capitulo 5 escurrimiento

7/26/2019 Capitulo 5 Escurrimiento

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Capitulo V

ESCURRIMIENTO

MG GEG CESAR E CARRERA S


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Escurrimiento: Agua proveniente de las precipitaciones que

circula sobre o bajo la superficie terrestre llegando a una corriente principal

hasta salir de la cuenca o estacin de aforo.

1.Una parte de la precipitacin se infiltra.

Una parte va para mantener la humedad

del suelo, capas que estn por encima delnivel fetico

Una vez saturada pasa a la recarga delagua subterrnea.

2. Otra parte de la precipitacin escurre sobre

la superficie terrestre, a la precipitacinque ocasiona este escurrimiento se denominaaltura de precipitacin en exceso (hp)

3. Una pequea proporcin se pierde

Cuando la precipitacin llega la superficie, ocurre lo siguiente:


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Clasificacin

1. Escurrimiento superficial (Q)2. Escurrimiento sub superficial (Qs)

3. Escurrimiento subterrneo (Qg)


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1. Escurrimiento superficial,

proviene directamente de la precipitacinno infiltrada (precipitacin en exceso) y que ocurre sobre la superficie delsuelo. Existe durante e inmediatamente despus de una tormenta. Tiene unefecto inmediato o retardo en el escurrimiento total.

2. Escurrimiento sub superficial

, proviene de una parte de laprecipitacin infiltrada cuyo efecto en el escurrimiento total puede sertambin inmediato o retardado (este ltimo se evala como escurrimientosubterrneo).

3. Escurrimiento subterrneo

, proviene del agua subterrnea,recargada continuamente por la precipitacin que se infiltra despus que elsuelo se ha saturado.


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Por la forma en que se contribuye al escurrimiento total, el escurrimiento es directocuando su efecto es inmediato y escurrimiento bases cuando es retardado.


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Depende de factoresmeteorolgicos (intensidad yduracin de la precipitacin,direccin y velocidad de latormenta y distribucin de lalluvias en la cuenca) yfactores fisiogrficos (cuenca,tipo de suelo, humedad

preexistente del suelo,pendiente, etc.)

Factores que afectan elescurrimiento superficial

CONDICIONESMETEOROLGICAS

FACTORESFISIOGRFICOS


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Forma y tipo de precipitacin

Si la precipitacin es tipo orogrfico, la precipitacin ocurrir en las vertientes

de la cueca donde se inician los escurrimientos y se regularizan en el trayecto. Sila precipitacin cae en forma de lluvia con intensidad y duracin suficiente,entonces el escurrimiento superficial se presentara inmediatamente y cuando esen forma de nieve tiene otro comportamiento mas retardado


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Intensidad de precipitacin

Cuando la intensidad de la lluvia excede a la capacidad de infiltracin del suelo,

se presenta el escurrimiento superficial, lo que se traduce en el aumentoinmediato o retardado del caudal del rio. Esto depende del tamao de la cuenca.


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Duracin de la precipitacin

La capacidad de infiltracin del suelo disminuye durante la precipitacin as unatormenta con intensidad de lluvia relativamente baja genera un escurrimientosuperficial considerable, si su duracin se prolonga ms en el tiempo. En zonasbajas de la cuenca una precipitacin de larga duracin hace que el nivel fretico seeleve a la superficie anulando as la infiltracin y aumentado la magnitud delcaudal de escurrimiento.


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Distribucin de las lluvias en la cuenca

La precipitacin no se distribuye homogneamente sobre la extensin total de lacuenca y sobre todo cuando la cuenca es muy extensa.

Si la precipitacin se concentra en la parte baja de la cuenca se generan caudalesmayores y si ocurre en zonas ms remotas de la cuenca el efecto de la precipitacinen el escurrimiento es una disminucin del caudal mximo de descarga. Esto se debe alefecto regulador de los caudales y el retardo de la concentracin.


