desarrollo trabajo de hidrologia
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Instituto Universitario Politécnico
“Santiago Mariño”
Sede: Barcelona
Cátedra: Hidrología
Especialidad: Ing. Civil
HIDROLOGIA
Profesora: Bachilleres:
Jiménez Yonetzy C.I: 20.632.415
González joselyn C.I: 21.436.028
Soto Rosangela C.I: 20.053.581
Lastra Maholi C.I: 24.225.458
Cabrera Héctor C.I: 19.963.348
Pérez Withneidy C.I 21.035.328
Gómez José CI:
Sección: CN
Barcelona, Noviembre 2013
INTRODUCCION
El ciclo del agua, o Ciclo Hidrológico, explica el campo de aplicación de la Hidrología y
su relación con otras disciplinas como son la Meteorología, la Oceanografía, la Hidráulica,
la Geotecnia, y las Ciencias naturales, etc.
Las personas interfieren el ciclo del agua para sus propias necesidades, el agua es
desviada temporalmente de una parte del ciclo, ya sea extrayéndola del suelo o
tomándola de un río o lago, esa agua es usada para diversas actividades en el hogar, los
negocios y en las industrias; para el transporte de los desechos a través de las cloacas;
para la irrigación de fincas y plazas; y para la producción de energía eléctrica.
DESARROLLO
Fenómenos Hidrológicos
Los fenómenos hidrológicos son aquellos que tienen una relación directa
con el agua líquida, evaporada o sólida; estos tipos de fenómenos naturales
pueden tomar lugar en los lagos, ríos, lagunas, mares y en los océanos; estos
tipos de fenómenos naturales si se presentan en altamar, pueden voltear las
embarcaciones o navíos enormes; pero la fuerza es mucho más destructiva en las
costas de las playas o bahías de un país o estado; estos desastres no solo
devastan la vida humana, también la vida marina y la terrestre.
Desastres generados por fenómenos hidrológicos
Inundación : Invasión lenta o violenta de aguas de río, lagunas o lagos, debido a
fuertes precipitaciones fluviales o rupturas de embalses, causando daños
considerables. Se pueden presentar en forma lenta o gradual en llanuras y de
forma violenta o súbita en regiones montañosas de alta pendiente.
Sequías : Deficiencia de humedad en la atmósfera por precipitaciones pluviales
irregulares o insuficientes, inadecuado uso de las aguas subterráneas, depósitos
de agua o sistemas de irrigación.
Heladas : Producida por las bajas temperaturas, causando daño a las plantas y
animales.
Tormentas : Fenómeno atmosférico producido por descargas eléctricas en la
atmósfera.
Granizada : Precipitación de agua en forma de gotas sólidas de hielo.
Tornados : Vientos huracanados que se producen en forma giratoria a grandes
velocidades.
Huracanes : Son vientos que sobrepasan más 145 mph como consecuencia de la
interacción del aire caliente y húmedo, que viene del océano o Atlántico, con el
aire frío.
Ciclo hidrológico
El ciclo hidrológico o ciclo del agua es el proceso de circulación agua entre
los distintos compartimentos de la hidrósfera, se trata de un ciclo en el que hay
una intervención de reacciones químicas, y el agua se traslada de unos lugares a
otros o cambia de estado físico.
El agua de la hidrósfera procede de la desgasificación del manto, donde
tiene una presencia significativa, por los procesos del vulcanismo. Una parte del
agua puede reincorporarse al manto con los sedimentos oceánicos de los que
forma parte cuando éstos acompañan a la litosfera en subducción.
La mayor parte de la masa del agua se encuentra en forma líquida, sobre
todo en los océanos y mares y en menor medida en forma de agua subterránea o
de agua superficial por ejemplo en los ríos y arroyos, el segundo compartimento
por su importancia es el del agua acumulada como hielo sobre todo en
los casquetes glaciares antártico y groenlandés, con una participación pequeña de
los glaciares de montaña, sobre todo de las latitudes altas y medias, y banquisa.
Por último, una fracción menor está presente en atmósfera como vapor o,
en estado gaseoso, como nubes, esta fracción atmosférica es sin embargo muy
importante para el intercambio entre compartimentos y para la circulación del
agua, de manera que se asegura un suministro permanente a las regiones de la
superficie continental alejadas de los depósitos principales.
Fases del ciclo hidrológico:
El ciclo del agua tiene una interacción constante con el ecosistema ya que
los seres vivos dependen de esta para sobrevivir, y a su vez ayudan al
funcionamiento del mismo. Por su parte, el ciclo hidrológico presenta cierta
dependencia de una atmósfera poco contaminada y de un grado de pureza del
agua para su desarrollo convencional, y de otra manera el ciclo se entorpecería
por el cambio en los tiempos de evaporación, condensación.
Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son:
Evaporación : El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie y
por los organismos, en transpiración en plantas y sudoración en animales.
Los seres, especialmente las plantas, contribuyen con un 10 % al agua que se
incorpora a la atmósfera. En el mismo capítulo podemos situar la sublimación,
cuantitativamente muy poco importante, que ocurre en la superficie helada de los
glaciares o la banquisa.
Condensación : El agua en forma de vapor sube y se condensa formando
las nubes, constituidas por agua en pequeñas gotas.
Precipitación : Se produce cuando las gotas de agua que forman las nubes se
enfrían acelerándose la condensación y uniéndose las gotitas de agua para formar
gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su
mayor peso. La precipitación puede ser sólida (nieve o granizo) o líquida (lluvia).
Infiltración : Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de
sus poros y pasa a ser subterránea. La proporción de agua que se infiltra y la que
circula en superficie (escorrentía) depende de la permeabilidad del sustrato, de la
pendiente y de la cobertura vegetal. Parte del agua infiltrada vuelve a la atmósfera
por evaporación o, más aún, por la transpiración de las plantas, que la extraen con
raíces más o menos extensas y profundas. Otra parte se incorpora a los acuíferos,
niveles que contienen agua estancada o circulante. Parte del agua subterránea
alcanza la superficie allí donde los acuíferos, por las circunstancias topográficas,
intersecan (es decir, cortan) la superficie del terreno.
Escorrentía : Este término se refiere a los diversos medios por los que el agua
líquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas no
excepcionalmente secos, incluidos la mayoría de los llamados desérticos, la
escorrentía es el principal agente geológico de erosión y de transporte
de sedimentos.
Circulación subterránea : Se produce a favor de la gravedad, como la escorrentía
superficial, de la que se puede considerar una versión. Se presenta en dos
modalidades:
a) Primero, la que se da en la zona vadosa, especialmente en rocas certificadas,
como son a menudo las calizas, y es una circulación siempre pendiente abajo.
b) Segundo, la que ocurre en los acuíferos en forma de agua intersticial que llena
los poros de una roca permeable, de la cual puede incluso remontar por
fenómenos en los que intervienen la presión y la capilaridad.
Fusión : Este cambio de estado se produce cuando la nieve pasa a estado líquido
al producirse el deshielo.
Solidificación : Al disminuir la temperatura en el interior de una nube por debajo
de 0 °C, el vapor de agua o el agua misma se congelan, precipitándose en forma
de nieve o granizo, siendo la principal diferencia entre los dos conceptos que en el
caso de la nieve se trata de una solidificación del agua de la nube que se presenta
por lo general a baja altura, al irse congelando la humedad y las pequeñas gotas
de agua de la nube, se forman copos de nieve, cristales de hielo polimórficos (es
decir, que adoptan numerosas formas visibles al microscopio), mientras que en el
caso del granizo, es el ascenso rápido de las gotas de agua que forman una nube
lo que da origen a la formación de hielo, el cual va formando el granizo y
aumentando de tamaño con ese ascenso.
Cuando sobre la superficie del mar se produce una manga de agua (especie de
tornado que se produce sobre la superficie del mar cuando está muy caldeada por
el sol) este hielo se origina en el ascenso de agua por adherencia del vapor y agua
al núcleo congelado de las grandes gotas de agua.
El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente por lo que nunca se
termina, ni se agota el agua.
