HIDRO

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1 UNIDAD INTRODUCCIÓN

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ingenier ía

I:

1.1 1.1 DEFI DEFINC NCIÓ IÓN N Y OBJ OBJETI ETIVO VO DE DE LA HIDROLOGIA La palabra hidrología etimológicamente proviene de las raíces griegas "hydor" que significa que significa agua y "logos" estudio. Por lo tanto, simplemente podemos decir que la hidrología es la ciencia que estudia el agua. Sin embargo existe una definición, la más completa completa que que conozca conozca hasta el momento, momento, y reza así: “Hidrología es la ciencia natural natural que estudia el agua, su ocurrencia, ocurrencia, circulación circulación y distrib distribución ución en la superficie superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, ambiente, incluyendo a los seres vivos ”.

Objetivos: La hidrología tiene como objetivo fundamental la estimación del evento de diseño, cuando se proyecta la construcción de una obra hidráulica. Es decir, puede ser la estimación de la avenida máxima para el vertedor de una presa o puede se el caudal máximo que circula circula por un río para para la la instalació instalación n de un equipo de bombeo que utilizará para el abastecimiento de agua en una población o la instalación de un sistema de regadíos. Puede ser también la estimación de la precipitación máxima que se desea conocer para el establecimiento de un determinado cultivo o para la construcción de un estanque para la siembra de peces. peces. En fin, podrían mencionarse una gran cantidad de ejemplos, ya que en todo proyecto debe pensarse siempre cuál es la fuente donde se tomará el agua.

BREVE HISTORICA

RESEÑA

Como sucede en muchas ciencias, ciencias, es difícil precisar precisar la fecha de su nacimiento. nacimiento. Sin embargo, los inicios de la hidrología se asocian con las obras hidráulicas en la antigüedad, que servían para abastecer de agu a las ciudades o para regar campos de cultivos. Muchos sabios griegos y egipcios intentaron comprender el medio físico que rodea al hombre. Todavía podemos ver vestigios de acueductos construidos por los romanos en Italia y España, de los cuales algunos todavía funcionan. Asimismo podemos encontrar obras de ingeniería hidrológica en América, en las culturas azteca e inca. El ciclo hidrológico, en su interpretación moderna nos parece tan simple, pero tuvo que pasar mucho tiempo para llegar a este conocimiento, ya que ni siquiera los intelectuales más brillantes del Renacimiento pudieron evitar algunas hipótesis falsas. Fue el francés Pierre Perrault quien demostró con evaluaciones cuantitativas en su libro "De l'origine des fontaines", publicado en 1674, que las precipitaciones y las nevadas son la causa del flujo en los ríos, como se conoce actualmente (Fig. 1.1).

aceptar la obra de de Pierre Perrault como principio de la hidrología científica y celebrar su tricentenario en 1974. Sin embargo, fue hasta el siglo pasado que la hidrología alcanzó un reconocimiento definitivo como disciplina. Su consolidación fue apoyada durante los últimos sesenta o setenta años por la publicación de una serie de manuales de hidrología, registrándose de esta manera el progreso científico con la aparición de revistas revistas especializadas especializadas y la creación creación de centros e institutos institutos de investigación investigación hidrológica. UNI DA D I- Introducci ón d e s u perficie Sandra 1

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Hidrol ogía Ayestas

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Proyectos de energía hidroeléctrica Proyectos de riego Proyectos de abastecimiento de agua para consumo humano e industrial Pronostico de avenidas y sequías Inundaciones y erosión hídrica Transporte Drenaje pluvial

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1.3 CIENCIAS E N QU QUE S E AP APOYA L A HIDROLOGÍA Las ciencias en que se apoya la hidrológica son básicamente: La geografía física, la meteorología, la geología, la hidráulica, las matemáticas y la estadística. También es fácil encontrar relación con la física, química, biología, investigación de operaciones y otras. Los límites que separan la hidrología se estas ciencias no están determinados y no tiene objeto tratar de definirlos rigurosamente. La hidrología es una parte interesante de la ingeniería, pero en algunos aspectos resulta notablemente diferente de la mayoría de las disciplinas integrantes de ésta. Los fenómenos naturales con los cuale s se relaciona no se prestan, al menos hasta ahora, a los análisis rigurosos de la mecánica, por esta razón existe una mayor variedad de métodos, mayor latitud para el criterio y una aparente falta de precisión en la solución de los problemas. A pesar de la importante función que tiene el hidrólogo en todas las fases del desarrollo de proyectos hidráulicos, es poco común que los estudiantes elijan la hidrología como profesión, ya sea porque esta rama no ha adquirido una clara fisonomía como tal, o porque en muchos organismos las posibilidades de progreso profesional del hidrólogo parecen inciertas. Una parte importante del trabajo del hidrólogo es la recolección y análisis de datos. De hecho, las características de los fenómenos naturales con que tiene que ver la hidrología hacen que este punto sea especialmente delicado. Es difícil tratar muchos problemas hidrológicos mediante un razonamiento deductivo riguroso o comenzar con una ley básica y determinar a partir de ésta el resultado hidrológico deseado. Con frecuencia es necesario partir de un conjunto de hechos observados y mediante un análisis empírico, establecer las normas sistemáticas que gobiernan tales hechos. La mayo mayorí ría a de los los paíse paísess en el mund mundo o disp dispon onen en de una una o más agenci agencias as gubernamentales que tienen la responsabilidad de recolectar y difundir datos hidrológicos. En Nicaragua, el organismo principal de rec olectar y publicar estos datos es el servicio servicio hidrometeoroló hidrometeorológico gico nacional nacional (INETER) (INETER) también están el INE, MARENA, MAGFOR, CIRA, etc. Es importante que el estudiante conozca la forma en que estos datos son recopilados y publicados, las limitaciones de precisión que tienen y los métodos propios para su interpretación y ajuste. La hidrolo hidrología gía no es dogmát dogmática ica,, es un reto reto intelec intelectual tual sistemát sistemático ico,, es un ejercicio ejercicio de la imaginación imaginación y de la inteligencia, inteligencia, de la prudencia y el sentido de la observación. 1.4 IMPO IMPORT RTAC ACIA IA DE DE LA HIDR HIDROL OLOG OGÍA, ÍA, PARA PARA LA LA ECON ECONOM OMÍA ÍA NACIONAL En este acápite se mencionarán mencionarán algunos de los proyectos proyectos más importantes importantes sobre la utilidad de la hidrología, con el objetivo de que el estudiante investigue sobre cada uno de ellos.