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Direccin y velocidad de la tormenta

La tormenta que se mueve en el sentido de la corriente, producen descargas decaudales mayores que las que se desplazan hacia la parte alta de la cuenca


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Superficie de la cuenca

El tamao de la cuenca tiene gran efectoen la magnitud del escurrimiento, aunque

la relacin entre el tamao del rea y elcaudal de descarga no es lineal. Aligualdad de los otros factores paracuencas mayores hay diminucin relativa enel caudal mximo de descarga debido a que

son mayores el efectos de almacenaje, ladistancia recorrida por las aguas, y por lotanto el tiempo de regulacin en loscauces.La mxima intensidad de lluvia que puedeocurrir con cualquier frecuencia decrececonforme aumenta el tamao de la cuencaque cubre la tormenta, por lo que paracuencas mayores se tendrn intensidadesde precipitacin y caudales especficos decargas menores.

Tamao de

la tormenta

Tamao de

la tormenta


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Elevacin de la cuenca

Existe una buena correlacin entre la precipitacin y la elevacin de la cuenca, esdecir, a mayor elevacin la precipitacin tambin es mayor.

Pendiente

Una de los factores ms importante en la duracin y velocidad del escurrimiento,sobre el suelo y los cauces naturales afectando de amanera notable la magnitud delas descargas. Influye en la infiltracin, en la humedad del suelo y en la aparicin deaguas subterrneas.


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Otros factores

La localizacin y orientacin de la cuenca, la eficiencia de la red de drenajenatural, la extensin de la red hidrogrfica y otros de menor importancia.

Tipo y usos del suelo. Estado de humedad antecedente del suelo: La cantidad deagua existente en las capas superiores del suelo afecta el valor del coeficiente deinfiltracin. Si la humedad del suelo es alta en el momento de ocurrir una tormenta,la cuenca generar caudales mayores debido a la diminucin de la capacidad deinfiltracin.


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Mtodos:

1. Aforos con flotadores2. Aforos volumtricos3. Aforos qumicos

4. Aforos con vertederos5. Aforos con correntmetro omolinete

6. Aforos con medidas de laseccin y la pendiente

Medicin del escurrimiento aforos)

La hidrometra es la medicin de escurrimiento. Aforo es determinar a travs demediciones, el caudal que pasa por una seccin dada y en momento dado.


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Aforo:

El aforo es la operacin de medicin del caudal en una seccin de un curso deagua. En los ros se mide en forma indirecta, teniendo en cuenta que:

Q [m3/seg] = V [m/seg] x A [m2].

Medicin del escurrimiento aforos)


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Aforos con flotadores

Con este mtodo se miden caudales de pequeos a grandes con mediana exactitud.Conviene emplearlo ms en arroyos de agua tranquila y durante perodos de buentiempo, porque si hay mucho viento y se altera la superficie del agua, el flotadorpuede no moverse a la velocidad normal.


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Q = V* A

V = L/T

A = A

A

+ A

B

/2

A = rea de una seccin transversal

h1 h5h3 h4h2 h6h0T1

h1 h5h3 h4h2 h6h0T1

A

B

L

A = h0 + h1 T12

AA= Ai

Mide la velocidad superficial de la corriente (v) y el rea de la seccintransversal (A), luego se calcula el caudal con la ecuacin:


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Aforos volumtricos

Es el mtodo ms exacto pero aplicable solo a corrientes pequeos. Se utiliza enlaboratorios para calibrar diferentes estructuras de aforo. Consiste en hacer

llegar una corriente, aun recipiente de volumen (V) y medir el tiempo (T) que tardaen llenarse dicho depsito

1. Se calcula el volumen de depsito o recipiente (V)2. Se mide el tiempo (T) requerido para llenar el depsito.3. Se calcula el caudal (Q) con la ecuacin : Q = V/T


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Aforos qumicos

Consiste en inyectar en el curso del agua una solucin concentrada C1 de unproducto qumico. El caudal se calcula el principio de conservacin de la materia.