Una estación hidrológica
Es el lugar donde se efectúan observaciones hidrológicas o climatológicas
para fines hidrológicos.
Una estación meteorológica es una instalación destinada a medir y
registrar regularmente diversas variables meteorológicas. Estos datos se utilizan
tanto para la elaboración de predicciones meteorológicas a partir de modelos
numéricos como para estudios climáticos.
Cómo funciona:
La mayor parte de la estación meteorológica está automatizada requiriendo
un mantenimiento ocasional. Existen observatorios meteorológicos sinópticos, que
cuentan con personal (observadores), de forma que además de los datos
anteriormente señalados se pueden recoger aquellos relativos a nubes, visibilidad
y tiempo presente y pasado. La recogida de estos datos se denomina
observaciones sinópticas.
Para la medida de variables en mares y océanos se utilizan sistemas
dispuestos en boyas meteorológicas.
Otras instalaciones meteorológicas menos comunes disponen de
instrumental de sondeo remoto como radar meteorológico para medir la
turbulencia atmosférica y la actividad de tormentas. Estas y otras variables pueden
obtenerse mediante el uso de globos sonda.
Los instrumentos comunes y variables de una estación hidrológica
Termómetro: Instrumento que mide la temperatura en diversas horas del día.
Termómetros de subsuelo (geotermómetro) para medir la temperatura a 5, 10, 20,
50 y 100 cm de profundidad.
Termómetro de mínima junto al suelo, mide la temperatura mínima a una distancia
de 15 cm sobre el suelo.
Termógrafo: registra automáticamente las fluctuaciones de la temperatura.
Barómetro: medida de presión atmosférica en la superficie.
Pluviómetro: medida de la cantidad de agua caída sobre el suelo en forma de
lluvia, nieve o granizo.
Psicrómetro o higrómetro: medida de la humedad relativa del aire y la del punto
de rocío.
Piranómetro: medida de la radiación solar global (directa + difusa).
Heliógrafo: medida de las horas de luz solar.
Anemómetro: medida de la velocidad del viento.
Veleta: indica la dirección del viento.
Nefobasímetro: medida de la altura de las nubes, pero sólo en el punto donde
éste se encuentre colocado.
Limnígrafo
Pluviógrafo
Higrógrafo
Evaporímetro
Lisímetro
Relación entre la hidrología y construcción civil
Se acepta que la Ingeniería Hidráulica es la rama de la Ingeniería Civil que se
ocupa de planificar, proyectar y construir las obras hidráulicas, entendiéndose que
son éstas las que cumplirán la función de captar, conducir, regular y protegernos
de las aguas. Cualquier obra civil, cuyas dimensiones y características hayan sido
establecidas atendiendo principalmente a criterios y normas hidráulicas e
hidrológicas, es una obra o proyecto hidráulico.
De esta forma, el uso de la Hidrología en la Ingeniería Civil, es fundamental para
el planeamiento, diseño y operación de los proyectos hidráulicos, pues es el que
se orienta hacia los parámetros hidrológicos de diseño. Sin embargo, dada la
dependencia de esta ciencia de los aspectos meteorológicos y ambientales, los
resultados deberán ser considerados como estimados en muchos casos y por lo
tanto será necesario complementar las incertidumbres con métodos
probabilísticos.
Si el diseño en Ingeniería Civil se orienta al uso del agua con fines de
Aprovechamiento, la Hidrología es empleada, por ejemplo, para estimar la
posibilidad o no de realizar el abastecimiento de demandas de agua en una
población, desde fuentes superficiales (Ríos, lagos) o Subterráneas.
Entre los usos más comunes del agua con fines
de Aprovechamiento se destacan
Abastecimiento Urbano: Es el uso asociado a la satisfacción de los
requerimientos futuros de Demanda de agua para consumo doméstico, uso
público, comercial, e industrial, principalmente. Una vez que se ha determinado el
valor de la Demanda de agua, los métodos de la Hidrología permiten realizar el
análisis de la fuente que va a suministrarla. El estudio hidrológico incluye aquí el
análisis de Caudales Medios y Mínimos en la fuente, entre otros.
Riego Agrícola: Mediante el aprovechamiento del agua se garantiza la oferta de
agua necesaria en el suelo para garantizar el crecimiento de las plantas
empleadas en la producción agrícola (consumo consuntivo). Los estudios
hidrológicos en este uso se centran en el análisis del Clima, Evapotranspiración y
Lluvia en períodos cortos.
Hidroelectricidad: Este es el caso en que se captan caudales de corrientes
superficiales (ríos) y se aprovechan las diferencias de cota para generar energía
eléctrica a través de la transformación de la energía hidráulica. Para este tipo de
Proyectos de Ingeniería Civil, los estudios hidrológicos determinan la capacidad
que tiene la fuente para suministrar la demanda de energía, analizan las
magnitudes de las crecientes que pueden atacar a las obras civiles y cuantifican
los procesos de sedimentación y determinan las condiciones de la descarga.
Otro de los usos del agua es cuando se realizan obras de Protección,
entre las que podríamos mencionar
Control de Crecidas: Comprende las obras y acciones encaminadas a impedir
los daños que ocasionan los desbordamientos de aguas en los ríos u otros
cuerpos superficiales en centros urbanos, plantaciones, etc.
Control de Erosión: Consiste en impedir la acción erosiva del agua, tanto en
cauces como en el suelo.
Con las obras de Protección, la Hidrología da a la Ingeniería Civil los métodos que
analizan los regímenes de caudales medios y extremos (máximos) de las
corrientes de agua en los tramos de influencia de las obras viales, en las zonas
que requieren de alcantarillados de aguas lluvias, y en las zonas inundables
adyacentes a los cauces.
Finalmente, sean Obras de Aprovechamiento o de Protección, podremos pensar
que los métodos de la Hidrología recolectan y procesan información histórica,
programan y ejecutan actividades de campo en topografía, batimetrías, aforos
líquidos y sólidos, toma y análisis de muestras de sedimentos, entre otros. Los
resultados de éstos producen información sobre los siguientes aspectos:
Características climatológicas y morfométricas de las zonas: que tienen
influencia sobre el área del proyecto Civil.
Selección y capacidad de la fuente que suministrará el caudal: que se
entregará a los beneficiarios del proyecto.
Magnitud de los eventos extremos (Crecientes y Sequías): que pueden poner
en peligro la estabilidad de las obras civiles, o a los procesos de navegación o el
suministro confiable de agua a los usuarios.
Transporte de sedimentos hacia las obras de captación y almacenamiento, o
erosión de cauces naturales.
El Tiempo Atmosférico y la Hidrología
•La atmósfera
•Radiación solar y terrestre
•La temperatura
•Vientos
•Circulación General de la atmósfera
•Humedad atmosférica
•Agua Precipitable
Definición de precipitación
La precipitación es cualquier forma de hidrometeoro que cae de la atmósfera y
llega a la superficie terrestre, cualquier tipo de agua que cae sobre la superficie de
la tierra. Las diferentes formas de precipitación incluyen lloviznas, lluvia, nieve,
granizo, agua nieve, y lluvia congelada.
Es una parte importante del ciclo hidrológico, responsable del depósito de agua
dulce en el planeta y, por ende, de la vida en nuestro planeta, tanto de animales
como de vegetales, que requieren del agua para vivir, esta es generada por
las nubes, cuando alcanzan un punto de saturación; en este punto las gotas de
agua aumentan de tamaño hasta alcanzar el punto en que se precipitan por la
fuerza de gravedad.
Es posible inseminar nubes para inducir la precipitación rociando un polvo fino o
un químico apropiado (como el nitrato de plata) dentro de la nube, acelerando la
formación de gotas de agua e incrementando la probabilidad de precipitación,
aunque estas pruebas no han sido satisfactorias, prácticamente en ningún caso.
Tipos de precipitación
Precipitación ciclónica: es la que esta asociada al paso de una perturbación
ciclónica.
Precipitación frontal: ocurre cuando dos masas de aire de distintas presiones,
tales como la fría (más pesado) y la cálida (más liviana) chocan una con la otra.