Recreación

UNI DA D I- Introducci ón d e s u perficie Sandra 2

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el viento.

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Condensación: El vapor de agua, que se forma con la evaporación, sube y se transporta por la atmósfera en forma de nubes hasta que se condensa. 1.5

CICLO HI HIDROLÓGICO

Precipitación: Es el fenómeno que sucede a la condensación. El vapor de agua altamente condensado se precipita. Concepto fundamental de la hidrología

Intercepción: Es la cantidad de agua que se retiene en las plantas y construcciones y puede evaporarse de nuevo. Escurrimiento superficial: Es el flujo de agua en el terreno si cauce definido, junto con el escurrimiento en corriente. Escorrentía: Es la parte de la precipitación que fluye por la superficie del terreno con cauce definitivo o en el interior del mismo. UNI DA D I- Introducci ón d e s u perficie Sandra 3

Fig. 1.1 Ciclo hidrológic o

El ciclo hidrológico no tiene principio ni fin, entonces su descripción puede comenzar en cualquier punto:

Evaporación: Es el fenómeno por el cual el agua que se encuentra sobre la

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DES La meteorología meteorología es el estudio de todos los fenómenos atmosféricos atmosféricos.. El estudio de los fenómenos fenómenos relacionados relacionados con el agua atmosférica, que son los que interesan a la ingeniería hidrológica, de denomina hidrometeorología.

Escurrimiento subsuperficial: Es la parte de la precipitación infiltrada que no ha pasado al nivel freático y que reaparece como flujo a través de canales de corrientes.

2. 1 CIRCU LA LA CI CIÓN DEL AIRE

GE GENERA L

Infiltración: Es el flujo de agua a través través de la superficie del suelo.

Si la tierra fuera una esfera sin rotación tendría una circulación atmosférica térmica pura.

Percolación: Es el flujo de agua en zonas muy profundas del suelo, se almacena como agua subterránea y aflora en manantiales, ríos o el mar.

Distribución de los recursos hídricos, cantidades estimadas de agua en el mundo1


2 2.0

FACT FACTOR ORES ES HIDR HIDROM OMET ETEO EORO ROLO LOGI GICO COS S

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Fig. 2.2 Circulación general atmosférica Fig. 2.1 Patrón de circulación atmosférica para un planeta sin rotación

El Ecuador recibe más radiación solar que las zonas de mayor latitud. El aire ecuatorial al calentarse, es más liviano y tiende a subir. Al subir es reemplazado por el aire más frío proveniente de las latitudes mayores. Pero, esto no es cierto, la verdadera circulación es de otra manera, debido a la rotación de la tierra y a los efectos de la distribución de mares y continentes. 2.1.1 Circulación idealizada 2.1.2 Efectos de la rotación de la tierra: fuerza de Coriolis

La tierra gira de occidente a oriente, impartiéndole una velocidad de 1670 km/hora a un punto situado en el Ecuador, mientras que un punto situado en los 60° de altitud se mueve a la mitad de esa velocidad. Del principio de la conservación del movimiento angular se deduce que una UNI DA D I- Introducci ón d e s u perficie Sandra 5

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partícula que viajará del Ecuador hacia el este a la latitud 60° obtendrá una velocidad teórica de 2505 km/hora, relativa a la superficie de la tierra. Por el contrario si viajara del polo norte hacia el sur a la latitud 60° norte, obtendrá una velocidad teórica de 835 km/hora hacia el oeste. No obstante, en la naturaleza no se han observado vientos con velocidades de esa magnitud debido a la fricción. La fuerza necesaria para producir tales cambios de velocidad se conoce como fuerza de Coriolis. Esta fuerza aparente actúa siempre a la derecha en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur.

Efectos de la distribución de mares y 2.1.3 continentes El flujo horizontal de aire en cualquier capa de la atmósfera siempre tiene una componente dirigida hacia lugares de menor presión. Por lo tanto las masas de aire que convergen en la capa superficial en el Ecuador y cerca de los 60° de latitud, como lo indica la figura de la circulación general atmosférica (Fig. 2.2), implica bandas de baja presión en estas latitudes. De manera similar, se espera bandas de presión alta cerca de los 30° de latitud y en los polos. La circulación idealizada y la distribución simple de presiones que ella implica son distorsionadas grandemente por diferencia en los calores específicos, la reflectividad, las características de mezcla del agua y la tierra, y por la existencia de barreras al flujo de aire. En las masas de agua, debido a fenómenos de mezcla, se distribuyen a lo largo de grandes profundidades pérdidas y ganancias de calor, mientras que la superficie de los continentes es afectada solamente en una capa delgada. A consecuencia de esto las diferencias de temperatura son más marcadas en la tierra que en las grandes masas de agua. Esta condición se ve aumentada por el bajo calor específico de los suelos y su gran albedo (flujo luminoso reflejado o difundido por un cuerpo en relación con el f lu jo luminoso incidente), especialmente durante el invierno, cuando la cobertura de nieve refleja al espacio la mayor parte de la radiación incidente. Durante el invierno existente la tendencia de acumulación de aire denso y f río sobre masas de tierra y de aire caliente de los océanos. En el verano ocurre lo contrario. 2.1.4

Sistemas migratorios a) Ciclones y anticiclones Las características semipermanentes de la circulación general o promedio, son estadísticas y en cual quier momento pueden ser distorsionados o desplazadas por sistemas transitorios o migratorios. Las características de los sistemas semipermanentes y transitorios se ha clasificado como ciclones y anti-ciclones.

