Curso de Hidrología Aplicada
Sistema Hidrológico
SISTEMA
HIDROLOGICO
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Sistema Hidrológico
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
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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
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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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