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HIDROLOGÍA EN LA INGENIERÍA HIDROLOGÍA EN LA INGENIERÍA 2 a E dición Germán Monsalve Sáenz Hi Hidrologíaen laIngeniería ©Germán Monsalve onsalveSáenz Sáenz ©Escuela Escuela Colombiana Colombiana de de Ingenierí Ingenieríaa 2a. edición Diseñode decubierta cubierta:: Mariana arianaLópezBeníte Benítezz ®19 1999 99ALFAOMEG ALFAOMEGA AGRUPO GRUPOEDITOR EDITOR,,S. A.de deC. C. V. Pit Pitágo ágora rass 113 139, 9,Col. DelValle, 031 03100 00México, México,D.F D.F.. Miembro iembrode la Cámara Cámara Nacional Nacional de de la Indust Industririaa Editorial Editorial Registro RegistroNo. 23 2317 17 Internet: http://www.alfaomega.com.mx ISBN970-15-0404-é Derechos reservados. ción en lenguaespañola han sido sido legalm legalmente ente transferidos al editor. Pro Pro hibida su reproducción reproducción parcial parcial o total por por cualquier medio medio sin sin permiso permiso ppoor escrito del propieta ietarrio delosderechos del copyright. Prólogo Prólog o de la Editori Editorial al La Escuela Colombiana de Ingeniería ha publicado recientemente obras en e n las áreas de ingeniería ambiental, ambiental, ingeniería ingeniería sanitaria e in in geniería civil, civil, cuyo cuyoss autores auto res ocupan cargos docentes docentes,, se han ha n dedica d o a la investigación investigación en la especialidad especialidad y cuentan con con avalada experiencia experiencia en el ámbito profesional. Estas obras han sid s idoo concebi concebi das acorde con las necesidades del entorn en tornoo latinoam latinoamericano ericano.. Alfaomega Grupo Editor, consciente con su misión de empresa comprometida co mprometida con una un a mejor mejor formación científica científica y tecnológica, tecnológica, siempre con miras a dar una amplia difusión a obras obras que por po r su ca lidad lid ad intrínseca intrínseca y alcance alcance así lo ameriten, ha realizado u n convenio convenio d e coediciones co conn la Escu Escuel elaa Colombiana Colombiana de Ingeniería Ingeniería para ofrecer estos libros a través tr avés de sus s us canales canales de distribución a estudiantes, estudiantes, pro fesore fesores, s, profesionales profesionales y técnicos d e Ibero Iberoam améric érica. a. En estas coediciones, coediciones, se ha reproducido reproducid o intacta la obra original; sin embargo, la utilización utilización de d e algunos términos términos difieren en los países pa íses de habla hispana. hispana. Se consideró que lo anterior no representa un grave proble problema ma porque las difere diferenc ncia iass encontradas encontradas son mínim mínimas as y compren compren sibles para cualquie cu alquierr estudiante estu diante en estos niveles de la ingenie ingeniería. ría. "Hay cuatro tipos de personas: aquéllas que se sientan en silencioy no hacen nada; aquéllas que hablan de sentarse en silencio sm hacer nada; aquéllas que hablan sobre hacer cosas, y aquéllas que hacen cosas". Proverbio Contenido Capitulo i. hidrología 1.1 Definición 1.2 Ciclo hidrológico 12.1 Definiciones 12.2 Esquema del ciclohidrológico 1.3 Distribución del aguatotal en b Tierra de acuerdo con su naturaleza 1.4 Ecuación fundamental de la hidrologb 13 Historia de la hidrologb 1.6 Aplicacionesde la hidrologb Capitulo 2. Cuencas Hidrográficas 2.1 Generalidades 22 Regiones hidrológicas 22.1 Hoya hidrográfica 22.2 Divisorias 22.3 Clasificaciónde los cursos de agua 2.3 Características físicasde una hoya hidrográfica 2.3.1 Areade drenaje (A) 2.3.2 Forma de la hoya 2.3.2.1 índicede Graveliuso coeficiente de compacidad (Kc) 2.32.2 Factor de forma (Kf) 2.3.3 Sistemade drenaje 2.3.3.1 Orden de lascorrientes de agua 2.3.3.2 Densidad de drenaje (Dd) 2.3.3.3 Extensión media de la escorrenoa superficial 2.3.3.4 Sinuosidadde lascorrientes de agua 21 21 22 25 25 26 26 3.6. Variación de la precipitación 3.6.1 Variación geográfica 3.6.2 Variación temporal 3.7. Precipitación media sobre una hoya 3.7.1 Método aritmético 3.7.2 Método de polígonosde Thiessen 3.7.3 Método de isoyetas 3.8. Análisis de lluvias intensas 3.8.1 Variación