Precipitación convectiva : se produce generalmente en regiones cálidas y masas
de aire cálidas, al ascender en altura, se enfrían, generándose de esta manera la
precipitación.
Precipitación orográfica : es la que se genera durante el ascenso de una nube
sobre un relieve como lo son las montañas y las cordilleras. Esto ocurre porque el
vapor de agua se eleva demasiado y su temperatura baja lo suficiente como para
precipitar en forma liquida
Distribución espacial y temporal de la precipitación
Temporal: la variación anual de las precipitaciones se da en el ámbito de un año,
en efecto siempre hay meses en que las precipitaciones son mayores que en
otros. Para evaluar correctamente las características objetivas del clima, las
precipitaciones mensuales deben haber sido observadas por un periodo de por lo
menos 20 a 30 años, lo que se llama un periodo de observación largo.
Espacial: la distribución espacial de la precipitación sobre los continentes es muy
variada, donde las precipitaciones son extremadamente escasas y otras muy
húmedas; la orografía del terreno influye fuertemente en las precipitaciones. Una
elevación del terreno provoca muy frecuentemente un aumento local de las
precipitaciones, al provocar la ascensión de las masas de aire saturadas de vapor
de agua.
Medición de la precipitación
La precipitación se mide mediante instrumentos diseñados para calcular la
precipitación llamados pluviómetros o nivómetros.
La precipitación líquida se mide utilizando pluviómetros, el vapor medido es la
profundidad de agua producida por una precipitación. Se calcula midiendo el agua
que cae sobre un metro cuadrado de superficie durante 24 horas y expresando
esa cantidad en litros por metro cuadrado.
Un sencillo pluviómetro sería un cilindro con un embudo para recoger el agua. El
embudo no se coloca en la parte superior del cilindro ya que además de recoger el
agua debe estar colocado de manera que dificulte la evaporación del agua
recogida.
Curvas de doble masa
Análisis de doble masa: el método de doble masa considera que en una
zona meteorológica homogénea, los valores de precipitación que ocurren en
diferentes puntos de esa zona en periodos anuales o estacionales, guardan una
relación de proporcionalidad que puede representarse gráficamente.
Con el método de doble masas además de detectar inconsistencias en la
información permite corregirlas, se analiza la consistencia de una serie de valores
de algún elemento hidrometeorológico medido en la estación "X". Con base en los
datos tomados en otra estación o grupo de estaciones "Y", situadas en una zona
climática similar y cuya homogeneidad haya sido verificada. Este. Sistema de
homogeneización de series se utiliza cuando puede suceder un cambio relativo en
la variable observada, medida o registrada en una estaci6n meteorológica.
El método puede ser aplicado también, con mucho éxito en la interpelación
para el relleno de datos faltantes y la extrapolación para extender una serie
incompleta al periodo de comparaci6n (normalmente de 30 años).
Métodos para la determinación de la precipitación media sobre un área
Método de la Media Aritmética:
Consiste en realizar la suma del valor registrado en cada una de las estaciones
pluviométricas y/o pluviográficas del área en estudio y dividirla por el número total
de estaciones analizadas, siendo el valor así hallado la lluvia media.
Se trata de un método de resolución rápida de que conlleva un grado de
precisión muy relativo, el cual depende de: el número de estaciones pluviométricas
y/o pluviográficas, la forma en que estén localizadas y la distribución de la lluvia
estudiada. Es el único método que no requiere de un conocimiento previo de la
ubicación de cada estación. El valor buscado se calcula haciendo:
Método de los Polígonos de Thiessen:
Para aplicar este método se requiere conocer la ubicación de cada estación
dentro o en la periferia de la cuenca, identificando el área de influencia de cada
pluviómetro. Así se van formando triángulos entre las estaciones más cercanas
uniéndolas con segmentos rectos sin que éstos se corten entre sí y tratando que
los triángulos sean lo más equiláteros posibles.
A partir de allí se trazan líneas bisectores perpendiculares a todos los lados de
los triángulos, las que al unirse en el baricentro de cada triángulo conforma una
serie de polígonos que delimitan el área de influencia de cada estación. El área de
influencia de cada estación considerada (polígono) está comprendida
exclusivamente dentro de la cuenca.
Método de las Curvas Isohietas:
Para aplicar este criterio se debe contar con un plano de curvas isohietas de la
tormenta en estudio. Las isohietas son curvas que unen puntos de igual valores de
lluvia y para trazarlas se requiere un conocimiento general del tipo de tormentas
que se producen en las zonas de precipitaciones orográficas. Primeramente, se
utilizan los mismos segmentos que unen las estaciones en estudio, según
Thiessen; y para cada uno de ellos, en función de los montos de lluvia de dichas
estaciones, se van marcando sobre los mismos, los valores de lluvia con el cual se
irán formando las isohietas.
Análisis de altura, duración, y área
Intensidad – Duración – Frecuencia (IDF) de tormentas se utiliza para el diseño
de estructuras hidráulicas, en zonas con escasa información hidrológica, como la
Región Central de Venezuela (Estados Aragua, Carabobo y Cojedes), hay que
hacer uso del análisis regional.
Esta investigación tiene por objeto establecer modelos regionales que
reemplacen al análisis IDF tradicional para estimar dichas intensidades. Se utilizan
los registros pluviográficas disponibles de 14 estaciones distribuidas sobre la
región en conexión con modelos de correlación y regresión, y la Ecuación General
de Frecuencias, los resultados se presentan como expresiones matemáticas para
calcular la intensidad I en función del período de retorno T y la duración D y
expresiones lineales para calcular los parámetros μ y σ (de la ecuación general de
frecuencias).
La correlación obtenida es muy buena, con coeficientes de correlaciones
mayores que 0.99, indicando que los modelos se pueden utilizar como una
herramienta útil y confiable para estudios preliminares en la región Central de
Venezuela.
Ciertos análisis hidrológicos requieren de la estimación de intensidades o alturas
de precipitación para duraciones y frecuencias preestablecidas. Dichos datos
generalmente se encuentran disponibles en forma de tablas, gráficos o mapas.
Una tormenta o lluvia de diseño se especifica a través de sus parámetros
Intensidad, Duración y Frecuencia, ya sea expresadas como magnitudes o
relacionadas en un modelo matemático.
Procesamiento de datos
Se ha elaborado un sistema para el procesamiento de datos hidroclimatologicos
que permite en primer lugar, obtener y ordenar en bases de datos la información
primaria, calcular distintos parámetros y recuperar datos faltantes; y por otra parte,
correlacionar e integrar dicha información con parámetros hidroquimicos,
obteniendo diversos estadígrafos, gráficos en función del tiempo; así como la
determinación de la denudación química y el balance hídrico.
El sistema resulta útil para el manejo de grandes volúmenes de información
periódica y no periódica de la red nacional hidrometeorológico y de estaciones
experimentales y permite reducir en más de un 90% el tiempo de trabajo y los
errores que generaba el procesamiento manual,
Pluviometría en Venezuela
En Venezuela, existen dos períodos bien diferenciados, uno lluvioso de mayo
hasta octubre y uno seco desde noviembre hasta abril. Generalmente, los meses
de noviembre y abril son de transición entre estas épocas, durante la temporada o
período seco, la mayor parte del Norte de Venezuela, está bajo la influencia de la
zona de los alisios del Noreste, con sus campos anticiclónicos en la altura.
La divergencia del flujo resultante origina subsidencia de las masas de aire,
provocando fuertes inversiones de temperatura en la altura, las llamadas
“inversiones de los alisios”. En las últimas décadas se ha venido observando en el
país la frecuencia de ocurrencia de eventos extremos lluviosos durante la época
seca, los cuales han generado pérdidas significativas de vidas y bienes.
Históricamente se reconoce que las regiones Central (especialmente en los
estados Vargas y Miranda), Centro Occidental y Los Andes, son las más afectadas
por estos fenómenos pluviométricos, registrándose como desastres más
prominentes en cuanto a pérdidas materiales y humanas, el de diciembre 1999
(estado Vargas) y el de febrero 2005 (Santa Cruz de Mora- estado Mérida).
