HIDROLOGIA Departamento de transportes de california http://www.dot.ca.gov/hq/oppd/hd m/hdmtoc.htm.. m/hdmtoc.htm Hdrolog http://www.dot.ca.gov/hq/oppd/hd m/pdf/english/chp!"#!.pdf
HI$%ROD&''IO$
La hidrol hidrologí ogíaa se suele suele defini definirr como: como: "Una ciencia que estudia las propiedades, distribución y circulación del agua en la superficie de la tierra, en el suelo y las rocas subyacentes y en la atmósfera atmósfera." ." Esta es una definición definición muy amplia que abarca muchas disciplinas relacionadas con el agua. El ingeniero de caminos se refiere principalmente a la hidrología superficial y la escorrentía superficial de control. El control de la escorrentía incluye el diseño hidrulico de las características de drena!e, tanto para el drena!e transersal carretera #$apítulo %&'( y la eliminación de la escorrentía de la cal)ada #$apítulo %*'(. El escurrimiento de agua sobre la tierra ha sido estudiado durante mucho tiempo como consecuencia se han desarrollado algunos teorías y m+todos sofisticados . La mayoría ría de los intentos para describir el proceso han sido sólo un +it +itoo parc parcia ial. l. Esto Esto es debid ebidoo a la comp comple le!id !idad ad del del proc proces esoo y fact factor ores es interactios. La naturale)a aleatoria de la llu lluia ia,, la nie nieee derr derret etid ida, a, y otra otrass fuentes de agua complican a-n ms el proceso. e debe entender que no hay m+todos eacto eactoss para para el anlis anlisis is hidrol hidrológi ógico. co. /ife /ifere rent ntes es m+to m+todo doss que que se utili utili)a )ann com-nmente pueden producir resultados significatiamente diferentes para un sitio específico y situación particular.
0 pesar de que que la hidrología no es una cien cienci ciaa eac eacta ta,, es posi posibl blee obte obtene ner r solu soluci cion ones es que que son son func funcio iona nalm lmen ente te acep acepta tabl bles es para para form formar ar la base base del del diseño de instalaciones de drena!e y de carre rreter teras. La información ms comp comple leta ta sobr sobree los los prin princi cipi pios os y las las t+cnicas de ingeniería relacionados con la hidr hidrol olog ogía ía para para los los inge ingeni nier eros os de transporte rte y carreteras ras se puede encontrar en la 1230 hidrulico erie /iseño #2/( 45 &, $arretera 2idrología. En este capítulo se centrar principalmente en los anlisis hidrol hidrológi ógicos cos que se reali) reali)an an para para las instal instalaci acione oness de flu!o flu!o mimo mimo,, tanto tanto para instalaciones de transporte y de drena!e transersal. En muchos casos, esta estass inst instal alac acio ione ness de flu! flu!oo mi mimo mo cumplen dos propósitos que es recibir y transmitir los flu!os de agua de lluia, mientr mientras as que el cumpli cumplimie miento nto de los crit criteri erios os de cali calida dadd del del agua agua y otro otross criterios de flu!o son independientes del capítulo %6'. La info inform rmac ació iónn En rela relaci ción ón con con la respon responsa sabili bilida dadd del diseñ diseñado adorr para para el diseño hidrológico de las instalaciones de flu!o de aguas pluial iales est conte onteni nida da en el depa depart rtaamento ento de 7lanificación de 7royectos y 8uía de diseño. 9er: http:;;;.dot.ca.gohqoppdstorm;t rppdg.htm 811,2 Objetivos hidrológico
del
análisis
in importar el tamaño o el costo de la función de drena!e el paso ms importante antes de diseño hidrulico es estimar la descarga #tasa de escurrimiento( o el olumen de escu es curri rrimi mien ento to,, qu quee la in inst stal alac ació iónn de drena!e tiene que transmitir o controlar. i bien, algunos anlisis hidrológico es necesario para establecer la cantidad de agua superficial que debe ser
considerado en el diseño de las instalaciones de drena!e para la carretera, este tipo de estudios deben ser acorde con la importancia de la carretera, teniendo en cuenta todo los daños que esta puede generar, como, p+rdidas de bienes, el riesgo a la ida que dependen de estas instalaciones. La elección del m+todo analítico para resoler un problema debe ser una decisión consciente. 7ara tomar una decisión informada, el ingeniero de carretera debe determinar: •
•
•
<=u+ niel de anlisis hidrológico est !ustificada. <=u+ datos estn disponibles o deben ser recolectados. <=u+ m+todos de anlisis estn disponibles, incluyendo las fortale)as y debilidades en t+rminos de costo y precisión.
El diseño de drena!e transersal, capítulo %&', normalmente requiere anlisis hidrológico ms etenso de lo necesario para el diseño de drena!e ial, capítulo %*'. El "m+todo racional" #+ase índice %6>.&( es relatiamente simple y bien conocido, generalmente adecuado para la estimación de la tasa o el olumen de escorrentía para el diseño de instalaciones de drena!e de la cal)ada en el sitio y el retiro de escurrimiento de los paimentos de la carretera. 811.3 Descarga máxima
El gasto pico es la mima tasa de flu!o que pasa por un punto específico durante o despu+s de un eento de lluia. 8asto pico, a menudo llamado flu!o mimo, se produce en el "pico" momentneo del hidrograma de inundación. #9er índice %6?.@, inundación hidrograma(.