de la intensidad con la duración 3.8.2 Variación de la intensidad con lafrecuencia 3.8.2.1 Seriesanuales y series parciales 3.8.2.2 Relación intensidad-frecuencia 3.8.3 Relaciónintensidad-duración-frccucncia 3.8.4 Estudio de intensidades 3.8.4.2 Estudio de intensidades de lluvia en una cuenca 106 106 106 106 106 106 107 108 108 108 108 109 110 114 115 Anexo Capitulo 3. AnAlisisde Frecuencias Hidrológicas________________________________________ 117 I Introducción IIDistribución normal IIIDistribución logarítmico-normal (log-normal) IVDistribución Pearson tipo III VDistribución log-Pearson upo III VIDistribución Gumbel 119 120 121 121 123 126 Capitulo4. Infiltración 4.1 Generalidades 4.2 Distribución de la precipitación en el suelo 4.3 Parámetros característicos de la infiltración 4.3.1 Capacidadde infiltración o tasa de infiltración 4.3.2 Velocidadde infiltración 4.4 Métodos de medición de la capacidad de infiltración 4.4.1 Infiltrómetros 4.4.2 Medida de la capacidad de infiltración en una hoyapor medio de la separaciónde las componentes del hidrograma 4.5. Factores que intervienen en la capacidad de infiltración 4.6. Ecuaciónde la curva de capacidadde infiltración contra tiempo 4.7. Indice ó de infiltración 131 131 134 134 134 135 135 137 137 139 140 Capitulo 5. EvaporaciónyEvapotranspiración 143 5.1 Introducción 5.2 Definición y factores físicos 145 145 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 Definición Interpretaciónde!fenómeno Explicacióndel fenómeno Condiciones básicaspara !aocurrencia 5.3 Influencias meteorológicas P 5.3.1 Temperatura de la superficie 5.3.2 Temperatura y humedaddel aire 5.3.3 Viento 5.3.4 Otros 5.4 Definiciones básicas 5.4.1 Evaporaciónpotencial 5.4.2 Transpiración 5.4.3 Evapotranspiración 5.4.3.1 Evapotranspiraciónpotencial 5.4.3.2 Evapotranspiraciónreal 5.5 Fórmula general de evaporación 5.6 Determinación de evaporacióny evapotranspiración 5.6.1 Métodos deestimación 5.6.1.1 Métodoaerodinámico 5.6.1.2 Métodode balanceenergético 5.6.1.3 Métodode Penman 5.6.1.4 Métodode Thorntwaitc 5.6.1.5 Métodode Blancyy Criddle 5.6.1.6 Fórmulade Ture 5.6.2 Métodos de medida 5.6.2.1 Aparatos 5.6.2.2 Métodode balancehídrico Capitulo6. EscorrentIaSuperficial___________ 146 146 147 148 148 149 149 149 149 149 150 150 150 150 151 151 151 154 166 166 170 171 171 172 175 6.2.2.3 Determinación del punto E de inicio de la curva de agotamiento 6.2.3 Curva de agotamiento de agua de un acuífero 6.2.4 Clasificación de crecientes 6.3 Medidas de caudales 6.3.1 Vertederos 6.3.2 Molinetes 6.3.3 Curva de calibración de caudales líquidos 6.3.4 Establecimiento de estaciones hidromctricas 6.4 Estimación de la escorrentía superficial a través de los datos de lluvia 6.4.1 Fórmula racional 6.4.2 Fórmulas empíricas 6.4.3 Hidrogramaunitario de una hoya 6.4.3.1 Definición 6.4.3.2 Generalidades 6.4.3.2.1 Teoría clásica de lincaridad 6.4J.2.2 Hidrogramas unitarios producidos por una lluvia neta de 1 mm de altura 6.4.3.3 Duraciónde la lluvia neta 6.4.3.4 Tiempode retardo de la hoya 6.4.3.5 Duración crítica de la lluvia neta adoptada en la definición del hidrograma unitario 6.4.3.6 Curvas S y la transformación de hidrogramas 6.4.3.6.1 Definición 6.4.3.6.2 Procedimiento 6.4.3.6.3 Determinación de la duración crítica de la lluvia neta por mediode la utilización de las curvas S 6.4.3.7 Ejemplos de cálculos analíticos de curvas S 6.4.3.7.1 Caso en que la duración de la lluvia neta ti es igual al intervalo de tiempo At para descripción del hidrograma unitario (casol) 6.4.3.7J Caso en que la duración de la lluvia neu ti es diferente y mayor del intervalo de dempo At para descripción del hidrograma unitario (caso 2) 6.4.3.8 Ejemplos de cálculos analíticos de hidrogramas unitarios 6.4.3.8.1 Ejemplo 1 6.4.3.8.2 Ejemplo 2 6.4.3.9 Hidrogramaunitariosintérico-Métodode Snydcr 6.4.3.10 Gráfica de distribución Capítulo 7. Estimaciónde Crecientes 188 192 192 193 193 195 196 198 198 198 200 201 201 201 201 204 206 206 206 207 207 208 210 210 211 212 215 215 217 219 222 HlDBOlQOlAENtAiHOBtIBtU 72 73. 7.4. 