01a Hydrol Ciclo Hidrológico.pdf

H i d r o l o g a

Dr. Ing. Mijail Arias Hidalgo, M.Sc.

Captulo I: Ciclo hidrolgico y cuencas hidrogrficas

Introduccin a la Hidrologa. Ciclo del agua. Balance hdrico y modelos hidrolgicos. La cuenca hidrogrfica: caractersticas. Influencia del hombre en el ciclo hidrolgico. Datos hidrometeorolgicos.

Mecnica de Fluidos - Hidrologa Estudio del comportamiento de

los fluidos. Hidromecnica: Fluidos

Esttica - Dinmica de fluidos Hidrologa Hidrulica - Sanitaria: canales y

tuberas

Hidrologa Hidro = agua; logos = descripcin. Ciencias Hdricas: Distribucin y circulacin del agua,

propiedades fsicas y qumicas, interaccin con el medio ambiente y seres vivos.

Relacin con otras ciencias: Meteorologa / Climatologa, Geologa, Geomorfologa, Hidrulica, Oceanografa, Demografa, etc.

Aplicaciones:Diseo y operacin de estructuras hidrulicas.Abastecimiento de agua.Erosin y control de sedimentos.Generacin hidroelctrica.Control de inundaciones.Navegacin.Recreacin Planeamiento.

Agua Recurso ms abundante en el planeta (70%). Planeta Azul!

70% del cuerpo humano.

Base para procesos fsicos y bioqumicos.

3 estados. Diversos ecosistemas: lagos, ros, ocanos,acuferos, etc.

Histricamente: imn para civilizaciones.

Agente contribuyente al desarrollo.

Agente destructivo (culpa del agua?).

La Hidrologa provee conocimiento e informacin

Investigacin del sistema hidrolgico

Anlisis de datos y modelamiento

Gerentes hdricos,

Ingenieros hidrulicos,

ambientales, agrnomos, etc.

Ejemplos donde informacin hidrolgica es requerida

AzudesCompuertas

Diques

Navegacin Irrigacin

Presas, desfogaderos Y hay muchos ms..

Humedales artificiales

Drenaje Urbano

Para manejar recursos hdricos se requiere informacin sobre:

Balance hdrico. Extremos hidrolgicos: probabilidades de ocurrencia

Escenarios para:Cambios en el uso de suelo, Cambios climticos,Estrategias de manejo. E

n

t

e

n

d

e

r

y

m

o

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l

a

r

a

l

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m

a

!

La Hidrologa provee conocimiento para tomar buenas decisiones en manejo de recursos hdricos

Tomadores de decisin, expertos en aguas, etc.

Hidrlogo seco Hidrlogo mojado

Modelador Ingeniero de campo

Cmo puede la Hidrologa contribuir a resolver los problemas hdricos?

Intensas inundaciones, sequas, deterioro de la calidad de agua / ecosistema, y efectos de cambio climtico.

Iniciados o facilitados a travs de procesos hidrolgicos. Entender el sistema (modelarlo?) Ciencia interdisciplinaria. Hidrologa como campo de estudio:

para favorecer la vida, civilizacin y el desarrollo sustentable.Recreacin Planeamiento.

Intereses de la ciencia pura

Ingeniera y manejo

prcticos de RRHH

HIDROLOGA

Desarrollo de la hidrologa en el tiempo Siempre ligada al ciclo hidrolgico. Grecia: Homero, Tales de Mileto, Platn, Aristteles. Roma: Lucrecio, Sneca, Plinio. Anaxgoras (500-428 a.C.): Evaporacin, lluvia y acuferos. Teofrasto (372-287 a.C.): Precipitacin va condensacin y

congelamiento. Marco Vitruvio (0 d.C.): Mejoramiento de la teora

Teofrastiana. Concepcin actual del ciclo hidrolgico. Asia: Registro de variables meteorolgicas (1200 - 200 a.C.). China (900 a.C.), India (400 a.C.), Persia (siglo X d.C.). Renacimiento: Observacin. Leonardo da Vinci (1452-1519). Distribucin de velocidad en

un ro. Vastos estudios sobre ingeniera

hdrica.