Un ciclón es un área más o menos circular de baja presión atmosférica en la cual los vientos soplan en el sentido contrario de las manecillas del reloj en el hemisferio

de 300 km de diámetro. Los ciclones extra tropicales, se forman normalmente en las fronteras entre masas de aire caliente y frío y suelen ser más grandes que los ciclones tropicales y producir precipitaciones sobre área s de varios miles de kilómetros.

Un anticiclón es un área de presión relativamente alta en la cual el viento tiende a soplar como una espiral en expansión, en el sen tido de las manecillas del reloj en el hemisferio norte.


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La temperatura del aire es el elemento climatológico más importante. Las medidas de la temperatura del aire se efectúan con el termómetro ordinario de mercurio, éste se construye con depósitos cilíndricos o de tubo arrollado en espiral, con paredes de vidrio delgado.

b) El termómetro se coloca en una caseta especial llamada garita meteorológica, que debe cumplir las siguientes condiciones:

Fr e

nt e s

a) Instalación a 1.50 m del suelo natural. b) Dimensiones entre 50 cm y 1.50 m de ancho y 50 cm a 1.0 m de alto. c) Fondo de listones alternados para que circule el aire y no entren

Una superficie frontal es el límite o frontera entre dos masas adyacentes de aire con diferentes temperaturas y continentes de humedad. Si la masa de aire caliente desplaza a la de aire frío se denomina frente caliente y viceversa. Si el frente no se mueve se llama frente estacionario (Fig. 2 . 3 a

radiaciones del exterior. d) Paredes laterales y puertas de dobles persianas. e)

Techo inclinado y provisto de aluminio para activar la

circulación del aire. f) La puerta debe abrirse hacia el norte. g) Toda la garita pintada en blanco por dentro y por fuera.

y Deberá mantenerse sobre suelo horizontal cubierto de césped y lejos de paredes que b ) .

puedan reflejar el calor solar, o de locales caldeados o refrigerados. En Nicaragua existen estaciones que registran la temperatura instantánea, máxima y mínima. La temperatura máxima la mide el termómetro de máximas, este tiene una contracción cerca del recipiente de mercurio que impide que el mercurio regrese al recipiente cuando la temperatura disminuye, registrando de esta manera la temperatura máxima del día. La temperatura mínima, la mide el termómetro de mínimas, del tipo de alcohol en el recipiente de vidrio, tiene un indicador que permanece a la menor temperatura que se produjo desde que se colocó por última vez.


Fig.

2.3

Fig. 2.3 b Corte vertical de un frente frío frente caliente

2.2 TEMPERA

a Corte vertical de un

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La temperatura promedio mensual es el promedio de medias diarias máximas y mínimas.

Temperatura promedio diaria: Se puede calcular por varios métodos. El método más práctico y más preciso es tomar el promedio de las temperaturas horarias. Promediando observaciones cada 3 ó 6 horas, se obtienen resultados aceptables. Otros métodos son: Observaciones tres veces al día, por la mañana, al mediodía y por la tarde; o promediando la temperatura máxima y mínima.

La temperatura promedio anual es el promedio de las temperaturas promedios mensuales para ese año.

Temperatura diaria normal: Es el promedio de la temperatura media diaria de una fecha dada, calculada por un período específico de 30 años.

HUM EDA D

El rango diario o fluctuación diaria de temperatura, es la diferencia entre la temperatura más alta y más baja registrada en un día dado.

las temperaturas

2.3

Humedad relativa es la relación entre la cantidad de humedad contenida en un espacio y la que podría contener si estuviera saturado.

e

100

f

Se mide en %

e s

de evaporación y Presión de vapor e: Es la presión ejercida por las moléculas de vapor y se mide en milibares. Presión de vapor de saturación es la presión de vapor en un espacio saturado y es una función de la temperatura exclusivamente. Para medir la humedad relativa se utiliza un aparato llamado psicrómetro, el cual consiste de dos termómetros, uno de los cuales tiene su ampolla cubierta con una funda de muselina limpia empapada de agua, que se denomina termómetro húmedo o de bulbo húmedo. El otro termómetro de denomina de bulbo seco. Existen otros aparatos más sofisticados para medir la humedad relativa como el higrómetro de cabello, el higrógrafo de cabello, el higrotermógrafo, etc. La medición de la humedad es uno de los procedimientos instrumentales menos precisos en meteorología. La humedad relativa tiende a aumentar cuando aumenta la latitud, a la inversa de la T y tiende a disminuir con la elevación y es mayor sobre suelo con vegetación que sobre el suelo árido. La humedad atmosférica es mayor sobre los océanos y disminuye el interior de los continentes. 2.4 VIE NT OS El viento es aire en movimiento, es un factor de gran influencia en varios


