HIDROLOGIA I

U ni versi dad Na cional de Cuy o
Fa cul ta d de Inge nie r ía
I n g e ni e r í a C i vil
HIDROLOGIA I
UNIDAD 5: LAS PRECIPITACIONES
Ing. Carlos D. SEGERER
Ing. Esp. Rubén VILLODAS
2006
ÍNDICE DE TEMAS
UNIDAD 5: LAS PRECIPITACIONES .................................................................................................................... 5-1
TEMA 5.a: CONCEPTOS BASICOS ................................................................................................................ 5-1
5.a.1.
DEFINICION.................................................................................................................................... 5-1
5.a.2.
FORMACION DE LAS PRECIPITACIONES .................................................................................. 5-1
5.a.2.i. Condensación y Núcleos de Congelamiento ............................................................................. 5-1
5.a.2.ii. Caída de las Gotas .................................................................................................................... 5-2
5.a.2.iii. Contenido Máximo de Agua Líquida en las Nubes.................................................................... 5-2
5.a.3.
CLASIFICACTON DE LAS PRECIPITACIONES............................................................................ 5-3
5.a.3.i. Por la Causa del Ascenso de la Masa Húmeda ........................................................................ 5-3
5.a.3.ii. Por la Forma en que Cae........................................................................................................... 5-3
5.a.4.
UNIDADES...................................................................................................................................... 5-5
5.a.5.
MEDIDA DE LAS PRECIPITACIÓNES........................................................................................... 5-5
5.a.5.i. Dificultades de Medición ............................................................................................................ 5-5
5.a.5.ii. Pluviómetros .............................................................................................................................. 5-5
5.a.5.iii. Pluviógrafos ............................................................................................................................... 5-7
5.a.5.iv. Red Pluviométrica ...................................................................................................................... 5-9
5.a.5.v. Observaciones de Precipitación con Radar............................................................................. 5-10
5.a.5.vi. Estimación de Precipitaciones Mediante Información Satelital ............................................... 5-10
5.a.6.
VARIACIONES DE LA PRECIPITACION ..................................................................................... 5-10
5.a.6.i. Variaciones Geográficas .......................................................................................................... 5-10
5.a.6.ii. Variaciones en el Tiempo......................................................................................................... 5-11
5.a.6.iii. Precipitaciones Máximas ......................................................................................................... 5-11
TEMA 5.b: ANALISIS DE DATOS DE LLUVIA ............................................................................................... 5-12
5.b.1.
VALORES MEDIOS CARACTERÍSTICOS................................................................................... 5-12
5.b.1.i. Módulo Pluviométrico Anual Medio.......................................................................................... 5-12
5.b.1.ii. Lluvia Media Mensual .............................................................................................................. 5-13
5.b.1.iii. Lluvia Diaria ............................................................................................................................. 5-13
5.b.1.iv. Irregularidad de las Precipitaciones......................................................................................... 5-13
5.b.2.
CURVAS CARACTERISTICAS .................................................................................................... 5-14
5.b.2.i. Curva de Masa......................................................................................................................... 5-14
5.b.2.ii. Yetogramas.............................................................................................................................. 5-15
5.b.2.iii. Curvas de Intensidad y Duración (ID)...................................................................................... 5-15
5.b.2.iv. Curvas de Intensidad, Duración y Frecuencia (IDF)................................................................ 5-16
5.b.3.
ESTIMACION DE VALORES DE LAS VARIABLES PLUVIOMETRICAS.................................... 5-18
5.b.3.i. Lluvia Media en una Zona........................................................................................................ 5-18
5.b.3.ii. Análisis de Área/Duración/Profundidad ................................................................................... 5-20
5.b.3.iii. Patrón de Isoyetas Standard ................................................................................................... 5-21
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 29. Pluviómetro Tipo B................................................................................................................................5-6
Figura 30. Instalación de Pluviómetro ....................................................................................................................5-7
Figura 31. Pluviógrafo de Flotador .........................................................................................................................5-8
Figura 32. Pluviógrafo a Cubeta Basculante..........................................................................................................5-9
Figura 33. Curva de Maza................................................................................................................................... 5-14
Figura 34. Curva de Maza Reconstruida para Pluviómetro ................................................................................ 5-14
Figura 35. Yetograma.......................................................................................................................................... 5-15
Figura 36. Curva I-D ............................................................................................................................................ 5-15
Figura 37. Curva I-D-F – Tormenta de Proyecto Mendoza................................................................................. 5-16
Figura 38. Curva I-F-D......................................................................................................................................... 5-17
Figura 39. Polígonos de Thiessen....................................................................................................................... 5-19
Figura 40. Curvas Isoyetas ................................................................................................................................. 5-19
Figura 41. Curvas A-D-P ..................................................................................................................................... 5-20
Figura 42. Patrón de Isoyetas Standard (a/b = 1.5)............................................................................................ 5-21
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 9: Tipo de Año según las Precipitaciones.............................................................................................. 5-12
Unidad 5
5-1
UNIDAD 5: LAS PRECIPITACIONES
TEMA 5.a:
CONCEPTOS BASICOS
5.a.1. DEFINICION
Se engloba dentro del término precipitación a todas las aguas meteóricas que caen sobre la superficie
de la tierra, tanto bajo la forma líquida como sólida (nieve, granizo). Estos diversos tipos de
precipitaciones son normalmente medidos sin efectuar su discriminación por medio de su equivalente en
agua.
La precipitación es el origen de todas las corrientes superficiales y profundas, por lo cual su
cuantificación y el conocimiento de su distribución, en el tiempo y en el espacio, se constituyen en
problemas básicos para la hidrología.
El hidrólogo necesita considerar la precipitación en relación con los límites geográficos naturales del
terreno donde incide, o sea, las cuencas de los cauces hídricos superficiales. En ellas tratará de dar
solución cuantitativa a la ecuación del balance hidrológico:
A = P − E ± ∆S
/110/
donde:
A
es la aportación al cauce
P
la precipitación media
E
la evapotranspiración media
∆S
la variación del almacenamiento en la cuenca
5.a.2. FORMACION DE LAS PRECIPITACIONES
La humedad siempre está presente en la atmósfera, aún en los días sin nubes. Para que ocurra la
precipitación, se requiere algún mecanismo que enfríe el aire lo suficiente para que llegue de esta
manera al, o cerca del, punto de saturación.
Los enfriamientos de grandes masas, necesarios para que se produzcan cantidades significativas de
precipitación, se logran cuando ascienden las masas de aire. Este fenómeno se lleva a cabo por medio
de sistemas convectivos o convergentes que resultan de radiaciones desiguales las cuales producen
calentamiento o enfriamiento de la superficie de la tierra y la atmósfera, o por barreras orográficas. Sin
embargo, la saturación no conlleva necesariamente la precipitación.
5.a.2.i.
Condensación y Núcleos de Congelamiento
Suponiendo que el aire está saturado, o muy cerca de este punto, la formación de neblina, gotas de
agua o cristales de hielo requiere por lo general de la presencia de núcleos de condensación o
congelamiento, sobre los cuales se forman las gotas de agua o los cristales de hielo.
Estos núcleos son pequeñas partículas de varias sustancias, no necesariamente higroscópicas, cuyo
tamaño por lo general está entre 0,1 y 10 µm de diámetro. Aquellos cuyo diámetro es menor que 3 µm
están comprendidos dentro del rango de aerosoles y pueden permanecer suspendidos indefinidamente
en el aire, excepto cuando se forma la precipitación.
Los núcleos de condensación consisten por lo general en productos de combustión, óxidos de nitrógeno
y partículas de sal. Estas últimas son las más efectivas y aún con humedades tan bajas como del 75%
pueden producir condensación.
