Curso de Hidrología Aplicada

Sistema Hidrológico

SISTEMA HIDROLOGICO

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INTRODUCCIÓN

1.1 DEFINICIONES HIDROLOGÍA: “…es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente…” (Chow, 1964)

HIDROLOGÍA APLICADA: Incluye las áreas de la Hidrología relacionadas al diseño y operación de proyectos de ingeniería para la gestión, uso y conservación del recurso hídrico

APLICACIONES DE LA HIDROLOGÍA − − − − − − − − −

Diseño y operación de embalses Abastecimiento de agua a poblaciones Irrigación Generación de Energía Eléctrica Obras de drenaje Control de inundaciones Erosión y control de sedimentos Estudio de la calidad del recurso hídrico Protección de los ecosistemas

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1.2 PREGUNTAS MOTIVADORAS Los estudiantes dispondrán de unos minutos para discutir en grupo las siguientes preguntas, que serán luego presentadas a la clase:

1 ) ¿Qué entienden por Cuenca Hidrográfica? 2 ) ¿Cómo es el régimen de lluvias en el Uruguay? 3 ) ¿Cómo es el caudal en un curso de agua?

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2.1 EL CICLO HIDROLOGICO (Capítulo 1.1 V.T. Chow) A partir de lo que se describe en la Fig. 1.1.1 y en las Tablas 1.1.1 y 1.1.2, se destaca lo siguiente:

(a)

Importancia de los océanos en el ingreso de agua a la atmósfera (7 a 1 respecto al continente)

(b)

El

balance

continente

precipitación-evapotranspiración y

negativo

en

los

océanos,

es

positivo

en

el

compensado

por

el

escurrimiento desde los continentes a los océanos (c)

Importancia de la dinámica de la atmósfera

¿Por qué?

•

Mayor superficie de los océanos que de los continentes

•

La zona ecuatorial, de mayor radiación, es ocupada en una mayor proporción por los océanos

•

La evapotranspiración en los continentes está limitada por la humedad del suelo Volumen Almacenado

Tiempo de Residencia del agua en un cuerpo: Tr =  Flujo de entrada o salida

Tr Agua en la Atmósfera = (12900 km3) / (577.000 km3/año) (365 días/año) = 8.2 días Tr Agua en los Océanos = (1.338.000.000 km3) / (505.000 km3/año) = 2650 años

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Tiempo de residencia en la atmósfera

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2.2 CONCEPTO DE SISTEMA (Capítulo 1.2 V.T. Chow) El ciclo hidrológico puede representarse como un sistema cuyos componentes principales son la precipitación, la evaporación y el escurrimiento. Para su análisis puede dividirse en subsistemas, estudiarlos por separado y combinar luego los resultados de acuerdo a las interacciones entre ellos. Condensación y Sublimación

Evaporación durante el descenso

Vegetación y Estructuras

Medición Medición IntPrec >

Infiltr Sublimación

Zona no Saturada

Zona Saturada Superficie de la Cuenca

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Cauces

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Figura A.1.1.1 Balance hidrológico anual en el Uruguay y en el promedio de los continentes UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010

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2.3 PRIMERA DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL CICLO DEL AGUA QUE PARTICIPAN DEL BALANCE HIDRICO El objeto de la hidrología es formular balances de agua en regiones sobre la superficie y subsuperficie de la tierra: ♦ La atmósfera es una condición de borde a través de la cual realiza intercambio de agua: • Sobre el suelo precipita agua (lluvia, nieve, granizo, escarcha, rocío, etc.). • El suelo y la vegetación evapotranspira, aportando humedad a la atmósfera. ♦ Sobre la superficie del terreno, a través de la frontera que delimita la región, se tiene un intercambio de escurrimiento (entradas y salidas) • Cuando la frontera sólo tiene un punto de intercambio, la salida en el punto más bajo del terreno, a la región se le define como cuenca. ♦ En la superficie del suelo el agua se encuentra almacenada en: embalses, lagos, pantanos, bañados, charcos, ríos, arroyos, etc. ♦ Parte del agua de la superficie del suelo se infiltra: • En la zona superior el agua se encuentra en forma no saturada (humedad del suelo: H). • Parte de agua infiltrada percola hacia la zona inferior en la que el suelo está saturado de agua (formando el acuífero que es delimitado en la parte superior por la superficie freática). • ♦ Cuando el nivel freático está por encima del nivel del terreno el acuífero realiza un aporte al escurrimiento superficial (Flujo Base).

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BALANCE DE AGUA EN EL SUELO

Figura 2.3.1: Balance de agua en un volumen de control y conexión Acuífero – Flujo Superficial: Flujo Base

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BALANCE HIDRICO EN UNA CUENCA El objetivo es encontrar la relación Precipitación-Caudal en la cuenca, adecuada al fenómeno que se quiere modelar.

Modelo de Escurrimientos Mensuales Se estiman los volúmenes de escurrimiento mensual a partir de la precipitación mensual, las características de los suelos (capacidad de almacenamiento) y la evapotranspiración.