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función del hielo y la nieve. También es importante en la producción de la precipitación, ya que sólo con la entrada continua de aire húmedo a una tormenta, se puede mantener la precipitación. El viento tiene velocidad y dirección. La dirección de viento es la dirección de donde sopla y se expresa usualmente en términos de los 16 puntos de la rosa de los vientos (N, NNE, NE, ENE, etc.) para mediciones de la superficie y para los vientos de altura en grados a partir del norte, en la dirección de la manecillas del reloj. La velocidad del viento está dada en metros por segundo, km por hora, millas por hora o nudos. La velocidad del viento se mide por medio de instrumentos llamados anemómetros, anemógrafos y anemocinemógrafos. Varía considerablemente con la altura sobre el nivel del terreno. No se ha adoptado ninguna norma por la instalación del anemómetro. Durante los meses de menor temperatura existe la tendencia de los vientos superficiales a soplar desde las áreas interiores más de los continentes hacia el océano, que permanece a mayor temperatura. Durante los meses más cálidos, ocurre en forma opuesta, los vientos tienden a soplar desde los cuerpos de agua, que mantienen a baja temperatura, hacia la superficie caliente de las masas continentales. En zonas montañosas, especialmente en los riscos y cumbres, la velocidad del aire a 10 m o más de la superficie es mayor que la velocidad del aire libre a la misma altura. Esto se debe a la convergencia forzada del aire por las barreras orográficas. La velocidad del viento es baja en las vertientes de sotavento y en los valles abrigados. La dirección está muy influenciada por la orientación de las barreras orográficas. 2.5 PRECIPITAC IÓN

2.5.1 Causas de la precipitación La humedad siempre está presente en la atmósfera aún en los días sin nubes. Para que ocurra la precipitación, se mide requiere algún mecanismo que enfríe el aire lo suficiente para que llegue de esta manera al punto de saturación o cerca de él. Los enfriamientos de grandes masas, necesarios para que se produzca cantidades significativas de precipitación, se logran cuando asciende las masas de aire. Este fenómeno se lleva a cabo por medio de sistemas convectivos o convergentes que resulta de radiaciones desiguales, las cuales producen calentamiento o enfriamiento de la superficie de la tierra y a la atmósfera, o por barreras orográficas. Sin embargo, la saturación necesaria no conlleva a la precipitación.

Tipos de 2.5.2 precipitación La precipitación lleva a menudo el nombre del factor responsable del levantamiento del aire que produce el enfriamiento en gran escala y necesario para que se

ciclónica resulta del levantamiento del aire que converge en un área de ba ja presión o ciclón. La precipitación ciclónica puede subdividirse como frontal o no frontal.

a) La precipitación frontal Es la que resulta del levantamiento de aire cálido a un lado de una superficie frontal sobre aire más denso y frío. La precipitación de frente cálidos se forma cuando el aire avanza hacia arriba sobre una masa de aire más f río. La tasa de ascenso es relativamente baja puesto que la


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pendiente promedio de la superficie frontal es por lo general de 1/100 a 1/300. La precipitación puede extenderse de 300 a 500 km por delante del frente y es por lo general lluvia que varía entre ligera y moderada y continúa hasta que termine el paso del frente. La precipitación de frentes fríos es de naturaleza corta y se forma cuando el aire cálido es obligado a subir por una masa de aire que está avanzando y cuya cara delantera es un frente frío. Los frentes fríos se mueven más rápidamente que los frentes cálidos y su s superficies frontales ti enten pendiente que varían entre 1/50 y 1/150 es decir mucho más inclinados. En consecuencia, el aire cálido se eleva mucho más rápidamente que por un frente cálido y las tasas de precipitación son por lo general mucho mayores. Las cantidades más grandes y las intensidades mayores ocurren cerca de los frentes de la superficie. La precipitación no frontal es la precipitación que no tiene relación con los frentes.

b) Precipitación convectiva Es causada por el ascenso del aire cálido más liviano que el aire frío de los alrededores. Las diferencias en temperatura pueden ser el resultado de calentamientos diferenciales en la superficie, de enfriamientos diferenciales en la parte superior de la capa de aire o de ascensos mecánicos, cuando el aire es forzado a pasar sobre una masa de aire más fría y más densa, o sobre una barrera montañosa. La precipitación convectiva es puntual, y su intensidad p uede variar entre aquella correspondiente a lloviznas ligeras y aguaceros.

c)

Precipitación orográfica

Resulta del ascenso mecánico sobre una cadena de montañas. La influencia orográfica es tan marcada en terreno quebrado que los patrones de las tormentas tienden a parecerse a aquellos de la precipitación media anual. En la naturaleza, los efectos de estos varios tipos de enfriamiento a menudo están interrelacionados. y la precipitación resultante no puede identificarse como de un solo tipo.

d) Precipitación inducida artificialmente Borbardeo de la nubes con dióxido de carbono sólido (hielo seco) y yoduro de plata, son los compuestos más comúnmente utilizados. Este último es más efectivo y más barato para producir precipitación. 2.5.3

Formas de

precipitación a) Llovizna Son pequeñas gotas de agua, cuyo diámetro varía entre 0.1 y 0.5 mm, las cuales tienen velocidades de caídas tan bajas que ocasionalmente parece que estuvieran flotando. Por general la llovizna cae de estratos bajos y rara vez sobrepasa 1 mm/hora.

b) Lluvia

Son gotas de agua en su mayoría con su diámetro mayor de 0.5 mm. En Nicaragua la lluvia se reporta en tres intensidades: Ligera: Para tasas de hasta 2.5 mm/h Moderada: Desde 2.5 hasta 7.5 mm/h


caídas

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Tropical húmedo

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2500 mm 6000 mm

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Fuente: de 7.6 mm/h

c)

El lugar más húmedo de Nicaragua es la región del Río San Juan, considerado entre los lugares de mayor pluviosidad en el mundo.