Después de la nucleación, la gota de agua o el cristal de hielo crecen hasta que su tamaño se vuelve
visible en una fracción de segundo a través de un proceso de difusión de vapor de agua hacia éste,
pero a partir de ese momento en adelante, el crecimiento es muy lento.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-2
La difusión por sí misma lleva únicamente a la formación de neblina o elementos de la nube que por lo
general son menores de 10 µm en diámetro, alcanzando algunos de ellos hasta 50 µm. Puesto que la
condensación tiende a agrandar las gotas de agua o los cristales de hielo aproximadamente a los
mismos valores, las diferencias en tamaño resultan principalmente de las que poseen los núcleos sobre
los cuales se forman. Mientras loe elementos de una nube tienden a asentarse, el peso de un elemento
promedio es tan pequeño que se requiere únicamente de un leve movimiento de aire hacia arriba para
mantenerlo en suspensión.
La mayoría de las gotas de agua en estado no precipitable tienen diámetros menores de 10 µm, y una
corriente ascendente menor de 0,5 cm/s, es suficiente para evitar que aquéllas caigan. Debido a que los
cristales de hielo de peso equivalente tienen un tamaño mucho más grande, se pueden sostener con
velocidades aún más bajas.
5.a.2.ii.
Caída de las Gotas
Las velocidades hacia arriba, por debajo de las nubes y en las nubes, a menudo sobrepasan los valores
necesarios para sostener los elementos dentro de aquéllas; por esta razón, para que ocurra
precipitación, tales elementos deben aumentar su tamaño hasta que su velocidad de caída exceda a la
ascensional del aire.
Por otra parte, dichos elementos deben ser también lo suficientemente grandes para penetrar en el aire
no saturado que se encuentra por debajo de la base de la nube, sin evaporarse completamente antes
de llegar a la tierra.
Una gota de agua que cae desde la base de una nube a un kilómetro sobre el suelo, en aire que tenga
90% de humedad relativa y que se está elevando a 10 cm/s, requeriría de un diámetro de
aproximadamente 440 µm para llegar a la tierra con un diámetro de 200 µm, límite que se considera a
menudo como el que hay entre el tamaño de las gotas en una nube y el tamaño precipitable.
Si todas las gotas de una nube fueran del mismo tamaño, se encontrasen a la misma temperatura y
estuvieran formadas por agua líquida, la nube se mantendría en equilibrio termodinámico, sin dar lugar
a la formación de gotas gruesas capaces de constituir precipitación.
A destruir el referido equilibrio contribuyen diversos factores, entre los que se pueden identificar
básicamente:
9
la diferencia de tamaño entre las gotas de la nube
9
la diferencia de temperatura entre regiones próximas de la nube
9
la coexistencia, en una región de la nube, de gotas de agua y de cristales de hielo
9
el aumento del tamaño de las gotas mayores por captura, mediante choques, de
otras gotas
Las gotas de lluvia pueden crecer hasta alcanzar un diámetro de aproximadamente 6 mm, a partir del
cual las gotas se rompen.
La velocidad máxima de caída, o velocidad terminal, que para gotas de 0,5; 1; 2; 3 y 4 mm es
respectivamente de 2,0; 4,0; 6,5; 8,1 y 8,8 m/s, tiende a nivelarse asintóticamente en un valor del orden
de 9 m/s, cuando las gotas de agua se acercan a un tamaño máximo precedentemente mencionado,
debido al aumento de la resistencia del aire a medida que caen.
5.a.2.iii.
Contenido Máximo de Agua Líquida en las Nubes
El contenido máximo de agua líquida en una nube no precipitable varía por lo general desde 0,5 g/m³ en
nubes que forman estratos delgados hasta 4 g/m³ en cúmulos muy anchos, aunque ocasionalmente se
han determinado valores mayores.
Las nubes que tienen concentraciones de 4 g/m³ o más, por lo general producen precipitación que llega
a la tierra. Las cantidades precipitadas tienden a estar correlacionadas con el contenido de agua líquida.
Para lluvias fuertes se ha determinado en forma estimativa que la intensidad de la lluvia aumenta
alrededor de 25 mm/h por cada g/m³ de agua contenida en la nube.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-3
5.a.3. CLASIFICACTON DE LAS PRECIPITACIONES
5.a.3.i.
Por la Causa del Ascenso de la Masa Húmeda
En general, las nubes se forman por enfriamiento del aire por debajo de su punto de saturación. Este
enfriamiento puede tener lugar por varios procesos, que conducen al ascenso adiabático con el
consiguiente descenso de presión y descenso térmico asociado.
La intensidad y cantidad de precipitación dependerán del contenido de humedad del aire y de la
velocidad vertical.
De acuerdo con la causa que origina este ascenso de la masa húmeda, pueden distinguirse distintos
tipos de precipitación: ciclónica, convectiva y orográfica.
Precipitación Ciclónica
Es la que resulta del levantamiento del aire que converge en un área de baja presión o centro ciclónico,
pudiéndose presentar como precipitación frontal y no frontal.
La precipitación no frontal puede ocurrir en cualquier depresión barométrica, resultando el ascenso
debido a la convergencia de masas de aire que tienden a rellenar la zona de baja presión.
La precipitación frontal resulta del levantamiento de aire cálido a un lado de una superficie frontal
sobre aire más denso y frío; puede en consecuencia estar asociada a un frente frío o cálido.
La precipitación de frente caliente se forma cuando el aire avanza hacia arriba sobre una masa de
aire más frío. La magnitud del ascenso es relativamente baja puesto que la pendiente promedio de la
superficie frontal es por lo general de 1:100 a 1:300. La precipitación puede extenderse de 300 a 500
km por delante del frente, y por lo general la lluvia resultante varía entre ligera a moderada y continúa
hasta que termina el paso del frente.
La precipitación de frente frío es de naturaleza corta y se forma cuando el aire cálido es obligado a
subir por una masa de aire frío que está avanzando. Los frentes fríos se mueven más rápidamente que
los calientes, y sus superficies frontales tienen pendientes que varían entre 1: 50 y 1:150, es decir con
mayor pendiente que los anteriores. En consecuencia, el aire cálido se eleva mucho más rápidamente
en este tipo de frentes, y las intensidades de la precipitación son por lo general mucho mayores,
frecuentemente de tipo tormentoso.
Precipitación Convectiva
Este tipo de precipitación tiene su origen en la inestabilidad de una masa de aire más caliente que las
circundantes. Estas diferencias de temperatura pueden ser el resultado de calentamientos diferenciales
en superficie o en la parte superior de la capa de aire.
Así, la masa de aire más liviana por su mayor temperatura, asciende y supera el nivel de equilibrio
debido a la velocidad vertical adquirida, formándose la característica nubosidad de tipo cumuliforme,
origen de las precipitaciones en forma de chubascos o tormentas, generalmente de tipo puntual.
Precipitación Orográfica
Se denomina así a la precipitación que tiene origen en el ascenso de la masa de aire forzado por una
barrera montañosa. Se presentan en forma de lluvia o nieve, siendo muy irregulares en importancia y
localización. A veces, en casos de masas inestables, el efecto orográfico no supone más que el
mecanismo de disparo de la inestabilidad convectiva.
La precipitación es mayor a barlovento, diminuyendo rápidamente a sotavento. En las cadenas
montañosas importantes, el máximo de precipitación se produce antes de la divisoria. En cambio, con
menores altitudes, el máximo se produce pasada ésta, debido a que el aire continúa el ascenso.
5.a.3.ii.
Por la Forma en que Cae
Por la forma en que cae (tipos de hidrometeoros), se pueden distinguir diversos tipos de precipitación,
entre los cuales los de mayor interés son:
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-4
Lluvia
Precipitación atmosférica de gotas de agua en estado liquido. La mayor parte de ellas tiene,
generalmente, un diámetro igual o mayor que medio milímetro, y caen, en el aire en calma, con una
velocidad superior a los dos metros por segundo.