Desarrollo de la hidrologa en el tiempo

Palissy (1510-1589) demostr que los ros y manantialesprovienen de la lluvia. Creencia: alimentados por el mar!

Perrault (1608-1680). Mediciones de escorrenta. Fraccin delluvia. Transpiracin, evaporacin, desviacin.

Siglo XVIII: Ecuacin de Bernoulli, Chzy.Pluvigrafo y correntmetro.

Dalton (1802). Evaporacin. Hagen-Poiseuille (1839). Flujo capilar. Mulvaney (1850): mtodo racional. Darcy (1856): Flujo en medios porosos. Rippl (1883): Requerimientos de almacenamiento de agua. Manning (1891): Flujo en canales abiertos.

Desarrollo de la hidrologa en el tiempo

Siglo XX: Hidrologa cuantitativa. Green & Ampt (1911): Modelos fsicos de infiltracin. Hazen (1914): anlisis de frecuencia para mximos de

creciente. Richards (1931): flujo no saturado. Sherman (1932): Precipitacin efectiva / escorrenta directa. Horton (1933): Teora de infiltracin / Cuencas de drenaje

(1945). Gumbel: Distribucin para extremos hidrolgicos (1941). Hurst (1951): Tendencias en series de tiempo

hidrometeorolgicas. Fines de siglo XX: Computadores para simulacin de

modelos meteorolgicos y lluvia-escorrenta.

EL CICLO DEL

AGUA:

NO TIENE INICIO,NI FIN!

http://www.mathe.tu-freiberg.de/~hebisch/cafe/mce/galerie/wasserfall.html

Ciclo hidrolgico: componentes - Hidrsfera

Precipitacin

Evaporacin y Transpiracin

Infiltracin

Escorrenta

Flujo subterrneo

Ciclo hidrolgico: componentes

precipitacinevapotranspiracin

Almacenamiento(Depresin)

intercepcin

Flujo base (subterrneo)

Retencin en la superficieinfiltracin

Intrusin salina

evaporacin

Flujo y almac. en canales

Ascensin capilar

mar

percolacin EscorrentaSup.

Napa fretica

Conceptualizacin del ciclo hidrolgico (V.T. Chow, 1994)

Teorema de Transporte de Reynolds Todas las leyes bsicas estn desarrolladas para

un sistema cerrado. Conviene ms usar VC para Mecnica de Fluidos. Por qu? TTR: relacin entre razn de cambio de una

propiedad de fluido en un sistema cerrado y elcorrespondiente VC.

B: propiedad extensiva (ej. masa, energa). b: propiedad intensiva: (ej. , cesp) = B / m : velocidad en la CS y es el vector normal a

CS. Demostracin (Curso de Mecnica de Fluidos).

Osborne Reynolds (1842 1912)

( )sissis vc sc

dB d b d b d b V n d Adt dt t

= = +

ur r

Vur

nr

Sistema cerrado vs. Volumen de control

Sist. cerrado y VC en instante t, Ubic,sist = UbicVCSist. cerrado en instante t + t, Ubic,sist = UbicVC - I + II

Entrada

Salida

Teorema de Reynolds (TTR)( )sis

sis vc sc

dB d b d b d b V n d Adt dt t

= = +

ur r

Cambio de propiedad B en el

sistema=

Cambio de propiedad B en el correspondiente

VC (*)+

Tasa a la cual la propiedad B deja / ingresa el / al VC

Qu sucede en flujo permanente? Implicaciones en leyes de conservacin.

Superficie de control

Vur

nVnr

dAc

Teorema de Transporte de Reynolds (TTR)( )sis

vc sc

dB b d b V n d Adt t

= +

ur r

Cambio de propiedad B en el

sistema=

Cambio de propiedad B en el correspondiente

VC+

Tasa a la cual la propiedad B deja / ingresa el / al VC

Ecuacin de Conservacin de: B

b = B / m

Lado Izq.