Por encima

2.4.4 Medición de la precipitación

Escarcha

Es una capa de hielo, por lo general transparente y suave, pero que usual mente contiene bolsas de aire, que forman en superficies expuestas por el congelamiento de agua superenfriada que se ha depositado en forma de lluvia o llovizna.

La precipitación se mide por la altura que alcanzaría sobre una superficie plana y horizontal, donde no se perdiera por filtración o evaporación. Esta altura se da en mm y décimas de milímetro. Existen aparatos para medir la cantidad y la intensidad de la precipitación. Los que miden la cantidad de precipitación se denomina pluviómetros y los que miden la intensidad se denominan pluviógrafos.

d) Nieve Es un composición de cristales de hielo blanco o traslúcido, principalmente de forma compleja, combinadas hexagonalmente y a menudo mezcladas con cristales simples, algunas veces los conglomerados forman los copos de nieve, que pueden llegar a tener varios centímetros de diámetro.

e) Granizo Es precipitación en forma de esferas o formas irregulares de hielo, que se produce por nubes convectivas, la mayoría de ellas de tipo cumulonimbos. Los granizos pueden se esféricos, cónicos de forma irregular y su diámetro varía de 5 a más de 125 mm. Según algunos autores las causas de lluvia en Nicaragua son las siguientes:

Influencia

de

la

Zona

Convergencia Intertropical (ITC) Lluvias convectivas Lluvias orográfic as Vientos del Este Influencia s de los lagos Zonas climáticas en Nicaragua según K öppen: Sabana tropical

800 mm 1500 mm

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b) Pluviógrafo

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Es un aparato que sirve para medir la intensidad de precipitación. Existen tres tipos más importantes que son el de cubeta basculante, el de balanza y el de flotador.

a) Pluviómetro Es cualquier recipiente abierto, cuyos lados sean verticales, puede utilizarse para medir la lluvia; sin embargo debido a los efectos del viento y el salpicado, las mediciones no son comparables a menos que sean del mismo tamaño y forma y estén colocados de manera similar. El pluviómetro estándar tiene un colector con un diámetro de 20 cm. La lluvia pasa del colector a un tubo cilíndrico medidor, que está situado dentro del recipiente de vertido. Con un regla graduada en milímetros, es posible estimar al lluvia con una precisión de 0.1 mm.

En el pluviógrafo de cubeta basculante el agua que cae en el colector se dirige a un comportamiento en donde hay dos cubetas, cuando cae 0.1 mm de lluvia se llena una de las cubetas produciéndose un desequilibrio que hace que la cubeta se voltee, vertiendo su contenido en una vasija y moviendo el segundo compartimiento al lugar correspondiente. Cuando la cubeta se voltea actúa un circuito eléctrico, haciendo que una pluva produzca una marca sobre un papel colocado en un tambor giratorio. El pluviógrafo de balanza pesa el agua que cae en una cubeta situada sobre una plataforma con resorte o báscula. El aumento en peso se registra en una carta. El registro muestra valores acumulados de precipitación.

Fig. 2.4 Pluviómetro El pluviógrafo de flotador el ascenso de un flotador, producido por un aumento en la lluvia, se registra en una carta. Algunos pluviógrafos de este tipo deben desocuparse manualmente, pero otro s lo hace n auto má ticame nte u ti liza ndo s if one s autocebant es. E n l a mayoría de los pluviógrafos el flotador se coloca en el recipiente, pero en algunos, en recipiente descansa en aceite o mercurio y el flotador mide el ascenso del aceite desplazado por el aumento en peso del recipiente a medida que la lluvia se va acumulando. Los flotadores pueden dañarse si la lluvia atrapada se congela.

Fig. 2.5 Pluviografo

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Pluviograma es la carta donde se registra la intensidad la precipitación, existen diarios, semanales, y mensuales pero, para el estudio de las intensidades, el ideal a utilizar es el diario. Esta carta se puede leer manualmente o por medio de un digitalizador de computadora. La intensidad se mide en mm/h. c) Totalizador Es un aparato que mide la cantidad total de la precipitación, puede operar por uno o dos meses consecutivos. Se instala en lugares alejados y existen algunos diseños para operar durante una estación completa sin atención.

UNI DA D I- Introducci ón d e s u perficie Sandra Moreno Ayestas

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Hidrol ogía

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UNIDAD III: CUENCA HIDROLÓGICA GENERALI DADES:

En este capítulo se estudiará la cuenca hidrológica, que es la unidad básica de estudio. No obstante, antes de entrar en el tema se ha incluido algunos elementos de análisis de los patrones de drenaje, para fines de fotointerpretación, ya que los sistemas de drenaje proveen de importante información sobre las características físicas de los materiales, lo que se considera de suma importancia para el hidrólogo. RIOS Y SISTEMAS DE RIOS Se llama sistema de drenaje al arreglo o distribución de los ríos, quebradas, arroyos, etc., es decir el drenaje superficial, que integra una hoja hidrográfica. Los sistemas de drenaje se clasifican en cuanto a su forma o distribución geométrica y a su textura o densidad. La forma del sistema corresponde a la distribución o arreglo geométrico de los tributarios (primarios, secundarios y terciarios) que integran la red hidrográfica. La textura o densidad describe el espaciamiento relativo entre los tributarios del sistema de drenaje. La importancia de este estudio radica en el hecho de que el sistema de drenaje provee informaciones sobre las características físicas de los materiales. Características de los patrones de drenaje.