Según sus intensidades pueden distinguirse:
9
Ligera
para tasas de caída de hasta 2,5 mm/h
9
Moderada
desde 2,5 hasta 7,5 mm/h
9
Fuerte
por encima de 7,5 mm/h
Llovizna
Precipitación análoga a la lluvia, pero de gotas de diámetro inferior al medio milímetro, uniformemente
dispersas, muy numerosas y que aparentemente flotan en el aire. Su procedencia son estratos bajos,
algunas veces tanto que constituyen niebla.
Si la cantidad de agua recogida por hora es mayor de un milímetro de altura (es decir, un litro por metro
cuadrado), se considere lluvia.
Chaparrón o Aguacero
Son precipitaciones de agua líquida o sólida, de extraordinaria intensidad, que comienzan y acaban
bruscamente, con duración relativamente corta; o bien, varían violenta y rápidamente de intensidad y
coinciden con la alternancia brusca de cielo encapotado y amenazador, con claros de cielo azul, o de
nubes muy oscuras con otras muy claras.
Nieve
Precipitación atmosférica formada por agrupaciones cristalinas de hielo en estrellas hexagonales,
ramificadas y con frecuencia mezcladas con cristales simples; algunas veces los conglomerados forman
los copos de nieve, que pueden llegar a tener varios centímetros de diámetro, y que se producen
cuando, por ser la temperatura del aire superior a -10°C, se sueldan los cristales con una película de
agua líquida que los envuelve.
La densidad de la nieve fresca varía grandemente; por lo general se requieren de 125 a 500 mm de
nieve pera formar 25 mm de agua líquida.
A menudo se supone pare la nieve una densidad promedio de 0,1 g/m³.
Agua Nieve
Precipitación de nieve en fusión, mientras cae, sola o con lluvia.
Neviza
Nieve en forma granular y compacte que se produce por cambio de temperatura, formando el estado de
transición al hielo glaciar.
Rocío
Gotas de agua debidas a la condensación directa del vapor contenido en el aire adyacente a superficies
enfriadas por radiación nocturna.
Escarche
Cristales diminutos de hielo, en forma de escamas o agujas que se forman por condensación del vapor
de agua existente en el aire, que pasa directamente al estado sólido sobre las superficies muy enfriadas
durante la noche. Su origen puede ser también el congelamiento de agua superenfriada que
previamente se ha depositado sobre la superficie en forma de lluvia o llovizna. Su densidad puede llegar
a ser de 0,8 a 0,9 g/m³.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-5
Granizo
Precipitación de granos de hielo traslúcidos, que se produce por nubes convectivas, generalmente de
tipo cumulonimbos. Si bien por lo general los granos son de forma esférica, pueden serlo también
cónicos o irregulares. Están constituidos por un núcleo de granizo blando, envuelto por una fina capa de
hielo que les da aspecto cristalino.
Su densidad es del orden de 0,8 g/m³ y su diámetro varía entre 5 y 50 mm e incluso superiores.
5.a.4. UNIDADES
La precipitación se mide por la altura que el agua caída alcanzaría sobre una superficie plana y
horizontal, en la que no existieran pérdidas por infiltración y evaporación; tal altura se expresa en
milímetros y las mediciones se llevan a una aproximación de los décimos de mm.
Para los estudios de irrigación y desagües es necesario tener presente que una lluvia de:
1 mm =
/111/
10 m3
ha
Como para el caso de la lluvia, la cantidad de nieve o de granizo se expresa por la altura de la capa de
agua que formará sobre el suelo una vez fundida.
En las estadísticas meteorológicas es frecuente agrupar, sin distinguir, el agua recogida en forma de
lluvia, nieve y granizo (salvo en estaciones nivométricas). En tal caso se le da el nombre genérico de
precipitación.
5.a.5. MEDIDA DE LAS PRECIPITACIÓNES
5.a.5.i.
Dificultades de Medición
La medición correcta de la altura de agua precipitada, según fue definida en el apartado anterior, no
resulta tan simple como pudiera parecer a primera vista, como consecuencia de las siguientes razones
principales:
a) Cualquiera sea el dispositivo ideado para la medición, su sola presencia origina una perturbación
aerodinámica que altera a su alrededor el “campo” de las precipitaciones, creando en su
vecindad inmediata torbellinos que pueden afectar la cantidad de lluvia captada. Resulta pues
esencial medir las precipitaciones con aparatos determinados, instalados y accionados según
métodos estrictamente normalizados, a fin de obtener resultados que sean comparables, tanto
como sea posible.
b) La presencia de viento, que puede acompañar a las precipitaciones e incidir (a veces
notoriamente) sobre la cantidad de agua realmente captada.
c) La muestra que se obtiene para efectuar la medición es siempre extraordinariamente pequeña
en relación al conjunto de la lluvia, que abarca siempre una zona en extremo extensa
comparada con la sección del instrumento de medición, y que en ocasiones se distribuye
heterogéneamente en tal zona.
5.a.5.ii.
Pluviómetros
El pluviómetro es un instrumento concebido para medir la altura de agua precipitada, en la hipótesis de
distribución homogénea horizontal y sin efecto de evaporación.
El SHN tiene oficializados dos tipos de pluviómetros, de los cuales el que se halla en uso en la
actualidad es el denominado Tipo B, el cual está compuesto de tres secciones principales, a saber
(Figura 29):
9 La sección superior (a), que es la receptora, tiene una boca circular de 200 cm² (16 cm de
diámetro), formada por un aro de bronce reforzado, con su arista superior afilada y achaflanada
a 45 con la cara inclinada hacia afuera. En su interior tiene un embudo con orificio para la salida
del agua, estando el borde superior de dicho embudo soldado a las paredes del pluviómetro, a
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-6
10 cm por debajo de la boca, a fin que las gotas que caigan sobre el mismo no puedan volver al
exterior por rebote.
9 La sección inferior b) destinada a retención, cuenta con una capacidad de 7.663,5 cm³, lo cual
permite almacenar el agua de una lluvia de 390 mm.
La sección (a) se acopla a la (b), formando un conjunto cilíndrico de 45,5 cm de altura.
9 En el interior de la sección (b) se halla colocado el recipiente (c), denominado colector, que sirve
para trasvasar a la probeta el agua recogida a fin de efectuar su medición. Este colector tiene
12,5 centímetros de diámetro y 24 cm de altura, lo que equivale a una capacidad para
recolección directa de hasta 147,2 mm de lluvia. Al rebalsar, el sobrante de agua queda retenido
en el depósito (b).
El pluviómetro se coloca sobre un soporte de planchuela por donde se lo fija a un poste, con un
dispositivo para asegurarlo mediante un candado.
9 El equipamiento de un pluviómetro se completa con dos probetas de medición, de las siguientes
características:
Una probeta de capacidad equivalente a 10 mm de precipitación, cuyo diámetro interior es de 40
mm y que se halla graduada en mm y décimos de mm. Teniendo en cuenta que el diámetro de la
boca del pluviómetro es de 16 cm, su relación con la superficie de la sección transversal de la
probeta, llamada coeficiente de ampliación, es igual a 16.
Una probeta con capacidad de 50 mm de lluvia, graduada en milímetros enteros y medio
milímetros, cuyo diámetro es de 8 cm, con lo que su coeficiente de ampliación es 4.
Ambas probetas tienen fondo semiesférico con el objeto de obtener una mayor ampliación de escala de
lectura para pequeñas cantidades de lluvia.