Es un mtodo muy adecuado para corrientes turbulentas como las de montaas. Estostrazadores se utilizan de dos maneras: como aforadores qumicos, esto es, paradeterminar el caudal total de una corriente y como medidores de velocidad de flujo


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Condiciones que se deben cumplir:

1. Debe conseguirse que la mezcla debe ser homognea2. Condicin: turbulencia activa en el curso de todo el sector donde se lleva a

cabo la medida.3. Establecimiento rpido de rgimen permanente.4. Condiciones: renovacin rpida de la masa de agua, en todos los puntos del

sector de medida, evitndose las aguas muertas. El colorante debe reunir

ciertas condiciones.


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Aforos con vertederos

Interposicin de una cortina en el cauce del rio con el fin de represar el agua y

obligarla pasar por una escotadura (vertedero).Los vertederos son los dispositivos ms utilizados para medir el caudal en canalesabiertos, por las siguientes ventajas:

Precisin en los aforos Su construccin sencilla Los materiales no son flotantes en el agua Alarga duracin del dispositivo


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Aforos con correntmetro o molinete

Los correntmetros son aparatos que miden la velocidad en un punto dado del

curso del agua, por medio de un rgano mvil que detecta la velocidad y transmitelas indicaciones de un interruptor que se encarga de cerrar un circuito elctrico alcabo de un cierto nmero de vueltas cobre un contador o contometro.Tipologas: correntmetro con eje vertical, otros horizontales los mismos que seobtiene con certificado de calibracin donde est la frmula que se utilizar para

calcular la velocidad bajo la forma:

V = a*n+b


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Formas de aforo

1. A pie, en cursos de agua poco profundo, poco caudal y fondo resistente. Secoloca una cinta graduada de un margen a otro y se va midiendo la velocidad adiferentes profundidades a puntos equidistantes de un extremo a otro.

2. A cable,

en este caso se tiene un cable de un extremo a otro y el aforo sehace a bote.

3. Sobre una pasarela, cuando se trata de pequeos ros, se coloca una pasarela

entre los pilones de un puente.


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Proceso para realizar el aforoCalcular el rea de la seccin transversal

Dividir la seccin transversal (franja hidrulica) en franjas, para esto:

Medir el ancho del rio (espejo de agua) T1 Dividir el espejo de agua T1, en nmero N de tramos (por lo menos 10), siendo el

ancho de cada tramo: L = T1/N Medir en cada vertical, la profundidad h, puede suceder que en los mrgenes la

profundidad sea cero o diferente de cero. El rea de cada tramo de puede determinar como el rea de un trapecio,si la

profundidad en algunos de los extremos es cero se calcula como si fuera un

tringulo.

A

1

= h

0

+ h

1

/2*L

A

1

= h

1

/2*L


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Calcular la velocidad

Calcular la velocidad puntual Calcular la velocidad promedio en una vertical Velocidad en un punto Velocidad en dos puntos Velocidad en tres puntos Calcular la velocidad promedio de un tramo

La velocidad en una determinada seccin de la corriente vara tanto

transversalmente como con la profundidad.La velocidad, se miden en distintos puntos en una vertical; la cantidad puntosdepende de la profundidad del cauce y del tamao de correntmetro.


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Calcular el caudal

Mtodo del rea y velocidad promedio

Procedimiento:

Calcular para cada vertical a velocidad media, usando el mtodo de uno dos otres puntos.

Determinar la velocidad promedio de cada tramo, como el promedio de dosvelocidades medias, entre dos verticales consecutivas:

Vp1 = Vm0 + Vm1/2

Determinar el rea que existe entre dos verticales consecutivas utilizando la

frmula del trapecio:

A1 = h0+h1/2 * L


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Determinar el caudal que pasa por cada tramo utilizando la ecuacin decontinuidad, multiplicando la velocidad promedio del tramo por el rea del tramo:

Q1 = V1 * A1

Calcular el caudal total que pasa por la seccin, sumando los caudales de cadatramo:

Q = Qi


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Mtodo de parbolas

Procedimiento:

Trazar para cada vertical, la curva profundidad velocidad pv Calcular las reas de las parbolas (usar el planmetro o el mtodo de la

balanza). Cada rea calculada representa un caudal por unidad de ancho(m2/s).

Trazar la curva pv vs ancho Calcular con un planmetro o balanza analtica el rea de la curva anterior,la cual representa el caudal.