a) Grado de integració n o sea el grado de unidad exhibido por un patrón de drenaje. El grado de integración es indicativo de la uniformidad y grado de erosión, pendiente en la cual ocurr e la erosión, existencia y ubicación de factores modificantes como características del material.

b ) D e n s i d a d Se refiere a la longitud acumulada de las corrientes o canales de una cuenca dividida por el área de la cuenca. En general puede decidirse que cuanto más alta es la permeabilidad, más densa la cubierta vegetal, más baja la densidad de los patrones de drenaje. c) Gr ado uniformidad

de

Se refiere a la homogeneidad relativa del patrón. Un patrón puede ser uniforme, ya sea examinado en parte o totalmente, un modelo que cubre un área grande puede no ser uniforme en su totalidad, pero puede estar compuesto de numerosas áreas menores cada una uniforme en sí misma. El grado de uniformidad de una red de drenaje es indicativo de la uniformidad de los materiales, de la erosión y su historia, de los límites entre áreas con características e historias diferentes.

Unidad III-Cuenca Hidrológica

A puntes de Hidr ologí a de

Superf ic ie Sandra 1

Moreno

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d) Orie ntac ión Implica dirección e indica el efecto de factores geológicos, la presencia de capas de roca a profundidades relativamente escasas, o características estructurales, movimientos tectónicos, etc., también algunos tipos de patrones reposiciónales están caracterizados por su típica orientación. e) Grado de control

caracterizado por los ramales irregulares de las corrientes tributarias. Se presenta sobre material moderadamente fino, uniformemente permeable y pendientes suaves. Se encuentran sobre lutitas, arcillas, aluviales finos, tobas volcánicas y loess. También pueden presentarlo areniscas, granitos, neises, esquistos, etc. El desarrollo del patrón dendrítico esta influenciado por la litología y las características físicas de las rocas. Las rocas fuertes, homogéneas, con resistencia uniforme a la erosión, tales como el grupo de las ígneas intrusitas, metamórficas, las masivas como l a serpentina muestran una textura ampliamente espaciada. Las areniscas permeables muestran una red medianamente espaciada, las lutitas forman un patrón estrechamente espaciado.

Unida d II I-Cuenca Hidrológica

Sandra 2

Se refiere al dominio relativo de la orientación de las corrientes. Un patrón orientado con alto grado de dir eccion es control por ejemplo: estructural, se caracteriza por cauces de drenaje que siguen casi exclusivamente orientadas, aún en detalle. Esta concernientes característica proporciona indicios a los factores geológicos o topográficos que causan orientación como estratificación y plegamientos, etc. f) Angu losid ad Esto se refiere a la brusquedad de los cambios direccionales exhibidos por las corrientes individuales. La existencia, grado, repetición y otros detalles de angulosidad proporción de condiciones especiales como: fallas ocultas, fracturas, estructuras subterráneas; etc. g) Ángulos de unión Se refiere a los ángulos de unión de una corriente y sus tributarios. Normalmente los patrones están caracterizados por un ángulo entre las corrientes principales y sus afluentes. Este ángulo es fun ción de la pendiente del canal de la corriente principal (perf il longitudinal) y la corriente tributaria. Sin embargo algunos tipos de rocas y estructuras están caracterizados por ángulos de juntas especiales.

Descripción de los patrones de drenaje Patrones Erosionales a)

Patrón

dendrítico

A puntes de Hidrología de

Superf ic ie Moreno

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Se encuentra en los abanicos aluviales y en los deltas. Se caracteriza por presentar varios canales divergentes que corren desde un punto sobre la superficie de la unidad. Algunos ramales pueden tener un final desconocido debido que el agua se filtra dentro del material grueso de los abanicos.


b) Patrón paralelo


Superficie Sandra

Se caracteriza por presentar corrientes y tributarios paralelos o casi paralelos. Ocurre generalmente donde hay pendientes pronunciadas o por controles estructurales que conducen a corrientes paralelas regularmente espaciadas. Aquí la corriente encuentra el camino más corto en lechos perpendiculares al rumbo del escarpe. El patrón paralelo se considera derivado del dendrítico, porque se encuentra sobre el mismo tipo de material y parece dendrítico cuando la pendiente es plana. Normalmente se presenta en planicies muy inclinadas, sobre flujos de lava, restos de abanicos, rellenos de valles inclinados, grandes afloramientos basálticos y en terrenos constituidos por materiales de grano grueso. c) Patrón radial

De este tipo existen dos posibilidades:

Cuando las corrientes fluyen radialmente hacia afuera (tipo centrífugo), como una distribución de corriente consecuentes, fluyendo radialmente de un cono volcánico, de un domo levantado o de otro tipos de cumbres cónicas o sub-cónicas aisladas y alrededor de anticlinales. Cuando las corrientes pueden converger hacia adentro (tipo centrípeto), hacia el centro de un basín con drenaje interno. Este modelo puede encontrarse en depresiones cerradas como cráteres, colinas, etc. d) Patrón anular Este patrón aparece sobre estructuras anulares como domos. A través de un control estructural, rocas de diferente resistencia erosionales duras y blandas, como capas vueltas hacia arriba, dispuestas en forma concéntrica, cambian un patrón radial a anular. Las corrientes tributarias subsecuentes escurren por las zonas de menor resistencia. Patrones

de

deposición

a)

Patrón reticular Este patrón semeja un tejido de canales, corrientes entrelazadas, pantanos y ciénagas que se encuentran sobre planicies costales jóvenes, muy planas. Durante las mareas altas el agua del mar penetra en los canales y pantanos y en marea baja los ríos corren aguas abajo. También se presenta en áreas muy planas, de materiales muy friables sin pantanos ni ciénagas, como un patrón de erosión.