Figura 29. Pluviómetro Tipo B
Instalación y Cuidado del Pluviómetro
La instalación del pluviómetro debe ser objeto del mayor cuidado para evitar errores en la obtención de
los datos. Las condiciones necesarias para ello son:
a) La boca del pluviómetro debe estar a una altura del suelo de 1,50 m.
b) El pluviómetro debe ir colocado sobre un poste vertical fijado de forma tal que se impida todo
movimiento y de manera que la cabeza del poste (achaflanada también a 45° hacia afuera), se
encuentre 15 cm por debajo de la boca del pluviómetro, la que a su vez debe estar
perfectamente horizontal.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-7
c) El pluviómetro debe colocarse alejado de cualquier obstáculo (árboles, paredes, tapiales, etc.)
para que los mismos no obstaculicen la entrada de lluvia. De existir aquéllos en las
proximidades, el instrumento de medición debe estar siempre a una distancia horizontal por lo
menos cuádruple respecto a la altura de los obstáculos vecinos.
d) En caso de que no haya jardín o lugar abierto sin obstáculos para colocar el pluviómetro en las
condiciones descriptas y sea necesario colocarlo sobre un edificio, casilla, etc., debe estar
siempre afirmado a un poste, de manera que la boca del pluviómetro sobrepase en un metro la
parte más alta del techo en que se lo coloca (o sus parapetos, cumbreras, etc.).
e) Se debe cuidar siempre que en el interior del pluviómetro o en el embudo no haya hojas secas u
otros objetos que puedan alterar la medición exacta de la lluvia.
Figura 30. Instalación de Pluviómetro
Modo de Efectuar la Medición
El procedimiento para efectuar la medición de lluvia caída es el siguiente:
9 Se saca la parte superior o receptora (a).
9 Se retira el colector (c) colocado en el interior de la parte (b) y se lo sustituye por el de repuesto,
volviendo a colocar en su lugar la parte receptora.
9 Se vierte el agua en alguna de las dos probetas que integran el equipo del pluviómetro y se lee
la graduación hasta donde llega el agua.
Si la cantidad de lluvia fuese mayor que la capacidad graduada de la probeta, la operación de llenado
se repite tantas veces como sea necesario, sumando los parciales para obtener el total precipitado. En
zonas de lluvias intensas se emplea directamente la probeta mayor para evitar demasiadas descargas.
Cuando la cantidad de agua precipitada haya rebasado la capacidad del colector (c) y una parte se ha
depositado en el recipiente de retención (b), se mide primero el agua contenida en el colector y luego se
trasvasa al mismo y se mide el agua depositada en el recipiente de retención.
Si una lluvia fuera de magnitud tal que hiciera temer sobre la suficiencia de le capacidad del recipiente
de retención del pluviómetro para almacenar el agua caída en 24 horas, se debe efectuar una
observación intermedia, que se sumare a la realizada a la hora reglamentaria.
Hora de Observación y Día Pluviométrico
En nuestro país las observaciones de lluvia se realizan a las 9:00 horas, designándose por día
pluviométrico al período comprendido entre dos observaciones consecutivas.
5.a.5.iii.
Pluviógrafos
Para obtener registros continuos de las precipitaciones y poder dibujar las curvas de masa de las
mismas (ver 5.b.2.i) y determinar las intensidades de lluvia producidas en intervalos de tiempo
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-8
predeterminados, se recurre al empleo del pluviógrafo, que consiste básicamente en un pluviómetro que
incluye un dispositivo de registro cronológico de las alturas de agua precipitadas, o de envío de la
información correspondiente a pequeños intervalos de tiempo a un centro computarizado de
almacenamiento de datos.
Pluviógrafo de Balanza
Consiste en un instrumento que permite recoger y registrar una cantidad representativa de lluvia, nieve
fundida o granizo. Para ello el agua se colecta en un recipiente similar al pluviómetro cuyo peso accione
un mecanismo acoplado al dispositivo registrador.
Pluviógrafo de Flotador
Figura 31. Pluviógrafo de Flotador
En este pluviógrafo la lluvia, captada por una boca de sección normalizada igual e la del pluviómetro
(A), cae dentro de un recipiente que contiene un flotador (G). A medida que el nivel del agua en el
depósito sube, lo hace también el flotador, el que se halla vinculado al sistema registrador (T).
La capacidad del recipiente es igual al volumen de agua correspondiente a 10 mm de lluvia, de modo
que al llenarse se accione un sifón que desagota el recipiente a un depósito (S) y el flotante retorna a su
posición inicial, para luego volver a subir si la lluvia continúa.
Cuando los registros se trazan en fajas sobre un tambor giratorio, presentan le característica que cada
vez que se produce un vaciado, la curva del pluviograma baja desde el borde superior al inferior de la
faja, lo que debe tenerse presente al calcular los totales de precipitación y dibujar la curva de masa.
Pluviógrafo a Cubeta Basculante
Este tipo de pluviógrafo cuenta, bajo la boca del embudo, con un compartimiento en el que hay dos
cubetas, una de las cuales recibe el agua precipitada y al llenarse, se produce un desequilibrio que hace
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-9
que la cubeta vuelque la cantidad de agua que contiene (equivalente a 0,1; 0,2 ó 0,5 mm de lluvia según
los modelos), moviendo a la segunda cubeta al lugar de recolección del agua. En ese momento se
acciona un circuito eléctrico que marca o produce el registro correspondiente.
En otros modelos (Figura 32), al producirse la descarga, una rueda dentada gira el espacio de un diente
y provoca un movimiento que registra un trazo vertical sobre la faja, igual a la sensibilidad. Mientras el
otro cangilón se llena, la pluma inscribe un trazo horizontal de longitud proporcional al tiempo que tarda
en llenarse. En la faja se registra así un diagrama escalonado en ascenso hasta que se alcanza la altura
máxima de aquélla, y de continuar la precipitación, el diagrama se invierte (descendiendo) hasta el
borde inferior, y así sucesivamente.
Figura 32. Pluviógrafo a Cubeta Basculante
5.a.5.iv.
Red Pluviométrica
Los usos para los cuales se deba utilizar la información sobre la precipitación son los que determinan la
densidad de una red. Para el estudio de grandes tormentas o para determinar los promedios de
extensas áreas de llanura, debería ser suficiente una red de estaciones relativamente dispersa.
En cambio, se requiere una red bastante densa para determinar el patrón de lluvias de intensas
tormentas de tipo convectivo, que presentan fuertes variaciones en la magnitud de las precipitaciones
en distancias relativamente cortas (del orden de un par de kilómetros).
La probabilidad de que el centro de una tormenta quede registrado por un pluviómetro será función de la
densidad de la red.
En función de lo anterior, la Organización Meteorológica Mundial recomienda para propósitos
hidrometeorológicos generales, las siguientes densidades mínimas:
9 Para regiones de llanura en zonas tropicales, mediterráneas o templadas: 1 estación cada 600 a
900 km²
9 Para regiones montañosas en zonas tropicales, mediterráneas o templadas: 1 estación cada 100
a 250 km²
9 Para regiones montañosas pequeñas con precipitación irregular: 1 estación cada 25 km²
9 Para zonas áridas y zonas polares: 1 estación cada 1.500 a 10.000 km²
Red Telemétrica del Gran Mendoza
La zona del piedemonte que ubica al oeste del Gran Mendoza cuenta desde 1982, con una red de
medición, transmisión telemétrica de datos y registro de eventos meteorológicos (con énfasis en
precipitaciones), operada por el Centro Regional Andino, la que primordialmente cumple funciones de
alerta de eventos aluvionales y sirve de base a estudios de determinación de tormentas de proyecto.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-10
Con un total de 25 estaciones en un área de 600 km², cumple las normas de la OMM de una estación
cada 25 km². El sector cubierto limita con la precordillera al oeste, el Río Mendoza al sur, el área
urbanizada al este y la divisoria de las Cuencas San Isidro y Colector Las Heras al norte.
El modo de transmisión de las estaciones remotas es de autotransmisión por evento, es decir que la
estación envía una señal cada vez que se acumula 1 mm de lluvia, además de una de supervivencia
cada 12 horas, cuando no llueve.
De esta forma la información llega a la central, donde se la recibe y procesa en forma computarizada,
en el instante en que se produce el fenómeno, lo que permite contar con los registros en tiempo real.
5.a.5.v.