Modelos de Escurrimientos Extremos Considerando el evento extremo de precipitación a partir de la frecuencia del mismo (Período de Retorno del evento), la cobertura, la pendiente y el tipo de suelo (almacenamiento e infiltración). Caudal Máximo Método Racional Hidrograma de la Crecida Tormenta de diseño – Método del Bloque Alterno Precipitación efectiva – Método de la Curva Número Hidrograma de crecida – Hidrograma Unitario Triangular

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2.4 CUENCA COMO SISTEMA HIDROLOGICO 2.4.1 DEFINICIONES CUENCA SUPERFICIAL: Dado un punto de estudio, se entiende por cuenca hidrológica la zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) todas las gotas de lluvia que caen sobre ella son drenadas por el sistema de corrientes hacia el mismo punto. DIVISORIA DE AGUAS: Es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas.

2.4.2 TRAZADO DE DIVISORIAS Puede hacerse a partir de un mapa con curvas de nivel de la zona de estudio o con visión estereoscópica utilizando fotos aéreas. El trazado de las líneas divisorias a partir de curvas de nivel debe considerar lo siguiente: 1. La línea divisoria corta ortogonalmente a las curvas de nivel. 2. Cuando la divisoria va aumentando en altitud, corta a las curvas de nivel por su parte convexa. 3. Cuando la altitud de la divisoria va disminuyendo, ésta corta a las curvas de nivel por su parte cóncava. 4. La línea divisoria nunca debe cortar a un río, arroyo o cañada, excepto en el punto del que queremos obtener su divisoria.

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Figura 2.4.1 Delimitación del Parte Aguas

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Figura 2.4.2 Mapa con curvas de nivel

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2.4.3 CARACTERISTICAS FISICAS DE LA CUENCA Si bien nuestro objetivo es describir las características de las cuencas con el fin de interpretar su incidencia en las relaciones precipitación – escurrimiento, se debe tener en cuenta que es el propio escurrimiento de las precipitaciones en la cuenca el que erosionó los pliegues geológicos. AREA :

Se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por la divisoria de aguas.

FORMA : El índice de compacidad o de Gravelius (Ic), da una idea de la forma de la cuenca, se define como la relación entre el perímetro de la cuenca (P) y el de un círculo de la misma superficie (A), y se expresa: Ic = 0.28 P / A1/2

k: Ic :

1 1.12

2 1.19

3 1.29

4 1.40

5 1.50

6 1.60 Ic ≈ 1 + k/10

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PENDIENTE MEDIA DE LA CUENCA Llamamos pendiente media de la cuenca, a la media ponderada de todas las pendientes correspondientes a áreas elementales en las que pudiéramos considerar constante la máxima pendiente. En términos generales indica el grado de “rugosidad” que tiene el suelo de la cuenca.

Figura 2.4.3 Si = Superficie de la Cuenca asignada a la curva de nivel i S = Superficie de la Cuenca = Σ Si Li = Longitud de la curva de nivel i L = Longitud total de las curvas de nivel = Σ Li dh = Equidistancia entre curvas de nivel pi = Pendiente media de una banda = dh/di p = Pendiente media de la cuenca Se define

di

tal que

Si = di Li

La pendiente en cada curva de nivel es: pi = dh/di = dh Li / di Li O sea:

pi = dh Li / Si Ponderando:

Sustituyendo:

p = Σ pi Si / S

p = Σ (dh Li /Si )Si / S = Σ Li dh / S

p = L dh / S

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PENDIENTE MEDIA DEL CAUCE PRINCIPAL

Figura 2.4.4 Pendiente media entre extremos: La pendiente media del cauce principal es igual al cociente entre el desnivel entre los extremos del cauce principal y su longitud en planta.

Figura 2.4.5 UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010

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Pendiente media por velocidad: Taylor y Schwarz proponen calcular la pendiente media del cauce principal (∆), como la de un canal de sección transversal uniforme que tenga la misma longitud y tiempo de recorrido que en el cauce principal.

Figura 2.4.6 Considerando los tramos de cauce entre curvas de nivel: 1, 2, ..., i, ..., n y aplicando Manning, se tiene para cada tramo que la velocidad es proporcional a la pendiente del tramo ( ∆i = ∆Hi / ∆Li ): Vi = k ∆i1/2 = ∆Li / ∆ti

∆ti = ∆Li / (k ∆i1/2)

V = Lcp / t = k ∆1/2

t = Lcp / (k ∆1/2)

t = ∑ ∆ti = ∑ {∆Li / (k ∆i1/2)} ∑ {∆Li / (k ∆i1/2)} = Lcp / (k ∆1/2)

∆1/2 = Lcp / ∑ (∆Li / ∆i1/2)

∆ = {Lcp / ∑ (∆Li / ∆i1/2)} 2

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DENSIDAD DE DRENAJE Es la longitud acumulada de los cauces de la cuenca por unidad de área.

Dd =

ΣLi A

ORDEN DE LA CUENCA Una cuenca tiene el mismo orden que su cauce principal Orden de cauce: Un cauce de orden 1 no tiene ramificaciones. Dos cauces de orden 1 forman uno de orden 2, dos cauces de orden 2 forman uno de orden 3 y así sucesivamente, pero uno de orden 1 y otro de orden 2 forman uno de orden 2, etc

Obs: El orden de la cuenca depende de la escala del mapa utilizado. Se debe ser cuidadoso al efectuar comparaciones entre cuencas.

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