3

Moreno

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si dad Univer

nacional

de

ingenier ía

caracterizados por un patrón de festones o curvas o lagos semilunares (meandro separado de las corrientes serpenteantes), orillares



Superficie

Patrones especiales

Sandra

a) Patrón de sumideros (Multibasinal) Es característico de formación rocosas saludables, tales como calizas, yeso, sal gema; también puede ocurrir en materiales insolubles pero porosas, como las areniscas y conglomerados, en la cuales se produce el fenómeno de sufusión, esto es, drenaje subterráneo en que la corriente pasa a través de rocas porosas erosionándolas parcialmente. b) Patrón barbado Los tributarios se unen a l as corrientes principales en curvas de dirección arriba. Los tributarios barbados y la distribución de las corrientes opuestas marcan frecuentemente fallas transversales a las corrientes principales. Los ramales tributarios forman ángulos obtusos con la corriente principal. c) Patrones artificiales

de

drenaje

Están constituidos por redes de canales construidos por el hombre para drenar áreas pantanosas, bajas, etc. Patrones

de

corrientes

individuales a) Patrón recto Los ríos que corren por llanuras aluviales rara vez son rectos, y ello implica que el curso normalmente es irregular, sinuoso o meándrico. Un curso recto puede estar relacionado con una falla o puede sugerir una canalización de un río. b) Patrón trenzado Este es un patrón de corriente controlada por su propia carga de sedimentos. El cauce se encuentra dividido en un número de canales entrelazados separados entre sí por islas o barras de lecho. La construcción de estas barreras centrales o laterales es una parte importante del proceso de desarrollo y conducción de canales trenzados. Las barras de cauce que separan o dividen la corriente durante aguas bajas, frecuentemente aparecen sumergidas durante las crecientes o avenidas del río. A este respecto es de mucha importancia para el foto intérprete conocer la estación en que fueron tomadas las fotografías, para reducir las influencias estacionales sobre la imagen fotográfica. Es probable por ejemplo, que en época de máxima creciente el río trenzado se mueve en l íneas casi recta, y ello puede llevar a errores de apreciación. c) Patrón meándrico

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nacional

de

ingenier ía

c) Régimen efímero: Es un curso de agua que sólo fluye cuando se presenta un evento de precipitación. Por ejemplo los cauces de la cuenca sur del lago de Managua.


(depósitos formados adentro o en el l ado convexo de un río curvado, por acrecentamiento lateral) algunas veces dique natural, basines o pantanos. El patrón meándrico es común en llanur a de inundación, pero muchas veces se puede encontrar remanentes del mismo sobre terrazas no inundables. d) Patrón Yazoo

Clasificación decimal de los ríos: Existen muchas y muy variadas clasificaciones para definir y ubicar los ríos dentro de la geografía de una nación. La clasificación decimal de los ríos, se realiza planos topográficos lo más rápidamente posible y con el mínimo esfuerzo.

Sandra 5

A veces las corrientes tributarias no pueden romper el dique natural de los ríos mayores y se ven obligados a correr cierto trecho paralelos a estas corrientes principales antes de unirse a ellas. Debe su nombre al río Yazoo en USA., ejemplo de este patrón.

para

podernos

situar

en

los

Las normas generales para clasificar son: a) El río principal, se clasifica con un solo número (p.e. 4) b) Los ríos secundarios, se clasifican con dos números; el primer número el del río principal y el segundo con un número "par" si es afluente por la derecha del río principal (p. e. 4-2) y en número "impar" si es afluente por la izquierda del río principal (p.e. 4-1). c) Los ríos del tercer orden se clasifican con tres cifras; las dos primeras son las del río principal y río secundario y la tercera la del río afluente, "par" por la derecha o "impar" por la izquierda (p.e. 4-2-1 ó 4-2-2). d) Los ríos de cuarto orden se clasifican con cuatro números (p.e. 4-2-1-2 ó 4-2-1-1 ó 4-2-2-2 ó 4-2-2-1). e) No se debe clasificar ríos superiores al quinto orden, salvo excepciones, como cuando se precise el río para un abastecimiento, para situar una estación etc. f) Se clasifican los ríos hasta no inferiores a 50 Km², salvo las excepciones ya señaladas anteriormente. Régimen de los ríos Existen tres regímenes en los cursos de agua: a) Régimen permanente, continuo o perenne: Es un curso de agua que fluye durante todo el año. Como ejemplo se puede citar los ríos de la vertiente del Océano Atlántico: Río Coco, Grande de Matagalpa, Escondido, San Juan, etc. Y algunos de la vertiente del Océano Pacífico como: Río Soledad, Estero Real y otros. b) Régimen intermitente o interrumpido: Es un curso de agua que presente tramos en donde fluye el agua permanentemente y tramos donde no fluye. Estas características pueden ser ni icio de la


Superficie Moreno

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nacional

de

ingenier ía

C U E N C A

La segunda tiene en cuenta, además, el recorrido del agua infiltrada en el terreno. Normalmente, salvo en zonas de calizas fuertemente karstificadas, en las que la delimitación de las divisorias requeriría un estudio más detallado, ambas divisorias coinciden sensiblemente. Como normas prácticas generales para el trazado de la divisoria topográfica podemos enunciar

La cuenca hidrológica o hidrográfica constituye una de las unidades especiales más definidas. La clasificación del territorio según cuencas caracterizadas por ciertos parámetros, es pues una clasificación muy natural.