73 7.6 7.1.1 Cálculode un 7.1.2 Pronósticode crecientes Periodode retorno, T Análisis de la naturaleza de los datos de caudal 7.3.1 Diversos métodos de distribuciónde caudales máximos 7.3.2 Método de Fullcr Métodos de pronóstico de crecientes basados en datos de lluvia 7.4.1 Hidrograma unitario 7.4.2 Fórmula racional 7.43.1 General 7.4.2.2 Lluvia total crítica media sobre una hoya 7.4.2.3 Métodos para elcálculodel tiempo de concentración Fórmulas empíricas para cálculo de caudales de creciente 7.5.1 Fórmula de Burkli - Ziegler 7.5.2 Fórmula de Kresnik 7.5.3 Fórmula de Creager 7.5.4 Fórmula de Baird y Mclllwrsith Control de las crecientes e inundaciones 7.6.1 Introducción 7.6.2 Causas de lascrecientes 7.6.3 Métodos de combate contra las crecientes 7.6.3.1 Construcciónde embalses 7.6.3.2 Mejoramiento de canales 7.63.3 Desviación haciaotra hoya 7.6.4 Legislación adecuadaen el control de crecientes 7.6.5 Sistema dealarmaen el control de crecientes Capitulo 8. Propagaciónde Crecientes_________________ 8.1 Generalidades 8.2 Propagación de crecientes a través deembalses 8.2.1 Consideracionesteóricas 8.2.2 Consideracionesprácticas 8.2.2.1 Análisis teórico 8.2.2.2 Análisis práctico 8.2.23 Rebosadero con compuertas 83 Propagación de crecientes en ríos y canales 8.3.1 Consideraciones teóricas 8.3.2 Métodode Muskingum 8.3.2.1 Descripción 8.3.2.2 Formulación de la forma de trabajo de laecuación de tránsitode Muskingum 8.3.23 Estimacionesde k y X 83.2.4 Guías generales 8.3.2.S Ejemplo de procedimiento de cálculométodo de Muskingum Capitulo 9. RégimendeCorrientesde Agua________________ 27i 9.1 Generalidades 9.1.1 Factores geológicos 9.1.2 Factores pluviométricos 9.1.3 Otros factores 9.15.1 Humedad del suelo 9.1.3.2 Temperatura 9.1.3.3 Topografía 9.1.3.4 Tipo de vegetación 9.1.3.5 Forma de la hoya 9.1.3.6 Dirección de la lluviaasociada a la forma de la hoya, cadenas de montañas, vientos predominantes, etc. 9.2 Diagrama de frecuencias 9.3 Curva de duración o permanencia de caudales 9.3.1 Definición 9.3.2 Utilización de curvas de duración de caudales paradeducciónde características de cuencas hidrográficas 9.3.3 Extensión decurva de duración de caudales de período de registro corto a período de registrolargo 9.3.4 Determinación de una curvade duración de caudales en una hoyahidrográfica encasode inexistencia de datos de caudal 9.4 Curva de utilización 95 Caudales y volúmenes perdidos y deficitarios 9.5.1 Caudal y volumen perdido promedio 9.5.2 Caudal y volumen deficitariopromedio 9.5.3 Relaciones caudal dcrivablc contra caudal medio utilizablc, caudal medio perdidoy caudal mediodeficitario Capitulo 10. Regulación de Caudales y Controlde SequIas_______________________ 10.1 Generalidades 10.2 Cálculo del volumen de un embalse para atender a una ley de regulación 10.2.1 Método analítico 10.2.2 Diagrama de masas 10.3. Volúmenes actuales deembalse 10.3.1 Métodoanalítico 10.3.2 Diagramade masas 10.4. Regulación máxima 105. Control de sequías 273 274 274 275 275 275 275 275 275 275 275 278 278 279 281 282 283 284 285 285 286 289 291 292 292 294 297 297 297 300 301 CAPfruLQll. Generación Sintéticade Caudales_____________ 305 11.1. Generalidades 11J. Procedimiento de Monte-Cario 307 307 HlpntXQ0iAEHlAlMQ6MgllA 11.}. Fenómeno de persistencia 11.4. Modelo de Thomas-Fiering 113. Oleos modelos 11.6. Generación de números aleatorios 11.6.1 Números distribuidos uniformemente 11.6.2 Números normalmente distribuidos 11.7 Ejemplo de generaciónsintética de caudales anuales Capitulo 12. Transportede Sedimentos 12.1 Introducción 12.2 Hidráulica de canales erosionables 12.3 Transporte sólido 12.3.1 Transporte de sedimentosen suspensión 12.3.2 Transporte de sedimentosde fondo 12.3.3 Clasificacióndel transporte de sedimentos segúnmecanismoysegúnorigen 12.3.4 Tasa de abastecimientode sedimento y capacidadde flujoparatransportarlo 12.3.5 Fórmulas de transporte de material defondo 12.3.6 Fórmulade Laurscnpara transporte total 12.3.7 Conclusiones 12.4 Medidas de concentración desedimentos 12.4.1 Muestrcadorcs de sedimentos en suspensión 12.4.2 