Corriente Superficial
Son las corrientes que se ven afectadas por los vientos predominantes, que les
transmiten gran cantidad de energía, y por la acción giratoria de la Tierra,
generando corrientes circulares o en forma de espiral.
Estas corrientes influyen mucho en el clima regulando las temperaturas de las
regiones por donde pasan.
Definición de caudal
Es el volumen de agua que circula por el cauce de un río en un lugar y tiempo
determinados, se refiere fundamentalmente al volumen hidráulico de la escorrentía
de una cuenca hidrográfica concentrada en el río principal de la misma.
Medición:
Suele medirse en m³/seg lo cual genera un valor anual medido en m³ o en Hm³
(hectómetros cúbicos: un Hm³ equivale a un millón de m³) que puede emplearse
para planificar los recursos hidrológicos y su uso a través de embalses y obras de
canalización.
Patrón de Drenaje:
Los patrones de drenajes son configuraciones en las redes hídricas que
presentan ciertos arreglos geométricos o irregulares, que permiten reaccionar con
sus propiedades hidrológicas o geohidrologicas (superficial o subterráneo).
Tipos de patrones de drenajes:
Dendrítico: Sugiere un arreglo de las nervaduras de una hoja de árbol, puedes
estar asociado con propiedades del material muy heterogéneas.
Pinado: En forma de pino, los drenes rectos o semirrectos pueden ocurrir donde
hay presencia de materiales limo-arcillosos.
Paralelo: Son redes hídricas muy ligadas a fracturas o a estratos duros muy
rectos.
Rectangular: Por lo general ocurre en rocas muy duras y compactas, afectadas
por fracturas o fallas. (Granitos, gneises, basaltos en bloques, cuarcitas.).
Angular: Ocurre algo parecido a la anterior en la intersección de fracturas, pero
en este caso el material es mas frágil y quizás circundado por material ligeramente
mas resistente.
Subparaleló: Aquí tiene que ver con paquetes de rocas sedimentarias plegadas y
alineadas en largos tramos por una tendencia regional de plegamiento. Arenisca y
Lutitas.
Anular: En forma de anillos concéntricos, estos drenajes tienen su origen en
levantamientos de tierra o abombamientos por efectos tectónicos y hacen que los
arroyos y ríos se vayan desviando y juntando con otros de mayor grado.
Están se presentan en rocas ígneas intrusivas, aunque también en zonas de
depósitos recientes afectadas por diapiros de sal o yesos.
Trellis: Semejan el arreglo de una planta de vid, se forman a ángulos casi rectos
pero con menor alineación preferencial. Se presentan en rocas más bien suaves y
moderadamente consolidadas.
Artificial: Es el arreglo debido a la intersección de canales de riesgo.
Hidrógrama
El Hidrógrama es un gráfico que muestra la variación en el tiempo de alguna
información hidrológica tal como: nivel de agua, caudal, carga de sedimentos,
entre otros. Para un río, arroyo, rambla o canal, si bien típicamente representa el
caudal frente al tiempo; esto es equivalente a decir que es el gráfico de la
descarga (L3/T) de un flujo en función del tiempo. Éstos pueden ser Hidrógrama
de tormenta e Hidrógrama anuales, los que a su vez se dividen en perennes y en
intermitentes.
Hidrógrama
de tormenta debido a la lluvia recibida en la cuenca.
Permite observar:
- Las variaciones en la descarga a través de una tormenta, o a través del año
hidrológico:
- El pico de escorrentía (caudal máximo de la avenida);
- El flujo de base o aporte de las aguas subterráneas al flujo; o,
- Las variaciones estacionales de los caudales si se grafica un período de
uno o varios años.
Un mm de precipitación significa que en una superficie de un m² ha caído un
litro de agua de lluvia (1L/m²).
Los hidrógrama son útiles, entre otras cosas, para comparar los tiempos de
descarga y caudales pico de varias corrientes o cuencas hidrográficas, para así
conocer las diferencias entre sus capacidades de respuesta ante avenidas.
Hidrógrama Unitario: Curva básica de respuesta a una unidad de precipitación
que describe la forma en que una cuenca devuelve un ingreso de lluvia distribuido
en el tiempo. Se basa en el principio de que dicha relación entrada-salida es lineal,
es decir, que pueden sumarse linealmente. Se construye con base en un
"Hidrógrama en S" que a su vez se construye desglosando varias tormentas y sus
Hidrógrama reales producidos.
Hidrógrama Sintético: Hidrógrama unitario estimado de acuerdo con fórmulas
que incluyen parámetros físicos de la cuenca en estudio como área, longitud del
cauce principal, pendiente promedio y otros. Son los hidrógrama sintéticos más
conocidos: el Triangular del USDA, el de Schneider, el de Clark.
Análisis de Hidrógrama
La forma de un hidrógrama depende de la intensidad, duración y
distribución de la lluvia que lo produce, y de factores geométricos y geológicos
propios del área que contribuye a alimentar el caudal de la corriente. Veamos
cuales son las componentes de la precipitación que tienen efecto sobre la forma
del Hidrógrama antes de estudiar las características del área vertiente.
Distribución de la Precipitación sobre un suelo
La precipitación total (P) que cae sobre un área determinada en un tiempo t estima
a partir de registros pluviométricos utilizando los métodos que se explican en el
Capítulo de Precipitaciones. El valor de P puede considerarse como constituido de
diferentes componentes cuya importancia se analiza enseguida con ayuda de la
Figura No. II-11.
Figura No. II-11Diagrama esquemático de la distribución de la precipitación sobre
un suelo
Supóngase, para mayor claridad, que la intensidad de
precipitación (i) es constante durante el tiempo t, y que la escala de
tiempos en la Figura No. II-11 puede dividirse en2 partes limitadas por
los valores ta, t b, tc. Sea t = ta la hora de comienzo de la lluvia.
Entre lluvia que cae se consume totalmente en intercepción, detención almacena
miento en depresiones, humedad del suelo y precipitación directa la corriente de
que sirve de drenaje al área considerada.
1. Intercepción: Comprende el volumen de lluvia que no alcanza a llegar al suelo
porque cae sobre las hojas de los árboles, edificios, etc. de donde se evapora
posteriormente.
2. Detención Superficial : Es volumen de agua que se almacena en charcos y
luego se evapora.
3. Humedad del suelo: Se refiere al volumen de agua que se infiltra y, antes de
alcanzar al nivel freático es removido del suelo por las raíces de las plantas o por
evaporación.
En un suelo deben distinguirse 2 zonas:
La zona saturada, la cual el volumen ocupado por los poros o vacíos que
existen entre los granos componentes del suelo está completamente lleno de
agua, y la zona no saturada en la cual ese volumen está ocupado por agua y aire.
La capa de suelo comprendida entre la superficie del terreno y un estrato
impermeable, o entre aquella y la superficie de un depósito de agua subterránea
no confinado es una zona no saturada en la cual la humedad se presenta en las
siguientes formas:
• Humedad higroscópica: Corresponde a la humedad que se adhiere firmemente
ala superficie de las partículas del suelo formando una película delgada. En
general, no es humedad disponible para las plantas.
• Humedad capilar: Una parte muy pequeña del agua que pertenece a la zona
saturada sube por efecto de capilaridad a través de los poros del suelo no
saturado. La humedad que se presenta en esta forma constituye la mayor fuente
de suministro de agua para las plantas porque puede ser extraída fácilmente
por las raíces.
• Humedad gravitacional: Se refiere al agua que se mueve verticalmente desde
la superficie del terreno hasta la zona saturada. Permanece en el suelo por algún
tiempo relativamente corto.
Existen algunos índices que se utilizan como guías por Geólogos, Agrónomos e
Ingenieros para determinar el contenido de humedad de un suelo
Método de Medición para hidrógrama unitario
Métodos de Solución de la programación lineal
Luego de la etapa de diseño del modelo de optimización lineal es necesario
solucionar el mismo. Para ello se utilizan diferentes métodos de solución.
Para llegar a la solución de un problema de Programación Lineal se utilizan
diferentes métodos de solución. Los más difundidos son: el método gráfico y
el Método Simplex. La solución de un problema de Programación Lineal utilizando
un procedimiento gráfico es posible si se tienen no más de dos variables.