La descarga de diseño, epresada como la cantidad #=( de flu!o en pies c-bicos por segundo #$1(, es la descarga mima que una estructura de drena!e de carretera puede mane!ar. La descarga mima es diferente para cada presipitacion y esto es la responsabilidad del ingeniero de carretera de poner el tamaño de estructuras e instalaciones de drena!e, teniendo en cuenta la magnitud de la precipitación de diseño y la seeridad de inundación. La magnitud de descarga mima aría con la seeridad de las de inundación que est basada en la probabilidad de ecedencia #mirar el Andice %66.B(. La selección de frecuencia de precipitación de diseño y la probabilidad de inundación se discute completamente ms aba!o en el tema %6%, frecuencia y 7robabilidad de Cnundación 811.4 severidad de las inundación
eeridad de la inundación se indica generalmente en t+rminos de: • •
7robabilidad de ecedencia o 1recuencia de precipitación
Los conceptos modernos tienden a definir una inundación en t+rminos de probabilidad. La probabilidad de ecedencia, las probabilidades estadísticas o la posibilidad de una inundación de magnitud dada siendo ecedida en cualquier año, generalmente es epresada como un porcenta!e. La frecuencia de la repetición es epresada en años, en promedio, que una inundación de magnitud dada sería predicha. Defi+rase al ema %6% para la discusión adicional de probabilidad de la inundación y frecuencia.
811. !actores escorrent#a
"ue
a!ectan
la
El ingeniero de carretera debe familiari)arse con los muchos factores o características que afectan el escurrimiento antes de reali)ar un anlisis hidrológico. Los efectos de muchos de los factores conocidos que influyen en el escurrimiento superficial eisten sólo en forma empírica. 0mplio campo de datos, coeficientes determinados empíricamente, buen !uicio, y se requieren eperiencia para un anlisis cuantitatio de estos factores. La relación de flu!os de la inundación a estos factores causales todaía no ha aan)ado a un niel de la epresión matemtica precisa. 0lgunos de los factores ms importantes que afectan el carcter hidrulico del escurrimiento de agua superficial se clasifican y se discute breemente en %6& temas por %6B. Es importante reconocer que los factores mencionados pueden eistir simultneamente dentro de una cuenca y sus efectos combinados son muy difíciles de cuantificar. $ema 812 % caracter#sticas de la cuenca 812.1 tama&o
El tamaño #rea( de una cuenca de drena!e, es la característica ms importante de la cuenca que afecta a la escorrentía. La determinación del tamaño de la )ona de drena!e que contribuye al flu!o en el sitio de la estructura de drena!e es un paso bsico en un anlisis hidrológico independientemente del m+todo utili)ado para ealuar los flu!os de inundación. La )ona de drena!e generalmente se epresa en hectreas o de millas cuadradas, frecuentemente se determina a partir de mapas de eleación digitales #/EFs(, estudios de campo, mapas topogrficos y
fotografías a+reas. /elineación de cuencas automati)ado est incluida en arios de los programas indicados en la columna de "2idrología" de la tabla %'%.6, por e!emplo, treamtats de U8 y 3F. 9er figura %6&.6
'gura 812.1 Delineación automática de la cuenca
812.2 !orma
Una cuenca est delimitada por las líneas de cumbre o líneas diisorias, que dan lugar a diersas formas. debe notarse que la descarga de agua de una cuenca depende de su forma que esta posee, e!emplo, cuencas que tienen una forma alargada pueden suministrar una descarga pico mínima en comparación a una cuenca en forma de pera. 812.3 (endiente
La pendiente de una cuenca de drena!e es uno de los principales factores que afectan el tiempo de escurrimiento y concentración de las precipitaciones #er índice %6?.?, tiempo de concentración(. Las pendientes escarpadas tienden a causar el tiempo de respuesta ms corto y aumentar la descarga mientras las pendientes llanas tienden a causar el tiempo de respuesta
ms largo y reducir la descarga. $lculo de pendiente de cuenca automati)ada est incluido en arios de los programas indicados en la columna de "2idrología" de la tabla %'%.6, por e!emplo, treamtats de U8 y 3F. 812.4 uso de la tierra
Los cambios en el uso del suelo casi siempre proocan aumentos en la escorrentía de aguas superficiales. /e todo los cambios de uso dela tierra, las urbani)ación es el factor ms dominante que afecta en un rea Estudios de uso de tierra pueden ser necesarios para definir las condiciones presentes y futuras con respecto a la urbani)ación u otros cambios que ocurren dentro de la cuenca de drena!e. La información aliosa sobre las tendencias de uso de tierra est
disponible de muchas fuentes tales como: Grgani)aciones de planificación estatal, municipal o regional. •
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Estudio geológico EE.UU /epartamento de EE.UU. ericio de Cnestigación Económica 0gricultura.
En cada distrito hay arias organi)aciones que recogen, publican o registran información sobre el uso de la tierra. El ingeniero hidrulico del distrito debe estar familiari)ado con estas organi)aciones y el tipo de informaciones que tiene disponible. Un criterio de diseño para un buen drena!e