Q

PV

Ancho


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Mtodo de las isotaquias

Procedimiento

Ubicar en cada vertical las velocidades calculadas Trazar as isotaquias interpolando las velocidades (las isotaquias, lneas que

unen puntos de igual velocidad). Calcular con el planmetro o con la balanza analtica las reas que quedan por

encima de cada nivel. Trazar la curva v vs rea acumulada por encima de cada velocidad. Calcular con el planmetro o con la balanza analtica, el rea de la curva

anterior, la cual representa el caudal.

Q

A

acumulada

v


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Anlisis de los datos de caudales

Valores representativos

Caudales promedios diarios: son calculados apartir de la altura h, leda en la escalaliminnimetrica o limnigrafo de la estacin deaforo, utilizando la curva de la calibracin.

La altura promedio se determina de 3lecturas tomadas a alas 7am, 12 y 5pm.

Caudales promedios mensuales

, son lascalculadas tomando como la media aritmtica,del caudal diario registrado en el mesconsiderado.

Caudales promedios anuales o mdulos, secalcula tomando la media aritmtica de loscaudales correspondientes los 12 meses delao.


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Medicin con un limnimetro

Se coloca en una de las mrgenes del rio,cuya extremidad inferior debe estar

siempre sumergida

Medicin con un limnigrafo

Tiene el registro continuo de las

variaciones del nivel de la corriente

Medidas de alturas


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1. Curvas de variacin estacional2. Curva masa o volumen acumulados3. Curva de duracin

Curvas representativas


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Proporciona informacin sobre la distribucin de los valores hidrolgicos,respecto a tiempo y la probabilidad de que dichos valores o eventos ocurran.Permite determinar las opciones de caudal que se puede presentar con una

determinada probabilidad

Curvas de variacin estacional


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Procedimiento:

1. Obtener un registro de caudales mensuales2. Ordenar los n valores de cada mes (correspondientes a n aos), en orden

ascendente3. Determinar para cada valor, la probabilidad que el evento sea igualada o

excedida, aplicando la ecuacin de Hazen:


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5. Para cada mes trazar al

ojmetro, la recta de mejorajuste (ajuste de grfico)

4. Plotear en un papel deprobabilidad log-normal losvalores correspondientes a cadames, colocar en la escalalogartmica, los valores de loscaudales y en la probabilidad, susprobabilidades.


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6. Para cada mes trazar alaojmetro, la recta de

mejor ajuste.

7. A partir del grfico, paralas probabilidades quedesean, por ejemplo 75%,

80%, 90% estimar losvalores mensuales delcaudal correspondiente


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8. Plotear, en un papel milimtrico, para cada probabilidad considerada, mesesvs caudales

9. Unir con lneas rectas, para cada probabilidad establecida, los puntosobtenidos.

La Curvas de variacin estacional se aplica para calcular el balance hdrologico deuna cuenca ya que permite determinar la disponibilidad me a mes con una ciertaprobabilidad de ocurrencia.


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Curva Demanda vs Disponibilidad

Posibilidades en un proyecto

1. Que la disponibilidad del agua sea mayor o igual que la demanda, en estecaso se puede realizar una derivacin directa

2. Que la disponibilidad de agua sea menor que la demanda, en este caso parasatisfacer esta demanda se debe regular o almacenar.


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Curva masa o de volmenes acumulados

Llamado tambin diagrama de Rippl, es una curva que se utiliza en el estudio deregularizacin de los ros por medio de embalses. Proporciona el volumen acumuladoque ha escurrido en una estacin en funcin del tiempo a partir de un origen

arbitrario.


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Una curva masa, es la representacin acumulada de os aportes de una fuente, en unperiodo determinado de tiempo, que puede ser de uno o varios aos. El periodo detiempo que se toma, son los aos ms crticos del registro histrico.