El Método Simplex fue el primer método surgido para solucionar problemas
de Programación Lineal, por lo que se le considera el método de solución clásico
por excelencia. Teniendo en cuenta la filosofía de este método han surgido otros
métodos cuyas ventajas fundamentales se concentran en las posibilidades de los
mismos para ser programados por computadoras.
Método gráfico: El procedimiento gráfico comienza elaborando una gráfica que
muestre las soluciones posibles (valores X1 y X2). La gráfica tendrá valores los
valores X1 en el eje horizontal y los valores X2 en el eje vertical. El procedimiento
para hallar la solución gráfica consiste en lo siguiente:
Para cada inecuación del sistema de restricciones (medio espacio cerrado) se
toma la recta correspondiente y se determinan los interceptas con la gráfica. Si
la recta pasa por el origen del eje de coordenadas, el término independiente es
cero, entonces se traza la recta tomando el origen y otro punto determinado
dando un valor arbitrario a una de las variables.
Para determinar los puntos que satisfacen cada inecuación se sustituye un
punto cualquiera del espacio (se recomienda el origen cuyas coordenadas son
(0,0)), y de esta forma se determina si los puntos que satisfacen la misma
están hacia el lado que está el origen o hacia el lado contrario, señalando con
una flecha ese lado. Cuando la recta pasa por el origen entonces se toma otro
punto cualquiera pero que sean sencillos los valores de sus coordenadas, por
ejemplo, ( 0,1) , (1,0 ), (1,1), etc.
Luego se determina la región solución que es la región del plano que satisface
todas las restricciones al mismo tiempo y que debe estar en el primer
cuadrante. La figura formada es un poliedro convexo que tiene un conjunto de
puntos extremos.
Se busca el punto óptimo entre el conjunto de puntos extremos. Para eso se
sustituye cada par de puntos (X1, X2) de los puntos extremos en la función
objetivo y se calcula el valor de Z. Si se está maximizando el valor de la misma,
el punto óptimo será aquel que proporcione el valor mayor para Z y si el criterio
de optimización es de minimizar, entonces el punto óptimo será aquel que
proporcione el valor mínimo de Z.
Método Simplex
Constituye un procedimiento iterativo algebraico que resuelve cualquier
problema en un número finito de pasos. Fue elaborado por George
Dantzing en 1947.La concepción de este método ha facilitados que otros
especialistas del tema desarrollen otros métodos de solución con la misma
filosofía, pero más adecuados para la programación por computadoras. Para
explicar el método simplex es necesario definir un conjunto de conceptos básicos
necesarios para la comprensión del mismo.
Método de Medición para hidrógrama Sintético
Método del servicio de conversión de suelos
Este método, también llamado “número de curva” consta de dos partes. En
la primera de ellas se hace una estimación del volumen de escorrentía resultante
de una precipitación - escurrimiento directo, en la segunda se determina el tiempo
de distribución del escurrimiento, incluyendo el caudal de punta.
La estimación del escurrimiento
correspondiente a una lluvia, se hace con el
siguiente procedimiento:
Los datos de lluvia más
generalmente disponibles son los
totales medidos en pluviómetros y para tales datos se ha desarrollado la relación
lluvia - escorrentía. Esos datos son los totales de una o más tormentas que
ocurren en un día del calendario, y nada se sabe acerca de su distribución en el
tiempo, por eso es que la relación excluye al tiempo como la variable explícita.
Relacionando el escurrimiento con la lluvia se obtiene generalmente una relación
como la que indica la figura siguiente:
Para precipitaciones (P) menores que Ia, no tiene lugar el escurrimiento
superficial (Q). Ia consiste principalmente en pérdidas por intercepción,
almacenamiento en depresiones e infiltración, antes de que se produzca el
escurrimiento.
Para cantidad de lluvia en aumento, la curva Q en relación con P se
aproxima asintóticamente a una línea recta paralela (S) se llama retención
potencial máxima, que es la máxima cantidad de lluvia que la cuenca puede
absorber. Como hay muchas curvas que cumplen la condición de pasar por el
punto (Ia, Q) y aproximarse asintóticamente a Q = P - S, se necesita definir otra
condición para establecer la forma de la curva.
Esto se hace estableciendo que la relación entre la retención real (P - Ia -
Q), y la retención potencial máxima (S) es igual a la relación entre la escorrentía
real (Q) y la escorrentía potencial máxima (P - Ia):
La experiencia práctica ha demostrado que Ia es aproximadamente el 20%
de la retención potencial máxima, así Ia = 0.2 S, por lo que la ecuación de
escurrimiento puede escribirse como:
El valor de S (en pulgadas) se relaciona con el número de curva de
escorrentía (CN) por la definición:
De lo cual se deduce que para zonas pavimentadas S será igual 0 y CN =
100, mientras que las condiciones en que no se produce escurrimiento superficial
S se hace infinito y CN = 0. La figura 1 presenta la ecuación de escorrentía en
forma gráfica para diferentes curvas
Para determinar el volumen de escurrimiento, debe hacerse una estimación
del valor de CN, el cual depende de características de la cuenca tales como uso
de la tierra, condiciones del suelo y condiciones de humedad de la cuenca en el
momento de ocurrir, la precipitación.
Relaciones nivel-caudal
La relación nivel de agua-caudal se utiliza para convertir registros de niveles de
agua en caudales. Estas relaciones deben revisarse periódicamente para asegurar
que la relación entre los caudales y los niveles de agua permanece constante. La
socavación del lecho del cauce o el depósito del sedimento en éste pueden causar
cambios en la curva de calibración, de tal manera que para un determinado nivel
de agua se tendrá un caudal diferente al registrado antes de producirse los
cambios morfológicos en la sección hidrométrica.
Las curvas de caudales (Q vs h) o curvas de calibración de las estaciones
hidrométricas ubicadas sobre un rio son calculadas para diferentes períodos de
vigencia, en los cuales las condiciones hidráulicas de la sección de aforo
permanecen sin una marcada variación.
Para hacer posible la determinación de estas curvas de calibración, la CVC realiza
periódicamente aforos líquidos, que sirven para establecer las condiciones
hidráulicas y así determinar los períodos de vigencia cada vez que cambien
significativamente las condiciones en el río.
Estudios que se realizan:
a) Histogramas de caudales medios mensuales multianuales.
b) Variación de caudales medios a lo largo del cauce.
c) Variación anual de caudales máximos, medios y mínimos.
d) Caudales mínimos y máximos históricos.
e) Variación anual de niveles de agua máximos, medios y mínimos.
f) Variación estacional de caudales.
g) Curvas de duración de caudales medios diarios.
Las curvas de duración de caudales básicamente indican el período en términos
de porcentaje del tiempo en que un determinado caudal es excedido o igualado en
magnitud.
Nivel de agua:
El nivel de agua es la altura de la superficie de un río, lago u otra masa de agua
con relación a una determinada referencia, en el caso de un río será de su lecho.
En general, debe ser medida con una exactitud de un centímetro, mientras que en
las estaciones de aforo que efectúan registros continuos la exactitud debe ser de
tres milímetros.
Importancia de medir el nivel del agua:
Las mediciones de los niveles de agua de los ríos, lagos o algún cuerpo de agua,
se usan directamente para la predicción de crecidas (máximas alturas de agua),
definir o delinear zonas con riesgo de inundación y para proyectar estructuras
(puentes u otras obras hidráulicas).
Cuáles son los instrumentos o equipos que miden el nivel del agua:
En las estaciones hidrométricas se cuenta con el limnímetro y limnígrafo.
Limnímetro:
El limnímetro es una regla graduada que permite medir las fluctuaciones del nivel
del agua.
