introduccion-hidrologia
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CURSO HIDROLOGIA
Profesor:Edmundo González
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HIDROLOGÍA
Concepto de hidrología
“La Hidrología es la ciencia de la naturaleza que estudia el agua dentro del planeta tierra, tanto en los aspectos de ocurrencia como acumulación y circulación desde el punto de vista cualitativo, cuantitativo y estadístico.”
“Ciencia que trata de las aguas de la tierra, su existencia, circulación y distribución, sus propiedades físicas y químicas y sus reacciones con el medio ambiente incluyendo su relación con los seres vivos.”
Según: Federal Council for Science and Technology (EE:UU)
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Esquema del ciclo hidrológico.
Distribución de agua en el planeta.
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Relación con otras cienciasRamas afines Meteorología
Geología
Oceanografía
Geomorfología
Geografía Física
Climatología
Disciplinas afines Agronomía
Mecánica y física de los suelos
Hidráulica y Mecánica de los Fluidos
Estadística
Análisis de Sistemas
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HIDROLOGÍA
METEREOLOGIA(Origen del agua)
CLIMATOLOGÍA
GEOLOGÍA
HIDRAULICA(Agua en proceso de Mov.
OCEANOGRAFÍA
ESTADISTICA
CÁLCULO DE PROBABILIDADES
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Reseña Histórica
La Hidrología como ciencia moderna se inicia en el siglo XIX, con el desarrollo de la Física, la aceptación del concepto “Ciclo Hidrológico” y con la iniciación de medidas de precipitación y caudal.
-XV Leonardo da Vinci introduce la idea de evaporación y condensaciónBarnard Polissy, propone el concepto del “Ciclo Hidrológico”
-XVII Perrault, Mariotte y Halley, avanzan el concepto del Ciclo Hidrológico en los aspectos de Escorrentía y evaporación.Halley, cuantifica la evaporación mundial y compreba que es suficiente para cubrir todos los cursos de aguas.
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-XVII y XIX Avances en la HidráulicaPitot, Bernouilli, Chezy, Venturi, etc.,Hacen avanzar la hidrología por las necesidades producidas por le desarrollo de las Obras Hidráulicas.
-XIX Se generaliza las medidas de Precipitación y CaudalDarcy; Movimiento del agua en medios porosos, impulsando la Hidrogeología y la Hidrología
-XX El deseo de la Hidrología aporte datos para la predicción.Teoría del H. U. De ShermanAnálisis estadístico de series temporales (Wiemar 1948)Gumbel (1958) distribución de máximos
-XX Desarrollo de Modelos Matemáticos
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El Ciclo Hidrológico
En el caso más general, el agua puede ser almacenada en:
•Atmósfera (generalmente como vapor)
•Lagos, ríos y embalses (agua dulce)
•Océanos ( agua salada)
•Acuíferos (agua subterránea
Asimismo, el agua puede estar almacenada en:
•Suelo
•Vegetación
•Nieve Hielo
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La transferencia de agua entre cada elemento de almacenamiento se denomina:
Existen otros fenómenos de transferencia tales como:
Deshielo, paso del agua de fase sólida a líquida.
Sublimación, paso de fase sólida a gas.
Flujo, en ambos sentido entre acuífero y masas de agua.
Precipitación (lluvia, nieve) paso del agua desde la atmósfera a la superficie.
Evaporación, paso del agua desde la sup. Terrestre a la atmósfera.
Evapotranspiración, evaporación de los vegetales.
Infiltración, paso del agua entre la sup. Terrestre y las capas inferiores.
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Esquema del ciclo hidrológico.
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BALANCE HIDROLOGICO
Es la aplicación de la conservación de la masa de agua existente a nuestro planeta, total (Oceanos, ríos, subterránea, etc).
En hidrología, el balance se limita a las fases no gaseosas correspondientes a una zona concreta y a un período de tiempo determinado.
•ZONA FISICA : Cuenca hidrográfica
•PERIODO DE TIEMPO : Un año hidrológico; Chile: Abril – Marzo
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Cuenca Hidrográfica
Es un área topográficamente delimitada por un curso de agua, o un sistema conectado de cursos de agua, de modo tal que el caudal efluente es descargado por una sola salida.
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Ecuación del Balance Hidrológico
SOI Donde: I = entrada al sistema O = salida del sistema S = variación de almacenamiento
Dentro de un período considerado, para el balance hidrológico tenemos:
Si = reserva existente al inicio del período P = volumen de precipitación recibida en el período E = evaporación sufrida durante el período Q = volumen de escorrentía Sf = reserva existente al final del período
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Luego:
if SSQEP )(Ecuación aparentemente simple, pero cada uno de los subelementos muy complejos
Ej. De reservas existentes
Volumen de aguas de embalses y lagos Volumen de aguas en ríos Reservas subterráneas Agua existente en forma de hielo o nieve Agua existente en el suelo vegetal, etc.
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Es habitual referirse al balance hidrológico en que las reservas sean mínimas (Abril), se supone al mínimo y sea estable, de forma que el valor sea constante para años sucesivos
0)( if SSQEP
EQP
PQ
: Déficit de escorrentía
Donde
: Coeficiente de escorrentía.
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Ecuación general del balance hidrológico
La ecuación más general para una cuenca queda expresada como sigue:
NZSLSeZASA SSSSQIETEQQP
donde P = precipitación Qsa = gasto superficial afluente a la cuenca (natural o artificial) Qza = gastos subterráneos afluentes E = Evaporación media desde superficies de agua libre ET = Evapotranspiración media I = intercepción de la precipitación en la vegetación Qse = gasto superficial efluente de la cuenca Qze = gasto subterráneo efluente SL = volúmenes de agua almacenada superficialmente (lagos, embalses, lagunas,etc) SS = volumen de agua almacenado en suelos no satorados ( en forma de humedad) SS = almacenamiento subterráneo en los acuíferos SN = variación del agua almacenada en nieves y glaciares
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Las unidades de cada término pueden ser expresadas en milímetros sobre el área de la cuenca (mm) o en metros cúbicos (m3).