Observaciones de Precipitación con Radar
Un radar transmite un pulso de energía electromagnética como un haz en una dirección predeterminada
por medio de una antena móvil. El ancho y la forma del haz se determinan por el tamaño y la
configuración de la antena. La onda irradiada, que viaja a la velocidad de la luz, es reflejada
parcialmente por las nubes y por las partículas de precipitación y regresa al radar, donde es recibida por
la misma antena.
Se puede detectar así la presencia de precipitación dentro de un alcance determinado por ciertos
parámetros del sistema, por la medida y número de gotas por unidad de volumen y por el efecto de
curvatura de la tierra. En la práctica, particularmente en latitudes templadas, tal alcance no es superior a
250 km.
Con el empleo de un equipo de procesamiento de datos es posible estimar la precipitación sobre un
área determinada en tiempo real y con una exactitud comparable con los datos medios obtenidos a
partir de una red de pluviómetros convencionales. Aún en áreas montañosas bajo condiciones ideales
es posible una aproximación del orden del 15% en totales horarios sobre pequeñas subcuencas.
El uso del radar es de inapreciable valor en la detección de tormentas convectivas, a los fines de la
implementación de alertas hidrológicos, en forma asociada a la red telemétrica terrestre, permitiendo
establecer la presencia, localización y extensión de los núcleos de tormenta, probable intensidad de la
precipitación que pueden producir, como asimismo la dirección y velocidad de su desplazamiento.
5.a.5.vi.
Estimación de Precipitaciones Mediante Información Satelital
Los estudios de balance hídrico en una escala global requieren de información sobre precipitación en
áreas donde las redes de pluviómetros son inadecuadas o inexistentes, como por ejemplo los océanos.
Dado que los satélites no pueden medir las lluvias en forma directa, pueden realizarse para tales fines
estimaciones aproximadas de la cantidad de agua caída por medio de la aplicación de un coeficiente de
precipitación, función de la cantidad, tipo y espesor de las nubes observadas o deducidas a través de
las imágenes satelitales y la precipitación probable e intensidad asociada a cada tipo de nube,
parámetros que deben determinarse en base a datos tomados sobre la superficie de la tierra.
Pueden estimarse así cantidades de lluvia para períodos de un mes o mayores.
5.a.6. VARIACIONES DE LA PRECIPITACION
5.a.6.i.
Variaciones Geográficas
En general la precipitación es mayor cerca del ecuador y disminuye al aumentar la latitud. Sin embargo,
la irregularidad y orientación de las isoyetas en los mapas de precipitación media anual del mundo,
indican que su distribución geográfica depende de factores más relevantes que la referida distancia al
ecuador.
La fuente principal de humedad para la precipitación es la evaporación a partir de las superficies de las
grandes masas de agua. Por lo tanto la precipitación tiende a ser mayor cerca de las costas, salvo
distorsiones debidas a factores orográficos.
Puesto que el ascenso de las masas de aire constituye el factor más importante para casi todos los
tipos de precipitación, las cantidades y las frecuencias son por lo general mayores en el lado de
barlovento de las barreras montañosas.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-11
Por el contrario, y puesto que el movimiento hacia abajo del aire produce una disminución de la
humedad relativa, el lado de sotavento de las barreras experimenta por lo general una precipitación
relativamente baja.
Se han desarrollado por parte de diversos investigadores expresiones que relacionan la precipitación
con la altitud, con la proximidad al mar y con otros factores, con conclusiones diferentes y sin que tales
expresiones sean de aplicación generalizada.
5.a.6.ii.
Variaciones en el Tiempo
Aunque algunas fracciones del registro de precipitaciones que se consideren aisladamente, puedan
sugerir un aumento o una disminución temporal de sus magnitudes, parece existir una tendencia a
regresar hacia la media al considerar largas series de datos, de modo que en ellas los períodos
extraordinariamente húmedos tienden a ser balanceados por los períodos secos.
La irregularidad de estas fluctuaciones ha sido asiduamente investigada. Aún cuando se han estudiado
más de 100 ciclos aparentes, que van desde períodos de 1 a 744 años, y la bibliografía especializada
registra numerosos esfuerzos para detectar estas variaciones, con excepción de los cambios diurnos y
estacionales, no se han podido demostrar concluyentemente ciclos persistentes y regulares, de alguna
magnitud apreciable.
Para tratar de establecer la existencia de tales ciclos, se deberían graficar los años sucesivos en
abscisas y las alturas de precipitación de cada año en ordenadas, dibujando la curva cronológica
resultante, de cuyo análisis podrá surgir o no un determinado grado de ciclicidad en la distribución con
que se presenten las precipitaciones.
En caso positivo surgirá la duración de tales ciclos y las características de la distribución, magnitud y
tiempos de repetición de los períodos más húmedos y más secos.
A pesar que la existencia de tales ciclos y sus eventuales características sigue siendo materia de
discusión, resulta cierto que la precipitación de cada año es un fenómeno aleatorio, sobre el cual no
existen tendencias que orienten hacia un pronóstico de la magnitud concreta que alcanzará la misma en
un futuro inmediato, variando notoriamente la distribución anual y estacional, tanto en intensidad como
en el tipo de las precipitaciones características, aún considerando regiones relativamente cercanas
dentro de un mismo país o comarca geográfica.
Estas variaciones son de gran importancia en la caracterización del clima de la región. Además, la
precipitación en una determinada época puede o no ser útil a la agricultura, según la correspondencia
de los períodos en que aquélla se produzca y el ciclo vegetativo de los cultivos.
5.a.6.iii.
Precipitaciones Máximas
Otros eventos cuyo estudio reviste gran interés en ingeniería hidrológica lo constituyen las
precipitaciones de gran magnitud en una región dada, tanto en lo que hace a la o las épocas en que
puedan producirse, como las extensiones que abarquen, por las crecidas que pueden generar en los
cursos hídricos que alimentan o que sirven de desagüe a las aguas derivadas de los escurrimientos
superficiales.
A simple título ilustrativo, una reseña de las máximas precipitaciones puntuales registradas en el
mundo, consigna los siguientes valores, en función de su duración:
9 En un minuto
38 mm
Barot (Guadalupe)
26/11/1970
9 En 8 minutos
126 mm
Füssen (Baviera)
25/05/1920
9 En 15 minutos
198 mm
Plumb Point (Jamaica)
12/05/1916
9 En 12 horas
1.340 mm
Belovue (Reunión)
28/02/1964
9 En 24 horas
1.870 mm
Cilaos (Réunion)
15/03/1952
9 En 1 mes
9.300 mm
Cherrapunji (India)
julio de 1981
9 En 1 año
26.461 mm
Cherrapunji (India)
entre agosto de 1860 y julio de 1861
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-12
En estaciones del Gran Mendoza se pueden destacar como registros notables:
9 En 5 minutos
19 mm
14/02/1990
9 En 10 minutos
32 mm
04/02/1992
9 En 15 minutos
39 mm
04/02/1992
9 En 30 minutos
50 mm
12/02/1990
9 En 70 minutos
89 mm
31/12/1959
TEMA 5.b:
ANALISIS DE DATOS DE LLUVIA
5.b.1.VALORES MEDIOS CARACTERÍSTICOS
El conjunto de datos que en general se recopilan mensualmente en las estaciones meteorológicas,
relativos a lluvias, corresponden a:
9 Precipitación total mensual en cada pluviómetro
9 Precipitación para un intervalo de 24 horas en cada pluviómetro
9 Precipitación máxima mensual en 24 horas en cada pluviómetro
9 Número de días de lluvia, nieve o granizo, durante el mes, en cada estación
9 Bandas con las inscripciones de los pluviógrafos o registros equivalentes computarizados
Con el transcurso del tiempo, todo este conjunto de información alcanzaría un volumen realmente poco
manejable. Resulta necesario en consecuencia acudir a procedimientos estadísticos normalizados que
racionalicen la presentación, sintetizando el máximo de información en unos pocos parámetros (valores
medios, dispersión respecto a ellos, configuración de la curva de observaciones, etc.).