Volumen

acumulado

en MM3

Rio con

caudal

regularizado

(m3/s)


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Propiedades

1. La curva masa es siemprecreciente, pues el agua que escurre

en un rio, se aade a la suma delos periodos anteriores

2. La tangente en cualquier punto dela curva, proporciona el caudalinstantneo en ese punto

3. El caudal promedio para un periodo de tiempo t1-t2, se obtiene de lapendiente de la cuerda, que unen los puntos de la curva masa para eseperiodo de tiempo, o de la divisin del incremento del volumen entre elperiodo del tiempo:

=2 1

2 1


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4. Los puntos de inflexin dela curva masa, tales comoI1 e I2 corresponden a los

mximos caudales mximosde crecidas y mnimos deestiaje de la curva decaudales instlatenos.


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Construccin la curva masa

1. Tener el registro de caudales histricos (promedio mensuales)

2. Transformar los caudales Q, en m3 /s a volmenes V, expresado en MM3(millones de metros cbicos): V = Q x T


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3. Acumular los volmenes y obtener la columna de volmenes acumulado4. Plotear las columnas de meses vs la columna de volmenes acumulados

La escala no

comienza decero


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Interpretacin de la curva de masa

A traes de la curva masa se puede conocer:

1. El volumen escurrido desde el inicio del periodo hasta una fecha dada2. El volumen escurrido entre dos fechas

3. El caudal medio correspondiente a un intervalo t2-t1, que viene a serproporcional a la pendiente de la recta, que une los puntos de la curva de

abscisas t2-t14. El caudal en una fecha que viene a ser proporcional a la pendiente de la

recta tangente a la curva en el punto correspondiente5. El caudal medio o caudal seguro correspondiente a todo periodo (tangente

trigonomtrica de la recta AB)

Caudal

seguro


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Calculo del caudal seguro que puede proporcionar un

embalse de capacidad conocida

Posibilidades:

Que se regulen o embalsen totalmente las aguas del rio Que esta regulacin sea solo parcial para un determinado volumen


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Regulacin total de caudales

En este caso se almacenan todas las aguas para obtener un caudal instantneoo de salida constante llamada caudal seguro, mediante la siguiente ecuacin:

La capacidad mnima de embalse que asegure este aporte en cualquier tiempo,se obtiene con el siguiente proceso:

1. Trazar tangentes envolventes de la curva masa, que sean paralelas a lalnea de pendiente del caudal seguro

2. Calcular la mayor distancia vertical entre tangentes consecutivas de losperiodos. Esta se mide en la escala del eje de volmenes acumulados.


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Anlisis de la curva masa

A fin de determinar la capacidad que debe tener un embalse destinado a obtenercaudal regulado, igual al caudal medio de todo el periodo (caudal seguro), se hacela siguiente representacin grfica para su respectivo anlisis.

Entre A y Q el caudalnatural es mayor que elcaudal regulado

QRrepresenta el volumen

disponible que se puedealmacenar Entre P y S el caudal

natural es menor que elcaudal regulado

QR seria el volumen

disponible para su uso Entre A y P se puedeatender el caudalsolicitado almacenando QR


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Trazando por T una paralela a AB, se tiene:

QU= capacidad mnima de embalseAC= volumen que hay que tener almacenado antes de que empiece el periodoQR= volumen que hay que almacenar durante el perodoEn Qesta colmado la capacidad del reservorioEn Tel reservorio esta vaco


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Regulacin parcial de caudales

En este caso se almacena un volumen determinado de agua que asegure un caudalcontinuo de Xm3/s.

Para trazar una lnea con una pendiente equivalente al caudal X m3/s, se hace losiguiente:

1. Tomar un periodo de tiempo, por ejemplo un ao

2. Calcular el volumen que produce el caudal X en un ao: V = Xm3/s * Tdas del ao

3. Trazar la pendiente o caudal X, tomando las coordenadas T = 1 ao, y elvolumen acumulado V, correspondiente al ao considerado.


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Posibilidades:

Si la pendiente de la curva masa (caudal seguro Qs), es menor que la pendientecorrespondiente al caudal X (Qs menor que X), hay deficiencia de agua en el rio, y no sepodr proporcionar el caudal Xm3/sSi la pendiente de la curva masa, es mayor que la pendiente correspondiente al caudalX/Qs mayor X), hay exceso de agua en el rio, y se puede aportar el caudal Xm3/s.

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