Mucstreadores de sedimento depositadoen el lechode los ríos 12.4.3 Medida de la carga total de sedimento por eliminación delsedimentodel lecho 123. Colmatacióndeembalses Capitulo 13. AguasSubterráneas_________________ 13.1 Generalidades 13.2 Modos deocurrencia deaguas subterráneas 13.2.1 Acuífero freático 13.2.2 Acuífero artesiano 133 Coeficientes que definen un acuífero 13.3.1 Coeficiente de transmisibilidad (T) 13.3.2 Coeficiente de almacenamiento (S) 13.4 Determinación de loscoeficientes de Almacenamiento (S) y transmisibilidad (T) 13.4.1 Lincamientosteóricos 13.4.2 Ejemplo Capitulo 14. Hidrometríae Instrumentación Referencias Bibliográficas Prefacio r U I libro Hidrología en la Ingeniería se ofrece, en primer lugar, I -3*wcom0 text0 Para estudiantes de cursos de hidrología en los niveles ' Ide pregrado y posgrado en las carreras de ingeniería civil, ingenie ría agrícola, ingeniería forestal, agronomía y ciencias afines y, en segundo lugar, como guía de diseño para hidrólogos dedicados a la consultoría. El libro cubre los elementos básicos del ciclo hidrológico, describiendo los principios científicos que gobiernan los fenómenos hidrológicos, y adicionalmente presenta las técnicas más utilizadas en la práctica respecto a la cuantificación de tales fenómenos aplicada a la solución de problemas en ingeniería. El texto, de acuerdo con la experiencia del autor en los campos de la hidrología, la hidráulica y los recursos hidráulicos, y la revi sión bibliográfica pertinente, expone de manera balanceada el tratamiento y la cuantificación de las diferentes componentes del referido ciclo hi drológico, y trata problemas específicos de hidrología aplicada, tales como el cálculo de crecientes y su tránsito a través de embalses y corrien tes de agua, el dimensionamiento de bocatomas y embalses, la generación sintética de caudales y el aprovechamiento de aguas subterráneas. El au tor considera que una adecuada utilización de este libro redundará en mejores y más económicos diseños de obras civiles en Colombia. En los capítulos Nos. 1 a 6 se tratan los principios y componentes bási cos del ciclo hidrológico, cubriendo respectivamente el ciclo hidrológico propiamente dicho, las características de las cuencas hidrográficas como unidades superficiales básicas para la cuantificación de los diferentes pa rámetros hidrológicos, y los fenómenos de precipitación, infiltración, evaporación y evapotranspiración, y escorrentía superficial. En los capí tulos Nos. 7 a 13 se estudian problemas de hidrología aplicados a la inge niería, abarcando en su orden los temas de estimación de crecientes y su propagación a través de embalses y corrientes naturales de agua, el régi men de corrientes de agua relacionadocon el diseño de bocatomas, la re gulación de caudales y el control de sequías a través de embalses, la generación sintética de caudales, el transporte de sedimentos en corrien tes de agua y el depósito de éstos en embalses, y el aprovechamiento de aguas subterráneas. Finalmente, en el capítulo No, 15 se mencionan los principales aparatos de medidas climatológicas e hidromelricas. Debido a la gran extensión de los temas tratados por el libro y del desa rrollo de las metodologías para la cuantificación tanto de los diferentes parámetros hidrológicos como de los problemas de hidrología aplicada propiamente dichos, no ha sido posible incluir ejemplos prácticos en los diferentes capítulos. Se espera que en un futuro próximo la obra pueda ser suplcmcntada con ejercicios prácticos que involucren la definición de parámetros hidrológicos para diseños de obras civiles. Muchas personas colaboraron en la edición de este libro, a quienes deseo expresar mi gratitud. Agradezco especialmente a la Escuela Colombiana de Ingeniería la oportunidad de publicar este libro, del cual sinceramente espero que sea de gran utilidad como texto universitario y como obra de consulta a nivel profesional para todas aquellas personas relacionadas con diseños de obras hidráulicas. Dedico este libro a mi esposa Claudia y a mis hijos Alejandro, Daniel y