5.b.1.i.
Módulo Pluviométrico Anual Medio
Se denomina Módulo Pluviométrico Anual Medio a la media aritmética de la lluvia anual, durante una
serie de años, cuyos extremos deben consignarse conjuntamente con el valor del módulo pluviométrico,
a fin de dejar caracterizado el período del cual aquél es representativo.
Cuando las series disponibles sean de pocos años (menos de 30), el Módulo Pluviométrico Anual Medio
debe tomarse con mucha precaución, pues en el conjunto es posible que predominen años secos, o por
el contrario años húmedos.
Para definir si un año (o período) es seco, medio o húmedo, no es suficiente una simple apreciación
cualitativa, resultando necesario un índice que permita caracterizar el fenómeno.
Se define al efecto como Índice de Humedad a la lluvia total registrada en un año determinado, dividida
por el Módulo Pluviométrico Anual Medio. Así, en primera instancia, se define un año seco/húmedo,
cuando su índice de humedad sea inferior o superior a 1, respectivamente.
Sin embargo, resulta necesario precisar este modo de clasificación, porque seguramente habrá años
más secos (o húmedos) que otros. Para ello se calcula la ley de distribución de las precipitaciones
anuales y usualmente se consideran los tipos año muy seco/seco/normal/húmedo/muy húmedo según
estén, respectivamente, en los siguientes intervalos de probabilidad:
Cuadro 9: Tipo de Año según las Precipitaciones
muy seco
seco
normal
húmedo
muy
húmedo
10
15
50
15
10
para una ley de distribución
normal
85 a 100%
para una distribución de
precipitaciones clasificadas,
con los valores ordenados de
menor a mayor.
0 a 15%
15 a 35%
Universidad Nacional de Cuyo
35 a 65%
65 a 85%
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5.b.1.ii.
5-13
Lluvia Media Mensual
Con el mismo criterio anterior, pueden calcularse las medias de las precipitaciones producidas en un
cierto mes, durante la misma serie de años. Este valor es la lluvia media mensual. La suma de las
lluvias medias mensuales de todos los meses del año deberá ser igual al módulo pluviométrico anual
medio. Se obtiene así una distribución de ese total medio a lo largo del año.
Para representar el régimen de lluvias en una estación meteorológica, es usual establecer el diagrama
(preferentemente escalonado) que represente las alturas de lluvia mensuales, para cada uno de los 12
meses del año.
Se da forma así a un año medio ficticio, donde la lluvia de cada mes es el promedio de los totales
mensuales registrados para dicho mes en el curso de los “n” años del período de observación.
Puede resultar muy representativo graficar en un único diagrama, conjuntamente con los valores de los
promedios mensuales, los valores extremos (máximo y mínimo) producidos en el período de “n” años
considerado.
Otra forma de poner en evidencia la distribución relativa de las lluvias mensuales y facilitar la
comparación de una estación a otra, es la de calcular los coeficientes pluviométricos mensuales, que
son las relaciones (en %) entre la lluvia media mensual del mes considerado y una precipitación
mensual ficticia, igual a 1/12 del módulo pluviométrico anual.
5.b.1.iii.
Lluvia Diaria
Tal como se refiriera en el apartado 5.a.5.ii, cuando la estación cuenta con un pluviómetro ordinario,
generalmente se hace una sola medida diaria. En las redes nacionales, esta medición se efectúa a la
misma hora todos los días (las 9:00 horas en nuestro país), a fin de homogeneizar los resultados.
De esta forma el valor que queda registrado para un día determinado es el que corresponde a la
precipitación recogida en el pluviómetro desde las 9 horas del día anterior hasta las 9 horas de ese día.
Conviene tener presente esta circunstancia, especialmente al comparar las medidas pluviométricas así
obtenidas con registros pluviográficos.
Si resulta necesario conocer detalladamente la distribución de esa precipitación a lo largo del día (dato
imprescindible, por ejemplo, para el análisis de tormentas intensas de corta duración), es necesario
instalar un pluviógrafo, cuya banda o registro constituye una curva diaria acumulada, de la cual se
deduce, no sólo el total de lluvia recogida, sino las cantidades recibidas en intervalos de tiempo tan
pequeños como se quiera (hasta del orden de los minutos), es decir la intensidad de la lluvia, la que se
expresa referida a mm/h, a fin de homogeneizar su interpretación. Si el intervalo fuese infinitésimo se
tendría la intensidad instantánea.
5.b.1.iv.
Irregularidad de las Precipitaciones
Si en la curva de precipitaciones anuales clasificadas se consideran los valores de las precipitaciones
en los que las probabilidades de aparición son 10% y 90% (valores que se designarán por H10 y H90
respectivamente), se denomina Índice de Irregularidad Intrínseca Anual de las precipitaciones en la
estación considerada (extensivo a la región de la cual sea representativa), a la relación:
I=
/112/
1 (H90 − H10 )
*
2
Hm
siendo:
Hm
Módulo Pluviométrico Anual Medio
En ciertas regiones de la Tierra, las lluvias en el curso de años sucesivos varían poco alrededor de su
valor medio; en tal caso la pluviosidad será llamada regular y el índice “I” será débil, del orden 0,2.
En otras regiones, por el contrario, las precipitaciones anuales son más dispersas y el índice puede
alcanzar valores de 0,7 a 0,8.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-14
5.b.2.CURVAS CARACTERISTICAS
5.b.2.i.
Curva de Masa
Se la define como la curva de precipitación acumulada en un determinado período, representada en un
sistema de ejes en que se grafican los valores del tiempo (usualmente horas) en abscisas y de
precipitación acumulada (mm) en ordenadas.
Este tipo de curvas es empleado generalmente para representar las características de las tormentas
consideradas en forma individual, obteniéndose los valores pertinentes en base a los registros de los
pluviógrafos.
Figura 33. Curva de Maza
32
30
28
26
24
Precipitación [ mm ]
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
T iempo [ min ]
80
90
100
La observación de la curva de masa indica claramente la intensidad y la variación en el tiempo de la
lluvia durante el transcurso de la tormenta, ya que la pendiente de aquélla en cualquier punto es
equivalente a la intensidad de la precipitación; además, los tramos en que la curva de masa se hace
horizontal indican períodos sin lluvia.
La pendiente de la recta trazada entre los puntos extremos de la curva de masa, permite obtener la
intensidad media de la precipitación producida por la tormenta, en el intervalo de tiempo
correspondiente a su duración.
Las curvas de masa de las lluvias producidas, constituyen la información más deseable a tener en cada
estación de la cuenca o zona bajo análisis; sin embargo para su obtención se requieren necesariamente
registros de pluviógrafos.
Figura 34. Curva de Maza Reconstruida para Pluviómetro
32
30
Pluviógrafo
28
26
24
Precipitación [ mm ]
22
20
18
16
14
Asumida
para
Pluviómetro
12
10
8
6
4
2
0
0
Universidad Nacional de Cuyo
10
20
30
40
50
60
T iempo [ min ]
Facultad de Ingeniería
70
80
90
100
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-15
Cuando, como suele ser frecuente, se cuenta con un cierto número de registros pluviométricos, que
corresponden sólo a la cantidad total de lluvia precipitada en un período determinado, una técnica
aceptable para “reconstruir” la curva de masa de tales estaciones, es la de adoptar la misma distribución
registrada en un pluviógrafo ubicado en la zona, supuesta homogénea en lo relativo a las características
de las precipitaciones. Para ello se afectan todas las ordenadas de la curva de masa disponible, por la
relación existente entre las precipitaciones totales registradas en ambas estaciones en el período
considerado.
5.b.2.ii.