Cuáles son las principales características que se debe cumplir en el
diseño del:
Limnímetro:
a) Deben ser precisos y estar claramente graduados.
b) Deben ser resistentes a la corrosión y de fácil mantenimiento.
c) Deben ser fáciles de instalar y utilizar.
d) Las graduaciones deberán ser claras y permanentes. Los números deberán ser
claramente legibles y estar situadas de tal manera que no haya ninguna
posibilidad de ambigüedad.
e) Para dar conformidad a su construcción, se deberá constatar que las
marcaciones de las subdivisiones tendrá una precisión de ± 0,5 mm y el error
acumulado de longitud no será superior al mayor de dos valores siguientes: 0,1
por ciento ó 0,5 milímetros.
f) Las miras limnimétrica que se tiene instalada en el SENAMHI tienen las
siguientes dimensiones, un espesor de 7 milímetros, 10 centímetros de ancho y 1
metro de largo como longitud adecuada (7mmx10cmx1m). Estas medidas son
estándares en la red del SENAMHI y las más recomendables.
Limnígrafo mecánico:
El limnígrafo es un aparato inscriptor provisto de un mecanismo de relojería y de
dispositivos que permiten registrar las alturas de agua de forma continua. A
continuación se describe en forma sencilla al limnígrafo:
Está conformado por: Un flotador (1) y contrapeso (2) los cuales con un cable (3)
son
Conectados al dispositivo de reducción (4), el que acciona el husillo con ranuras
helicoidales (5), sobre el cual juega el dispositivo porta plumilla con plumilla (6) y
un tambor (7), que está colocado sea horizontalmente o verticalmente.
Características funcionales del limnígrafo
a) Deberá funcionar satisfactoriamente en las condiciones ambientales
predominantes de temperatura y humedad relativa, correspondiente a las
condiciones locales.
b) Todas las partes del limnígrafo estarán fabricadas en material resistente a la
en condiciones de utilización a la intemperie.
El limnígrafo estará colocado dentro de una caseta resistente a la humedad, al
polvo y a la intemperie. La caja tendrá una ventana que permita el control visual
del limnígrafo sin necesidad de abrirla.
d) La tapa tendrá una ventana que permita el control visual del limnígrafo sin
necesidad de abrirla.
e) El error límite de las mediciones del tiempo no debe pasar ± 30 segundos por
día (s/d) en promedio, durante un periodo de 30 días por lo menos.
f) Habrá un sistema de ajuste del movimiento para permitir la regulación con las
condiciones de precisión.
g) El papel utilizado deberá mantenerse estable dentro de unos límites
relativamente estrechos en toda la gama de condiciones previstas de temperatura
y humedad.
h) Si se utiliza una pluma con tinta ésta deberá producir un trazo fácilmente legible
sin corrimiento. Si se utiliza un lápiz tendrá la dureza adecuada para producir un
trazo legible.
i) El reloj del limnígrafo debe ser intercambiable, con un sistema fácil para ser
desmontado y transportado.
j) Errores de funcionamiento: generalmente, es causada por una variación de la
profundidad de flotación del flotador cuando el nivel cambia con rapidez y con él
cambia el peso del cable del flotador; también la falla puede darse por expansión y
contracción del papel, y cuando se utiliza cable de flotador que no reúne las
Características de diseño.
Limnigrama:
Glosario Hidrológico Internacional de la OMM/UNESCO (1994), define al
limnigrama como:
a) Registro continúo del nivel de agua por medio de un limnígrafo,
b) Representación gráfica o no, de la variación del agua en función del tiempo.
Estación hidrológica
Es el lugar donde se efectúan observaciones hidrológicas o climatológicas para
fines hidrológicos.
Clasificación las estaciones hidrológicas de observación
a) Estaciones hidrométricas
b) Estaciones climatológicas para fines hidrológicos
c) Estaciones de agua subterránea
d) Estaciones hidrológicas para propósitos específicos
Estación hidrométrica
El Glosario Hidrológico Internacional (1994), define a la estación hidrométrica
como el lugar de observación en la cual se obtienen datos sobre el agua de ríos,
lagos o embalses. En una estación hidrométrica se deberá observar uno o más de
los elementos que se citan a continuación se detalla:
a) El nivel de agua de los ríos, lagos y embalses;
b) El caudal o flujo de las corrientes;
c) Transporte o depósito de sedimentos o ambos;
d) La temperatura y otras propiedades físicas del agua de un río, lago y embalses;
e) Las características y extensión de la capa de hielo de los ríos, lago o embalse;
f) Las propiedades químicas del agua de los ríos, lagos y embalses.
Aforo de caudales
Es el conjunto de operaciones para determinar el caudal en un curso de agua
para un nivel de observación.
Estación de aforos
Es el lugar en un curso de agua en el que se hacen con regularidad mediciones
del nivel y caudal. Se debe conseguir que todas las estaciones hidrométricas sean
de aforos.
Estación hidrológica automática
Una estación automática es aquella que consta de sensores que registran
automáticamente variables hidrometeorológicas (precipitación, niveles, entre otras)
y que son transmitidos vía satélite a una estación codificadora específica.
Criterios se debe tener para seleccionar un emplazamiento o sitio para
su instalación
La selección de un sitio ideal para una estación de aforo, debe basarse en los
siguientes criterios:
a) El tramo a escoger deberá tener en lo posible en un tramo recto unos 100
metros aguas arriba y debajo de la estación de aforo.
b) La corriente total debe estar confinada en un solo cauce para todos los niveles y
pueden existir corrientes subterráneas.
c) El lecho del río no debe estar sujeto a socavaciones ni a rellenos y debe estar
libre de plantas acuáticas.
d) Las orillas deben ser permanentes, lo suficientemente altas para contener las
crecidas y deben estar libres de arbustos.
e) Deben haber controles naturales inalterables: afloramiento de rocas en el fondo
o un cañón estable durante el estiaje, y un cauce encajonado para las crecientes
caídas o cascadas, insumergible en todos los niveles de manera de tener una
relación estable entre el nivel y el caudal. Si no hay condiciones naturales
satisfactorias para un control de aguas bajas, se debe prever la instalación de un
control artificial.
f) Se debe disponer de un sitio conveniente para alojar el limnígrafo,
inmediatamente aguas arriba del control, y protegerlo contra posibles daños por
los escombros llevados por las aguas durante las crecidas del río. El limnígrafo
debe estar por encima de toda crecida probable que pueda ocurrir durante el
período de vida de la estación; g) el sitio de aforo debe estar lo suficientemente
aguas arriba de la confluencia con otro río o de los efectos de la marea, para evitar
toda influencia variable que puedan ejercer sobre el nivel en el sitio de la estación.
g) Se debe disponer de una longitud de tramo suficiente para medir el caudal a
todos los niveles dentro de una razonable proximidad de la estación de aforo. No
es necesario que las mediciones para aguas altas y bajas se efectúen en la misma
sección transversal del río.
h) El sitio debe ser fácilmente accesible para facilitar la instalación y el
funcionamiento de la estación de aforo.
i) El sitio debe disponer de instalaciones de telemetría o transmisión por satélite, si
se requieren.
j) La formación de hielo en el área no debe interrumpir el registro de los niveles y
las mediciones del caudal.
k) Muy pocas veces se encontrará un sitio que satisfaga todos esos criterios; por
lo tanto, se deberá seleccionar el sitio que más convenga y sobre todo que sea
accesible para las mediciones y contar con un Observador hidrológico.
Formas de instalar el limnímetro
a) Vertical : Este tipo de escala es instalado en nuestros ríos de costa y sierra.
b) Escalas por secciones: Son instaladas en nuestros ríos amazónicos, por los
diferentes niveles de agua y que no puede ser medido con una sola escala vertical
c) Escalas inclinadas: Generalmente se utilizan en canales, se fabrican para
taludes específicos y de tal forma que su lectura se obtiene directamente de la
regla vertical.
Consideraciones generales para la instalación de limnígrafos
a) El limnígrafo, sin escala inmediata para fijación de las referencias, es
normalmente inútil, por lo que siempre se contará con la instalación de las reglas o
limnímetros.
b) El limnígrafo estará instalado dentro de una caseta estándar el cual se fijará
sobre una plancha de madera de 1” de espesor.
c) La caseta se unirá al tubo estándar mediante pernos sobre un tubo que será la
conexión entre el limnígrafo y el agua del río.
d) La caseta deberá quedar más elevada que el nivel reconocimiento de campo. El
flotador no deberá estar emergido directamente en aguas corrientes o agitadas,
sino dentro de un tubo o de un pozo en el que se reflejen las variaciones de nivel
de las aguas sin movimientos ondulatorios.