Masa m 1 0Momentum lineal

Momentum angularEnerga E e, P/+e

Pur

Lur

Vur

r Vr ur

Fur

H W+& &Tur

La superficie a integrar en la ecuacin de la continuidad.

Caudal y flujo msico:

Flujo de masa (cont.)

( )A

m V n dA= ur r

&

0 00 0

0 0

si V n flujo salientem si V n flujo a SC

si V n flujo entrante

> >

= = =

<

Balance hdrico Ecuacin de balance. Ecuacin de Almacenamiento. Reservorios. Ecuacin de la continuidad. Ley de conservacin de la masa (demostracin desde el TTR).

I(t) = ingreso (inflow). O(t) = egreso (outflow). S/t = cambios en el volumen o almacenamiento. Tanto el VC como el t deben estar bien definidos!

Ciclo hidrolgico: balance hdrico

precipitacinevapotranspiracin

Almacenamiento(Depresin)

intercepcin

Flujo base (subterrneo)

Retencin en la superficieinfiltracin

Intrusin salina

evaporacin

Flujo y almac. en canales

Ascensin capilar

mar

percolacin EscorrentaSup.

Napa fretica

Balance hdrico conceptual

Precipitacin, ingreso (hietograma)

Intercepcin

Almacenam.depresiones

Infiltracin

Escorrenta superficial

Flujo en zona no saturada

Recarga de acufero

Acuferos profundos

Recarga a las corrientes



Hidrograma

Balance hdrico de un reservorio

SP Q E Rt

+ =

Aspectos a considerar: VC claramente definido. ms ingresos /egresos? Unidades apropiadas? Cmo calcular el

volumen S?

Balance hdrico en la zona de racesF + CR ET Per =

Contenido de humedad

Subsuelo

Zona de acuferos

Nivel fretico

F infiltracinET evaporacin

+ transpiracinPer PercolacinCR Ascenso capilar

Zona de races

Balance hdrico en Castricum (NL) en mm (promedio de 25 aos)

Balance hdrico Tipo de uso de suelo P = E + Q + S/tSuelo desnudo 841 201 640 0

Arbustos 841 480 361 0Suelo desnudo 46 33.4 25.9 -13.3

Arbustos 46 66.8 6.8 -27.6Suelo desnudo 91.4 10.9 67.5 13

Arbustos 91.4 27.4 23.7 40.3

Anual

Junio

Octubre

Balance hdrico para flujo subterrneo?F + G1 G2 Rg ET =

G1 = Ingresos laterales al acufero.G2 = Egresos laterales desde el acufero.Rg = Agua subterrnea que alimenta a la corriente superficial (seepage).

En general:

Ecuacin fundamental de la Hidrologa. Base de todo modelamiento hidrolgico.

P R E T G =

Balance hdrico mundial (Trendberth, Smith, et al, 2007)

Ejercicio:Estime el tiempo de residencia de la humedad atmosfricaglobal (UNESCO, 1978), qu puede comentarse sobre elresultado?. Haga lo mismo para el caso del agua contenidaen los ros. Y la incertidumbre?

Modelos hidrolgicos:

Modelos hidrolgicos: Fsicos

Modelos hidrolgicos: fsico-computacionales

Modelos hidrolgicos: fsico-computacionales, agregados vs. distribuidos

HEC-HMS

MIKE-SHE

SWAT

Modelos hidrolgicos: puramente matemticos

Data-driven. Modelos orientados a

datos, black box. Redes Neuronales

(Neural Networks) Modelos hbridos.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-1000

0

1000

2000

3000

Tim e

D

i

s

c

h

a

r

g

e

(

m

/

s

)

Tim e series of target and predic ted discharges(RM SE=59.8975) . Us ing laged discharge plus the 7 prec ipitation s tations

P red ic ted

Target

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-600

-400

-200

0

200

400

600Error between target and predic ted (NRM SE=18.5165)

Tim e

E

r

r

o

r

Modelos hidrolgicos:

Determinsticos vs. Estocsticos

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