Yetogramas
Se denomina yetograma (o hietograma o pluviograma) a la gráfica que representa en un sistema tiempo
(horas o minutos) en abscisas e intensidades de precipitación (mm/h) en ordenadas, la cantidad de
precipitación producida durante una tormenta dada.
Figura 35. Yetograma
50
45
40
Intensidad [ mm/h ]
35
30
25
20
15
10
5
0
0 1∆t2∆t3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Tiempo [ min ]
Si bien la configuración real de un yetograma tiende a una forma acampanada, a los fines de su
utilización práctica, se considera la precipitación constante (tomando el valor medio correspondiente)
para intervalos de tiempo preestablecidos, de duración menor a la total del aguacero, por lo que los
yetogramas adquieren una configuración escalonada. Los valores para su construcción se obtienen a
partir de los registros pluviográficos.
5.b.2.iii.
Curvas de Intensidad y Duración (ID)
Figura 36. Curva I-D
160
140
Intensidad [ mm/h ]
120
100
80
60
40
20
0
0
Universidad Nacional de Cuyo
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95
Tiempo [ min ]
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-16
A medida que se reduce el intervalo de tiempo, la intensidad máxima expresada en unidad constante
(por ejemplo mm/h) va creciendo. Esto es evidente para una misma tormenta y aplicable a una serie de
ellas registradas por un pluviógrafo en una misma estación. La forma de una curva ID se muestra en la
Figura 36.
5.b.2.iv.
Curvas de Intensidad, Duración y Frecuencia (IDF)
Cuando en una estación se dispone de una larga serie de años de registros, que incluyen tormentas de
diversa magnitud, se pueden trazar curvas intensidad/duración para distintas frecuencias, dando lugar a
las curvas conocidas como IDF, de fundamental aplicación en ingeniería hidrológica.
Por lo general se las grafica como una familia de curvas correspondientes a diversos tiempos de
recurrencia, referidas a un sistema de ejes que representa los tiempos en abscisas y las intensidades
de precipitación, en mm/h, en ordenadas (Figura 37).
En ocasiones se opta, para su representación, en asignar los tiempos a la familia de curvas, llevando
los tiempos de recurrencia sobre el eje de las x (Figura 38).
La técnica de las curvas de IDF, aunque antigua, resulta sumamente útil para realizar análisis puntuales
en estaciones que cuentan con registros pluviográficos de buena longitud, siendo de gran aplicación en
el dimensionado de obras hidráulicas que requieren contar con datos de este tipo.
El empleo de las curvas de IDF permite asimismo generalizar sus resultados mediante la combinación
de sus valores con el análisis de planos de isoyetas de las tormentas registradas en una cuenca o
región.
Figura 37. Curva I-D-F – Tormenta de Proyecto Mendoza
340
320
TR=5
300
TR=10
280
260
TR=25
Intensidad [ mm/h ]
240
TR=100
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
T iempo [ min ]
Los pasos a seguir para la construcción de las curvas de IDF para una estación dada son los siguientes:
a) Se seleccionan todas las precipitaciones intensas producidas durante los años del período de
que se disponen registros.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-17
b) Se debe conocer, para cada una de ellas, las horas de iniciación, la de finalización, y su curva de
masa.
c) Un análisis de las intensidades y duración de las tormentas registradas, permitirá determinar la
“duración tipo o “característica” de las precipitaciones intensas de la región. (Para las tormentas
registradas en el área del Gran Mendoza, la duración característica, que luego se adopta como
duración de las tormentas de proyecto para eventos de magnitud, es del orden de una hora).
Figura 38. Curva I-F-D
270
240
210
Intensidad [ mm/h ]
180
150
120
90
15 min
60
30 min
45 min
30
60 min
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
Tiem po Recurrencia [ Años ]
d) A partir de la curva de masa de cada una de las tormentas registradas según el paso a), se
determina la precipitación máxima (en mm), producida en intervalos crecientes de tiempo, cuyas
magnitudes se determinan en función de la duración característica.
Por ejemplo, para la duración referida en el punto b), pueden adoptarse como períodos de
duración creciente, 5, 10, 20, 30, 60, 90, etc. Para homogeneizar los cálculos se lleva luego cada
uno de estos valores a mm/h. Se obtienen así, para cada evento, las intensidades
correspondientes a períodos de duración creciente.
e) Se agrupan luego las intensidades expresadas en mm/h resultantes de la consideración de
todas las tormentas, por separado para cada uno de los períodos definidos de duración
creciente, obteniéndose así, en un cuadro comparativo, para cada duración, la serie de valores
registrados de intensidades de precipitación.
Independizando estos valores del año de ocurrencia de la tormenta, se obtienen para cada
duración, series parciales de lluvias máximas, en mm/h, que se ordenan luego en forma
decreciente.
f)
Sobre cada una de las series así conformadas, se aplica una ley probabilística de distribución de
valores extremo, que permite determinar los valores correspondientes a períodos de recurrencia
preestablecidos (200, 100, 50 años).
g) En función de los tiempos correspondientes a los períodos de duración creciente (t), de los
tiempos de recurrencia adoptados (Tr) y las intensidades horarias obtenidas por cálculo según el
paso e), se pueden trazar las representaciones de IDF.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-18
Las curvas IDF pueden regionalizarse para su aplicación a una zona abarcada por una cuenca o
conjunto de cuencas, en la que, si aquélla es pluviométricamente homogénea, se presentarán curvas
IDF de similares características en las distintas estaciones que ubiquen en la misma. En tal caso podrá
construirse una gráfica promedio representativa de la región.
5.b.3.ESTIMACION DE VALORES DE LAS VARIABLES PLUVIOMETRICAS
Para el estudio hidrológico de una determinada extensión superficial de terreno, es preciso estimar, a
partir de los datos (más o menos dispares) obtenidos en los puntos de observación de que se dispone,
valores que sean aplicables a la zona considerada en su conjunto.
Este es el caso que más frecuentemente se presenta en la práctica, y todo lo que a continuación se
expone para lluvias, es aplicable por analogía a las demás variables meteorológicas.
El primer paso es reunir los datos básicos meteorológicos y completar las series haciéndolas
homogéneas en tamaño y calidad por medio de procedimientos estadísticos.
La hipótesis básica es considerar aplicable el registro obtenido en un punto a toda un área más o menos
extensa según la densidad espacial de la red de observación. Determinar este dominio para cada
estación es un problema a resolver en cada caso particular, teniendo en cuenta para ello las
características del fenómeno meteorológico y de la zona en estudio.
Se citan a continuación los procedimientos más usuales.
5.b.3.i.
Lluvia Media en una Zona
Media Aritmética
Consiste en tomar como lluvia media de la zona (por lo general una cuenca determinada), la media
aritmética de las medidas obtenidas en los pluviómetros situados en ella.
Si bien la aproximación es escasa, el procedimiento puede ser de aplicación en zonas que reúnan
características suficientes de homogeneidad climática y física, cuando la distribución de las estaciones
sea tal que el valor medio difiera poco respecto al valor ponderado, cuando exista un elevado número
de estaciones, cuando la distribución areal de las precipitaciones sea relativamente uniforme o cuando
los datos básicos disponibles no justifiquen un procedimiento de ponderación.
Siendo P1,P2 ,K,Pn la lluvia recogida en los “n” pluviómetros de la zona en el mismo intervalo de tiempo
(una tormenta determinada, una estación lluviosa, un año calendario o hidrológico), la lluvia media para
la zona es:
n
/113/
PA =
∑ Pi
i =1
n
Método de los Polígonos de Thiessen
Este método trata de tomar en consideración la eventual falta de uniformidad en la distribución de los
pluviómetros, asignando como dominio a cada uno de ellos un polígono convexo que lo rodea.
Para el trazado de los polígonos, primero se debe trazar la denominada Red de Triángulos Irregulares
(conocida como TIN por sus siglas inglesas de Triangular Irregular Network) la que se logra uniendo,
con segmentos rectos, la posición de cada pluviógrafo con los otros pluviógrafos más cercanos.