Existen dos posibilidades básicas para su instalación: toma directa: Cuando el
tubo del limnígrafo es colocado en el mismo río. En ríos que acarrean troncos y
otras materias flotantes el tubo debe colocarse en una ensenada protegida (roca,
etc.);
Toma indirecta: En este caso la estructura con el limnígrafo está fuera del cauce
natural del río y el ingreso del agua es por medio de uno más tubos horizontales.
En el caso de emplearse un solo tubo de comunicación, este debe estar por
debajo del nivel correspondiente al gasto nulo, de tal modo que puedan registrarse
los mínimos tirantes.
g) El tubo limnigráfica estándar (16“de diámetro), se recomienda que esté
conformado por módulos de 1 m ó 2 m cada uno, debe tener en su parte inferior
un cono de reducción, con su correspondiente mecanismo de limpieza.
h) El tubo se empotrará a una columna, la que contendrá los anclajes –
abrazaderas para sujetar los módulos del tubo limnigráfica. Estos tubos de 1 m ó 2
m (módulos) serán unidos entre sí por las bridas mediante pernos, cuidando que el
conjunto quede vertical. Entre brida y brida deberá colocarse una empaquetadura
de jebe, para evitar la corrosión y salida de agua.
Los tubos y la caseta deberán ser confeccionados en fierro galvanizado
para evitar la corrosión. Los pernos de sujeción deberán ser de material
anticorrosivo.
Funciones del observador hidrológico
El observador se procederá a realizar las siguientes actividades:
a) Antes de iniciar las mediciones, se debe iniciar con la limpieza en el área
circundante y con la limpieza de la regla.
b) Se verificará el cero del limnímetro, el mismo que debe perdurar todo el periodo
de registro.
c) Realizar las observaciones durante las 06:00 h; 10:00h; 14:00 y 18:00 hora local
diariamente y de forma interrumpida.
d) El nivel debe ser medido con una exactitud de + 1 cm.
e) Anotar los datos obtenidos en la Planilla de Lectura de Mira En observaciones,
se deberá incluir algún evento extraordinario sucedido (desbordes, etc.
Estudio de la descarga hidrométrica
Metodología
Se ha empleado el método indirecto para la evaluación del potencial de recurso
hídrico, debido a la poca información hidrométrica disponible en el área de estudio,
obteniéndose resultados válidos a nivel de reconocimiento. El método se basa en
los estudios sobre los movimientos de agua en la atmósfera del Dr. L. R.
Holdridge, sistematizados en el Diagrama para la Clasificación de Zonas de Vida
en el Mundo y en el Nomograma de Movimientos de Agua en Asociaciones
Climáticas.
El Diagrama de Zonas de Vida se fundamenta en la relación que existe entre las
condiciones bioclimáticas (precipitación, temperatura, humedad y
evapotranspiración), la vegetación natural y el suelo dentro de una Zona de Vida,
puesto que estas definen áreas homogéneas desde los puntos de vista
topográficos, climáticos, edáficos, de fauna y flora e hídricos. El Nomograma de
Movimientos de Agua establece las características de los movimientos del agua en
cada provincia de humedad, en función de la evapotranspiración potencial. Se
determinó las zonas de vida existentes en el área de estudio empleando el
Diagrama de Zonas de Vida del Mundo, y con el Nomograma de Movimientos de
Agua, se determinó el coeficiente de escurrimiento y la lámina de escurrimiento
Media anual de cada formación ecológica. La información pluviométrica e
hidrométrica se utilizó para ajustar los valores obtenidos.
De esta forma se obtienen zonas de escurrimiento, elaboradas para el área de
estudio, que consignan para cada una la siguiente información: zona de vida,
precipitación media anual en mm, coeficiente de escurrimiento a dimensional y
escurrimiento superficial medio anual en mm. Por lo tanto para obtener la
descarga media anual de cualquier punto de la red hidrográfica, se procede de la
siguiente manera:
1. Ubicar sobre el Mapa de Escurrimiento, el punto del río cuya descarga media
anual se desea conocer.
2. Delimitar el área de drenaje o cuenca colectora de dicho punto.
3. Planimetría cada una de las zonas de escurrimiento, ubicadas dentro de la
cuenca delimitada.
4. Calcular la descarga parcial de cada zona de escurrimiento, para lo cual se
multiplicará el área determinada anteriormente por la lámina de escurrimiento
correspondiente.
5. La descarga media anual es la sumatoria de las descargas parciales
determinadas para cada una de las zonas de escurrimiento.
La base para el cálculo de escurrimiento medio anual fue la siguiente ecuación
General:
E = K x PP
Donde:
E = Escurrimiento superficial medio anual en mm;
K = Coeficiente de escorrentía (a dimensional)
PP = Precipitación media anual en mm.
Métodos de aforo de aguas superficiales
El conocimiento de la variación del caudal que fluye por una determinada
sección de un cauce natural es de suma importancia en los estudios hidrológicos.
De acuerdo con la calidad y la cantidad de los registros de caudales necesarios en
un estudio hidrológico, las mediciones se pueden hacer de una manera continua o
permanente o de una manera puntual o instantánea, las mediciones continuas de
caudales requieren de la instalación de una estación medidora (limnimétrica) o de
una estación registradora (limnigráfica).
Las mediciones aisladas, puntuales o instantáneas, se realizan en determinados
momentos en que se desee conocer la magnitud de una corriente en particular
(Ing. Ramiro Pérez. Universidad Nacional).
La mayoría de los métodos de aforo se basan en la ecuación de continuidad:
Donde:
Q = Caudal, m3/s
V = Velocidad, m/s
A = Área, m2
Los métodos de aforo de corrientes naturales de agua más utilizados:
Aforo volumétrico:
Se aplica generalmente en los laboratorios de hidráulica, ya que solo es funcional
para pequeños caudales; sin embargo se pueden implementar también en
pequeñas corrientes naturales de agua, el método consiste en tomar el tiempo que
demora en llenarse un recipiente de volumen conocido. Posteriormente se divide
el volumen en litros entre el tiempo promedio en segundos, obteniéndose el caudal
en L/s.
Figura 11. Método volumétrico
Los aforos con vertederos y canaletas :
Se utilizan principalmente en la medición de caudales en pequeñas corrientes, en
canales artificiales y de laboratorio; su uso en corrientes naturales es muy
restringido. El método consiste en interrumpir el flujo del agua en la canaleta y se
produce una depresión del nivel, se mide el tamaño de la lámina de agua y su
altura. El agua cae por un vertedero durante cierto tiempo, se mide la altura de la
lámina y se calcula la cantidad de agua que se vertió en ese tiempo.
Figura 12. Secciones de control artificiales para aforar corrientes naturales
El aforo con flotadores:
Son los más sencillos de realizar, pero también son los más imprecisos; por lo
tanto, su uso queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisión.
Con este método se mide la velocidad del agua superficial que discurre de la
fuente tomando el tiempo que demora un objeto flotante en llegar de un punto a
otro en una sección uniforme.
Figura 13. Método de velocidad – área o aforo con flotadores
Fuente: Guía de orientación en saneamiento básico para alcaldías de Municipios
rurales y pequeñas comunidades 2009
En éste método, se toma un trecho de la corriente; se mide el área de la sección;
se lanza un cuerpo que flote, aguas arriba de primer punto de control, y al paso del
cuerpo por dicho punto se inicia la toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto
de control corriente abajo. El resultado de la velocidad se ajusta a un factor de 0.8
a 0.9
El aforo con trazadores fluorescentes o colorantes:
El empleo de colorantes para medir la velocidad del flujo en corrientes de agua
es uno de los métodos más sencillos y de mayor éxito, una vez elegida la sección
de aforo, en la que el flujo es prácticamente constante y uniforme se agrega el
colorante en el extremo de aguas arriba y se mide el tiempo de llegada al extremo
de aguas abajo. Conocida la distancia entre los dos extremos de control, se puede
dividir esta por el tiempo de viaje del colorante, obteniéndose así la velocidad
superficial o subsuperficial de la corriente liquida.
