inflexión: aproximadamente termina el flujo sobre el terreno, y persiste el flujo sub-superficial y subterráneo. D- Final del escurrimiento directo: El escurrimiento es sólo de origen subterráneo. Normalmente se toma como el punto de mayor curvatura de la curva de recesión. 2

3 Hidrograma de Caudal Tp- Tiempo pico: tiempo transcurrido desde el punto de levantamiento hasta el pico del hidrograma. Tb- Tiempo base: tiempo transcurrido desde el punto de levantamiento hasta el punto final del escurrimiento directo (tiempo de escurrimiento directo). Rama ascendente: parte del hidrograma que va desde el punto de levantamiento hasta el pico. Rama descendente o curva de recesión: parte que va desde el pico hasta el final del escurrimiento directo (curva de vaciado de la cuenca). Hietograma de Lluvia Gráfico que permite visualizar la cantidad de lluvia en el tiempo para un determinado evento. Intensidad de Lluvia: cantidad de lluvia caída por unidad de tiempo [mm/h] Hietograma de precipitación. Hietograma de intensidades. 3

4 Relación Lluvia Escorrentía Comúnmente no se cuenta con registros adecuados de del sitio de interés para fines de diseño. Los registros de precipitación son más abundantes que los de escurrimiento y no se afectan por cambios en la cuenca. Es conveniente/necesario contar con métodos para determinar el escurrimiento a partir de las características de la misma y la precipitación. Principales parámetros que intervienen en el proceso de conversión de lluvia a escurrimiento están: 1. Área de la cuenca. 2. Altura total de precipitación. 3. Características generales o promedio de la cuenca (forma, pendiente, vegetación, etc.) 4. Distribución de la lluvia en el tiempo. 5. Distribución de la lluvia y características de la cuenca en el espacio. Método Racional - Es el modelo más antiguo para relacionar la lluvia con el escurrimiento (1850..) - Toma en cuenta el área de la cuenca, y la altura o intensidad de precipitación. - Es el más utilizado para pequeñas cuencas (hasta 3km 2 ) y zonas de drenajes urbanos. Fundamentos del Método Racional - Se fundamenta en la hipótesis de que la duración de la lluvia es mayor o igual al tiempo de concentración. Tiempo de Concentración: Tiempo que transcurre entre el inicio de la lluvia y el establecimiento del gasto de equilibrio. L tc S tc = tiempo de concentración en horas L = Longitud de Cauce principal en metros S = Pendiente del cauce principal 4

5 Fórmula Racional Si sobre nuestra cuenca de estudia con área A tenemos una lluvia de intensidad I constante, definida por en toda su extensión, el caudal máximo que podrá entrar a esta será IA. En el caso de una cuenca impermeable, una vez se alcance el tiempo de concentración, el caudal de salida será Q=IA, llamado caudal de equilibrio ya que no es posible que siga aumentando. Debido a las pérdidas por interceptación, infiltración, almacenamiento, etc., se obtiene un caudal de salida menor, lo que hace necesario definir un coeficiente de escorrentía (0-1) relacionando el caudal de salida y el de entrada debido a las precipitaciones. V C V S e Qs. t Qs Q. t IA e Qs Qs CIA mm 2 CI A[ km ] 3 m h s 3.6 C coeficiente de escorrentía. I intensidad de la lluvia. A área de drenaje en estudio. Fórmula Racional Coeficiente de Escorrentía para el método racional: Efecto de las Propiedades de la Cuenca en el drenaje. Hidrograma de salida para dos cuencas de igual área. 5

6 Fórmula Racional Ejemplo: Se desea calcular la escorrentía esperada para una precipitación de 35 mm/hr para una cuenca de 2.5 km2, con 60% de zonas semiurbanas y 40% de zonas comercial. Utilizando el método racional: C coeficiente de escorrentía = (0.6*0.325)+(0.4*0.825) = = 0.53 I intensidad de la lluvia = 35 mm/hr A área de drenaje en estudio = 2.5 km 2 mm 2 3 CI A[ km ] m h 0.53*35* 2.5 Qs 12.88m3 / s s Día 2 - Relación Lluvia / Escorrentía - 6

7 Este método toma en cuenta el área de la cuenca e intensidad de la lluvia, pero además incorpora de forma explícita la forma, pendiente, y características fisiográficas de la cuenca en estudio. Definición: Es el hidrograma de escorrentía directa causado por una lluvia efectiva unitaria (1cm ó 1mm, por ej.), de intensidad constante a lo largo de la duración efectiva y distribuida uniformemente sobre el área de drenaje. Hipótesis: a) Tiempo base constante: para la cuenca estudiada, la duración total de escurrimiento o tiempo base es la misma para todas las tormentas con la misma duración de lluvia efectiva. b) Linealidad o proporcionalidad: las ordenadas de todos los hidrogramas de escurrimiento directo con el mismo tiempo base, son directamente proporcionales al vol. de escurrimiento directo (vol. de lluvia efectivo). c) Superposición de causas y efectos: el hidrograma que resulta de un periodo de lluvia dado puede superponerse a hidrogramas resultantes de periodos de lluviosos precedentes. 7

8 Para una cuenca de 1,080km 2 se conocen los valores del hidrograma de escurrimiento total para una tormenta con hietograma presentado a continuación. Calcular el hidrograma unitario para esta cuenca basado en este evento si el caudal base se estima en 100 m 3 /s. t [h] Qb Qobs. Qesc dir tiempo base= 18h de= 2h 10 Ve t Qi 2h*3,600s / h*( ) m3/ s i1 V e 5.4x10^6m3 5.4x10^6m3 h pe 0.005m 5mm 1,080x10^6m2 t HU [h] /mm Con el hidrograma unitario calculado es posible determinar hidrogramas de escurrimiento director para cualquier tormenta de duración en exceso de 2h. Por ej. en la figura se muestra un hietograma para un evento de tormenta con duración en exceso de 2h (a) y altura de precipitación efectiva de 2+8=10mm. Es posible encontrar el hidrograma de escurrimiento directo multiplicando por 10mm el hidrograma unitario anterior (b) (misma cuenca). t [h] HU /mm Hid. Esc. Directo

9 Utilizando el principio de superposición: El hidrograma unitario se puede utilizar para hallar hidrogramas de escurrimiento directo para tormentas cuya duración en exceso sea múltiplo de 2h. P1=1+3=4mm P2=2+1=3mm n=hu+m-1 n=10+2-1=11 m- pulsos de precipitación. n- pulsos de escorrentía directa. Términos HU=n-m+1 Calculando: Q 0 =0 Q 1 =4x20 Q 2 =4x30+3x20 Q 3 =4x40+3x30 Q 4 =4x20+3x40 Q 5 =4x16+3x20 Q 6 =4x12+3x16 Q 7 =4x8+3x12 Q 8 =4x4+3x8 Q 9 =4x0+3x4 Q 10 =3x0 HU / mm Hid. Esc. Directo t [h] P1=1+3=4mm P2=2+1=3mm n=hu+m-1 n=10+2-1=11 m- pulsos de precipitación. n- pulsos de escorrentía directa. Términos HU=n-m+1 9