Superficie Sandra 6

Se define como Cuenca Hidrográfica a la zona del terreno en la que el agua, los sedimentos y los materiales disueltos drenan hacia un punto común. El tamaño puede variar desde el tamaño de la cuenca del Amazonas hasta la del más pequeño arroyo, en función de la escala y los objetivos del estudio. En este último caso se habla de micro- cuencas. La cuenca esta delimitada por una línea imaginaria llamadaparte aguas que es el lugar geométrico de todos los puntos de mayor nivel topográfico que divide el escurrimiento entre cuencas adyacentes Existen dos tipos de parte aguas o divisoria: a) Divisoria topográfica b) Divisoria hidrográfica La primera sería la línea que separa las aguas que superficialmente llegan al punto estudiado, de las que

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nacional

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ingenier ía



Superf ic ie Sandra 7

Fig. 1 CUENCA Y PARTE AGUAS

a) b) c) d)

La línea divisoria corta ortogonalmente a las curvas de nivel. Cuando la divisoria va aumentando su altitud, corta a las curvas de nivel por su parte convexa. Cuando la altitud va disminuyendo, la divisoria corta a las curvas de nivel por su parte cóncava. Si cortamos el terreno por el plano normal a la divisoria, el punto de intersección en ésta, ha de ser el punto de mayor altitud del t erreno. e) Como comprobación, la línea divisoria nunca debe cortar a un río, arroyo o vaguada, excepto en el punto del que queremos obtener su divisoria. En orden de magnitud, las escalas de los planos que se deben utilizar, para el trazado de la divisoria de una cuenca, en función de su superficie, son:

K m²

Escala

1

1: 5,000

100

1:10,000

1000

1:25,000

5000

1:50,000

10000

1:100,000

25000

1:200,000

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sidad Univer

nacional

de

ingenier ía

E j e m p l o

Superficie entre (m)

%

592-600

0.36

600-700

1.96

700-800

3

800-900

5.74

900-1000

18.64

1000-1100

18.81

3 . 1

1100-1200

33.3

1200-300

12.26

1300-1400

4.65

2 Dada una cuenca cuya superficie medida vale S=306.8 Km y cuyo perímetro vale P=74.45 Km, calcular l a curva hipsométrica, curva de frecuencia, rectángulo equivalente, el índice de compacidad o de Gravelius, el índice de pendiente, la pendiente media del media del río, sabiendo que la longitud del río Lr=48 Km y las superficies por encima de cada cota, medidas por planimetración en el plano son las siguientes:

1400-1483

1.28

Curva hipsométri ca

1600 1400 1200 1000

800

Superficie por encima de (m) 1483

0

1400

3.9

1300

18.2

1200

55.8

1100 u t 1000 i t l

900

600

Km2

d A

158 215.7 272.9

800

290.5

700

299.7

600

305.7

592

306.8

Los tantos por ciento de la curva de frecuencia son: 0 3.9 18.2

55.8 158

215.7 272.9 290.5 299.7 3056.78

Serie1 400

200 0 0

50

100

300

350

150

200

250

K m 2

Uni da d II I-C uen ca Hi d rológica


Super fi c ie Sandra 8

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si dad Univer

nacional

de

ingenier ía

Curva de distribución de frecuencia

1.28 1300-1400

1100-1200

900-1000

u t i t l A d

700-800 3 1.96 592-600

0.36

4.65 12.26

5.74

33.3 18.81

%

18.64

0

5

10

15

25

30

35

f

20

i c

%

i e

d e

S

Solución:

u p

El índice de compacidad vale:

e r P Ic

S

0.28

0.28

74.45 306.8

1.19 La pendiente media del río vale: HM Irío

Hm

1483

592

0.01856 1000(48)

1000 Lr

n

1

El índice de pendiente se obtiene aplicando la fórmula Ip

∑ L

2

1000

dividiendo la superficie entre cotas consecutivas por la superficie total para obtener las B, sacando los ∆H (incrementos de cotas) y operando obtenemos:

Unidad III-Cuenca Hidrológica

A puntes de Hidr ologí a de

Superficie Sandra 9

Moreno

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H

B

,

p

U NI

ingenier ía

1 83 0.0128 [ 1000 24.9075 100 0.1881 100 0.1864 1000 1000

100 0.0465 100 0.1226 100 0.3330 1000 1000 1000 de id d i 100U i0.0574 100l 0.0300 100 0.0196 8 1000 1000 1000 n ver s

a

nac ona

0

Superficie entre: (m)

Superficie 2 (Km )

592-600

1.10

0.0036

600-700 700-800 800-900 900-1000 1000-1100 1100-1200 1200-1300 1300-1400 1400-1483

6.00

0.0196 0.0300 0.0574 0.1864 0.1881 0.3331 0.1226 0.0466 0.0127

9.20 17.60 57.20 57.70 102.20 37.60 14.30 3.90

.

Bi (S/306.8)

0 0 3 6

] 1 0 0 0

Los incrementos de altura son: H1=600-592= 8m H2=700-600= 100m

= 0.20037*(0.03259+0.06820+0.11072+0.18248+0.13715+0.13+0.07576+0.05477+0. 05477+0.04427+0.00537) =0.20037*0.84784 Ip=0.16988

H3= H4= H5= H6= H7= H8= H9=100m H10=1483-1400=83m Índice de pendiente vale:

La altitud media vale: I

A media

Hi

Si S

H 1

592

600 2

Vamos a calcular las Hi y Si

596

H 3

700

800 2

750

H 5

900

1000 2

950

H 2

600

700 2

650

H 4

800

900 2

850

H 6

1000

1100 2

1050

Uni da d II I-C uen ca Hi d rológica

Apuntes de Hidrología de

Super fi c ie Sandra 10

Moreno

Ayestas

HIDRO

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