Posteriormente se trazan las mediatrices correspondientes a cada triángulo dibujado. En los polígonos
externos se continúan estas mediatrices hasta el exterior del límite de la cuenca. En estos polígonos
limítrofes se deberá considerar solamente el área interior a la zona, pero para su dibujo pueden tenerse
en cuenta pluviómetros exteriores a ella.
Si las lluvias, medidas por los pluviómetros G1, G2 ,K, Gn en el intervalo de tiempo común considerado,
son P1,P2 ,K,Pn y las áreas respectivas de los dominios poligonales asignadas a cada uno son
A1, A 2 ,K, A n , la lluvia media será:
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-19
n
n
/114/
PT =
∑ Pi * A i ∑ Pi * A i
i =1
n
∑ Ai
=
i =1
A
n
= ∑ Pi *
i =1
Ai
A
i =1
Figura 39. Polígonos de Thiessen
Los resultados son buenos en zonas llanas, con pluviometría de distribución bastante homogénea.
Método de las Curvas Isoyetas
Volcando en un plano la ubicación de los pluviómetros y las respectivas cantidades de lluvia recogidas,
el método consiste en interpolar líneas de igual precipitación (a las que se denomina isoyetas o
isohietas) de acuerdo con estos valores.
Figura 40. Curvas Isoyetas
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-20
Para el trazado de las isoyetas no suele ser suficiente por lo general una simple interpelación lineal sino
que deberán tenerse en cuenta las características de ubicación de cada pluviómetro (situación,
vegetación circundante, altitud, topografía, etc.), y según ellas se procederá a efectuar una interpelación
racional.
Sean P1,P2 ,K,Pn los valores asignados a cada isoyeta y A 1, A 2 ,K, A n −1 las áreas entre las isoyetas
P1 − P2 ,P2 − P3 ,K,Pn −1 − Pn .
La lluvia en la cuenca o área considerada será:
n
PT =
/115/
n
1
∑ 2 * (Pi −1 + Pi ) * A i −1 ∑ (Pi −1 + Pi ) * A i −1
i=2
=
n
∑ A i −1
i=2
2*A
i=2
Existirá duda en la lluvia que corresponde al área situada entre las isoyetas extremas y el límite de la
zona. Puede adoptarse como valor el de P de esas isoyetas extremas y añadir en el numerador de la
/115/ el sumando correspondiente, o bien tomar como valor de esas áreas la media aritmética de los
valores obtenidos en los pluviómetros que contienen.
El método de las curvas isoyetas es el que da resultados más aceptables, pero el carácter subjetivo del
dibujo de las mismas hace necesario que se posea para ello un buen conocimiento de las
características climáticas y físicas de la zona.
5.b.3.ii.
Análisis de Área/Duración/Profundidad
A pesar que muchos problemas de hidrología requieren un análisis de la distribución temporal y espacial
de las precipitaciones en una tormenta, los mismos no se encuentran tan desarrollados como los
correspondientes a las precipitaciones puntuales.
En el caso de tormentas que presentan un rápido decrecimiento desde el núcleo central, donde la
precipitación alcanza su valor máximo (caso característico de las precipitaciones convectivas), la lluvia
media decrece a medida que aumenta la superficie de la zona de incidencia considerada.
Figura 41. Curvas A-D-P
100
15 min
30 min
60 min
90
80
Precipitación [ mm ]
70
60
50
40
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Área [ km2 ]
Para su aplicación al estudio de eventos extremos, se suelen construir al efecto curvas
área/duración/profundidad, las cuales corresponden a distintas duraciones de tormentas, que se
grafican en un sistema de ejes en el que, en ordenadas se representan, ya sea los valores de las alturas
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-21
(o profundidades o láminas) de precipitación o bien el porcentaje referido a la lluvia puntual máxima,
mientras que, en abscisas se llevan las áreas sobre las cuales tales valores de láminas corresponden a
la precipitación media.
Pueden determinarse así las cantidades máximas de lluvia, que como precipitación media, caen en
áreas de diferentes extensiones, ante la ocurrencia de tormentas de distinta duración.
Para su construcción se requiere contar con una red de pluviógrafos instalada en la zona bajo estudio, y
efectuar un análisis criterioso de la configuración (en alturas de lámina, forma y extensión) de las
isoyetas de todas las tormentas registradas.
5.b.3.iii.
Patrón de Isoyetas Standard
A los efectos de su aplicación en modelos lluvia/escorrentía, resulta fundamental caracterizar la
distribución areal que puede atribuirse a las tormentas que constituirán la variable de ingreso I = f(t ) al
modelo, en función de las respectivas láminas de precipitación.
Para su determinación, se recurre a efectuar el trazado de las isoyetas correspondientes a las
tormentas de mayor intensidad y mayor extensión que se hayan registrado en la región bajo estudio.
De la evaluación comparativa de las tormentas con características como las referidas, se ha observado
la tendencia a que las isoyetas de las grandes precipitaciones adoptan una configuración que se ajusta
muy aproximadamente a un conjunto de elipses concéntricas.
La propia OMM recomienda tal esquema teórico como Patrón de Isoyetas Standard para representar la
distribución areal de las grandes precipitaciones.
Figura 42. Patrón de Isoyetas Standard (a/b = 1.5)
Las áreas de las sucesivas elipses y las longitudes de sus ejes mayores y menores deben determinarse
en función de las características particulares que en el área de futura aplicación del patrón de isoyetas,
se hayan registrado para las tormentas de mayor extensión.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I
Unidad 5
5-22
El gradiente de las precipitaciones (en mm) que corresponde a la sucesión de isoyetas, puede
establecerse, ya sea como un porcentaje de la precipitación máxima, o manteniendo el mismo intervalo
que el registrado para situaciones reales.
Finalmente, la altura de precipitación que corresponde a cada isoyeta (o sea a las sucesivas elipses), se
determina en cada caso particular de acuerdo al tiempo de recurrencia para el cual se desea construir la
tormenta, función a su vez del objeto del diseño hidrológico o hidráulico bajo estudio.
Otra forma indirecta de efectuar el trazado del Patrón de Isoyetas Standard es adoptando una sucesión
creciente de superficies, determinando para cada una de ellas la precipitación que le corresponde
mediante el empleo de la curva Área/Duración/Profundidad (que arroja un valor de precipitación menor
a medida que aumenta la extensión considerada). Para cada superficie, pueden determinarse las
características geométricas de las elipses asociadas, teniendo en cuenta que:
/116/
S = π*a*b
siendo a y b las longitudes de los semiejes mayor y menor, respectivamente.
Para efectuar su trazado se requiere conocer como condición complementaria, la relación entre a y b, la
que puede establecerse mediante la valoración comparativa de la configuración de isoyetas construidas
con los registros pluviométricos reales de tormentas producidas sobre el área. Como valor de
referencia, el Patrón de Isoyetas Standard elaborado para la región ubicada al este del meridiano 105°
de los EE.UU. establece como relación a = 2,5 b.
Cabe tener presente que el empleo del Patrón de Isoyetas se torna inaplicable cuando los núcleos son
relativamente pequeños en comparación con el área de la cuenca que se analiza, pues la precipitación
promedio sobre la misma disminuirá rápidamente, invalidando completamente su utilización.
En tales circunstancias deberá optarse por:
a) Subdividir el área total en subcuencas de superficies comparables con la extensión del grupo de
elipses centrales de la plantilla, y efectuar luego el traslado de los escurrimientos generados, a lo
largo de los cauces principales.
b) Considerar como Patrón de Isoyetas Standard dos (o más) familias de elipses, cuyas distancias
mínimas entre centros e intensidades relativas, deberán surgir del análisis de tormentas reales
registradas por la red pluviométrica de la región.
Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Cátedra: Hidrología I