La velocidad media de flujo se obtendrá dividiendo la distancia entre los dos
extremos o puntos de control, por el tiempo medio de viaje.
El aforo con trazadores químicos y radioactivos :
Es un método muy adecuado para corrientes turbulentas como las de montañas.
Estos trazadores se utilizan de dos maneras: como aforadores químicos, esto es,
para determinar el caudal total de una corriente y como medidores de velocidad de
flujo.
En los aforos químicos y radioactivos, se inyecta una tasa constante qt, de la
sustancia química, radioactiva o trazador, de concentración conocida, Cti, a la
corriente cuyo caudal, Q, desee determinarse y cuya concentración de la
sustancia, Ca, en la corriente.
También se conoce. A una distancia corriente abajo, suficientemente grande para
asegurar que se han mezclado totalmente el trazador y el agua, se toman
muestras de ésta, y se determina la concentración de la sustancia química o
radioactiva, Ct. El caudal de la corriente se puede determinar, empleando la
siguiente ecuación:
En su empleo como medidores de velocidad, los trazadores químicos y
radioactivos se inyectan aguas arriba del primer punto de control de la corriente.
Se calcula el tiempo de paso del prisma de agua que contiene el trazador entre
dicho punto de control y otro situado aguas abajo a una distancia previamente
determinada. El cociente entre esta distancia y el tiempo de paso es la velocidad
media de la corriente.
Cuando se emplea la sal común (NaCl) como trazador químico, se mide el
tiempo de paso entre los dos puntos de control, utilizando electrodos conectados a
un amperímetro, esto es, un conductivímetro. Este método de medición es posible
debido a que la sal inyectada aumenta la concentración de sólidos disueltos y, por
lo tanto, la conductividad del agua.
El aforo con molinete o correntómetro :
El principio de la medición de velocidad con molinete es el siguiente: supóngase
un molinete puesto en un punto de una corriente que tiene una velocidad V. La
longitud S, es el recorrido de una partícula fluida moviéndose a lo largo del
contorno completo de la línea que determina una vuelta de la hélice.
La situación es análoga al suponer quieta el agua y el molinete desplazándose a
través de ésta con velocidad V. Para un desplazamiento S, la hélice también dará
una vuelta. Para un movimiento uniforme:
El espacio, S, recorrido por la hélice, o por la partícula líquida a través de ésta, se
representa por el número de rotaciones, N, que da el molinete en t segundos.
Entonces:
Y haciendo:
La frecuencia de giro, se tiene:
Con la sensibilidad del aparato se hace sentir a partir de determinada velocidad
mínima, a, que en general, es del orden de 1 cm/s, por debajo de la cual el
aparato no se mueve, la ecuación del aparato se transforma en:
Ecuación que corresponde a una línea recta. Los aparatos vienen con su
respectiva ecuación de calibración, dependiendo del tipo de molinete y de la casa
productora, o tabuladas las velocidades en función del número de revoluciones por
minuto.
Aforos de caudales circulantes
El aforo de una corriente de agua es la medida del caudal circulante que pasa
por una sección en un momento determinado: Q = v·S, donde v es la velocidad de
la corriente y S es la sección que es atravesada por la corriente.
Los distintos métodos para calcular el aforo son:
- Aforo por medida de velocidades (molinetes);
- Aforo por medida del nivel de agua;
- Aforo en una sección de control;
- Aforo por trazadores;
Aforo por medida de velocidad
El problema principal que se plantea en el aforo es la diferencia de velocidades
entre los distintos puntos de la sección.
Este método exige la medida de la velocidad mediante unos aparatos
denominados molinetes, constituidos por una hélice o aspa que gira en función de
la velocidad del agua.
La velocidad lineal del agua queda entonces en función del número de vueltas
dividido por el tiempo, cociente que se mide mediante un dispositivo contador
electrónico. La ecuación que relaciona el número de vueltas con la velocidad es v
= a·n + b , donde a y b son constantes del aparato y n es el nº de vueltas partido
por el tiempo. La sección total de un cauce se divide en pequeñas secciones y de
cada una de ellas se obtiene una vi, de forma que Q = Vi·Si.
Aforo por medida del nivel de agua
En una determinada sección el caudal circulante es función de la altura de la
lámina, es decir Q = Q(h) , función denominada curva de capacidad. Si se conoce
esta curva y se mide la altura del agua, se puede calcular inmediatamente el
caudal, esta medida de la altura se hace por medio de una mira graduada llamada
limnímetro.
Las medidas realizadas por este método son baratas, pero su principal problema
es la existencia de errores por cambio en las condiciones de la sección, bien por
variación de la sección, bien por variación de la rugosidad, o bien del propio
régimen del río, esto exige un tarado y control periódico de las curvas de
capacidad, unido a medidas para garantizar la estabilidad de la sección evitando
erosiones, sedimentaciones y cambios de rugosidad.
Aforos en una sección de control
En puntos donde el caudal no es muy alto se pueden realizar obras de fábrica
que generan una sección donde el caudal sea calculable por medio de
formulación. Por ejemplo, en un vertedero de pared delgada el caudal viene dado
por Q = Ca·2/3· (2·g·L)1/2·H3/2 , que con coeficiente de contracción Ca " 0,60
queda Q = 1,8·L·H3/2 .
Nótese que H debe ser medido en la zona que no se considere la contracción de
la lámina por velocidad.
Aforo por trazadores
Se basan en la inyección de una sustancia detectable, colorante o sustancia
radiactiva que es medida aguas abajo del punto de inyección.
Existen 2 métodos:
Método de inyección continua
En una determinada sección 1 de la corriente hidráulica, se inyecta un trazador
con caudal q1 y concentración c1, y se mide en la sección 2 la
concentración c2 del trazador cuidando que esta concentración alcance un valor
estable. De esta forma queda que Q = (q1·c1) / c2 .
Las precauciones que es preciso adoptar son:
a) El trazador no debe de ser destruido ni retenido entre las dos secciones.
b) La concentración c2 debe ser uniforme y estable.
c) La distancia entre las dos secciones debe ser suficiente para que se uniformice
el trazador y no muy larga para ahorrar trazadores.
El principal problema con este método es la gran cantidad de trazador necesario
para estabilizar la concentraciónc2.
Método de inyección puntual
Consiste en inyectar en la sección 1 una masa M conocida de trazador y medir
en 2 la concentración del trazador en función del tiempo, de modo que Q = M / "
c·dt .
Este método tiene la ventaja de ahorrar trazador pero exige la medida continua
de la concentración en la sección 2.
Las características que los trazadores deben cumplir son:
- Ser inalterables durante el período de medidas.
- No ser ni tóxicos ni contaminantes para las personas y el medio ambiente.
- Ser solubles o miscibles en agua.
- Fáciles de medir en cuanto a su concentración.
- Ser baratos.
Dentro de los trazadores químicos más utilizados de encuentran el Cloruro
Sódico, el Bicromato Sódico y la Rodamina B.
Dentro de los trazadores radiactivos destacan el Sodio 24, el Fósforo 32, el
Cromo 51 y el Bromo 82.
Estaciones de aforo
La medida de los caudales de realiza de forma sistemática en estaciones de
aforo que se sitúan en los principales ríos, en España existen del orden de 500
estaciones controladas por la Comisaría de Aguas, que es un departamento que
depende de las Confederaciones Hidrográficas.
Los aforadores se encargan de medir los caudales en ciertos puntos y del
mantenimiento de estas estaciones de aforo.
CONCLUSION
En la actualidad la hidrología tiene un papel muy importante en el planeamiento
del uso de los Recursos Hidráulicos, y ha llegado a convertirse en parte
fundamental de los proyectos de ingeniería que tienen que ver con suministro de
agua, disposición de aguas servidas, drenaje, protección contra la acción de ríos y
recreación.
Las inundaciones son eventos hidrológicos extremos que pueden prevenirse
mediante el estudio de la hidrología.
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