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Balance hidrológico del suelo
El sistema suelo-agua-planta, puede ser esquematizado como sigue:
Donde:P = precipitaciónET = evapotranspiraciónEI = escorrentía superficialI = infiltraciónH = humedad del sueloPf = percolación profundaES = escorrentía subterráneaIN = intercepciónZ = almacenamiento
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Balance hidrológico del suelo
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Para un período de tiempo t, se puede establecer el siguiente balance:
ZHESETETIESEIP N 2211
donde H y Z son los cambios de humedad del suelo y las variaciones del almacenamiento subterráneo.Lo anterior, limitado sólo a la zona radicular, tendremos:
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HPEIETIEIP fN 21
21 EIETIEIPI N
HPI f
y los aportes o entradas netas de agua al sistema radicular, están constituidos por:
La ecuación de balance, puede ser reescrita como:
Lo anterior puede ser aplicado en la evaluación de:
Estimación de tasas de riegoNiveles de humedad disponible en el suelo
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Balance hidrológico de una región
Un sector de una cuenca o región puede ser representada como:
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Donde: P = precipitación Q = gasto superficial QZ = escorrentia superficial del río H = humedad de los suelos Z = almacenamiento subterráneo ( agua) ET = evapotranspiración R1 = recarga superficial del sector provenientes de canales o quebradas R2 = descarga superficial del sector ( canales , etc.) DZ = descarga desde almacenamiento subterráneo por pozos o aporte directo de la napa al río. RZ = recarga subterránea
ZHQQETRQRQP zz 222111
ZHDQRQ ZZZZ 21
Aplicada la ecuación a un sistema, tenemos:
y para un subsistema de embalse subterráneo, tenemos:
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Algunas aplicaciones a un sector del río, nos permiten pe:
•Estimar pérdidas y recuperaciones de aguas
•Montos de consumos de agua
•Interacción entre río y acuífero
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Balance hidrológico en un embalse
Esquemáticamente un embalse puede ser representado como sigue:
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Donde:
Qa = caudales afluentes al embalse (ríos, canales, quebradas, etc.) P = precipitación sobre el embalse E = evaporación desde el embalse I = infiltración Qv = gasto efluente por el vertedero del embalse. IM = infiltración por el muro del embalse QD = gasto efluente por obras de entrega. S = volumen de agua almacenada en el embalse
Para un cierto período de tiempo, tenemos:
SEIIQQPQ MDVa
Algunas aplicaciones pueden ser:
Estudios de operación de embalsesDimensionamiento de vertederosReconstitución de la estadística de caudales de un río.
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AGUA A NIVEL MUNDIAL
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HIDROLOGIA COMO SISTEMA
Se busca relacionar las entradas y las salidas del sistema.
Objetivo Lograr predecir el comportamiento de una variable.
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Concepto de sistema
Un sistema es un conjunto de partes conectadas entre sí, que forman un todo.
El ciclo hidrológico, puede ser considerado como un sistema cuyos componentes son:
•Precipitación•Evaporación•Escorrentía•Y otras formas del ciclo hidrológico
Además, estas componentes pueden ser agrupadas en subsitemas para analizar el ciclo total. Estos subsistemas pueden analizarse separadamente y combinarse, para en forma más simple interactuar sus resultados.
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Del esquema del ciclo hidrológico pueden considerarse los siguientes subsistemas:
•Agua atmosférica
•Agua superficial
•Agua subterránea
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Procesos hidrológicos
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Por otra parte, una representación más simple del ciclo hidrológico ha sido desarrollada por medio del concepto de volumen de control. Se aplican las ecuaciones básicas de conservación de masa y de momentum y la energía se verifica en un volumen de control por el cual el fluido circula.
Nota: El conocimiento del sistema físico ayuda al desarrollo de un buen modelo.
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Modelo del sistema hidrológico
Un modelo de sistema hidrológico es una aproximación al sistema real. Sus entradas y salidas son variables hidrológicas que se pueden medir y su estructura es un conjunto de ecuaciones que conectan la entrada y la salida
)()( tItQ
Ecs. De transformación del sistema
donde:Q(t) = entrada el sistemaI(t) = salida del sistema= función de transferencia
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)()( tCItQ
CtItQ
)()(
kQS
Como es un operador algebraico, tenemos:
con C constante, y la función de transferencia;
Para el caso de un operador diferencial:
donde S representa un almacenamiento en función del caudal (pe. Embalse), tenemos:
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•Assumptions All dimensions = mm of moisture storage• R = Rainfall: an input time series• E = Potential evaporation: an input time series
saturation
RR EEoverland flow
field capacity
rooting depth
interflow
wilting pointpercolation
baseflowGroundwater
Soil
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Clasificación de modelos hidrológicos
AbstractosMod
FisiModihidroModelos
.
cos.coslog
Modelos Físicos Modelos a escala que representan el sistema a una escala
reducida (pe, modelo hidráulico de un vertedero).
Modelos Abstractos Representan el sistema en forma matemática. La clasificación
mas general de los modelos hidrológicos se representa en el siguiente esquema:
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regressioncorrelation
distributedphysically-
basedempirical
lumpedconceptual probabilistic stochastic
statisticaldecisiontheory
statisticalprogramming
blackbox
greybox
whitebox
Systems Hydrology
deterministic statisticalmethods
optimizingnon-optimizing
Clasificación de Modelos hidrológicos
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SHETRAN