Hidrología

Clase 11:Escorrentía superficialDocente:

Ing. Giovanni Vargas Coca

120 000 m3/seg

Nilo

Yangtse

Yenisei

Mississipi

Amarillo

Obi

Generalidades

• Escorrentía: movimiento de agua sobre la superficie del terreno debido a la existencia de diferencia de carga hidráulica (pendiente); • Ocurre si la intensidad de la Precipitación es mayor a la

capacidad de infiltración del suelo; es mayor si la lluvia cae sobre suelo saturado;

Factores de EscorrentíaoDepende de factores: • Climáticos: temperatura, precipitación,

evapotranspiración;• Geológicos – geomorfológicos:

características de cuenca, suelo, vegetación;• Hidráulicos: caudal, características de

cauces.

CLIMA: Genera patrones de escurrimiento que dependen de: o Precipitación total anual;o Distribución de precipitación;o Forma de precipitación;o Temperatura media anual;o Temperatura estacional;o Evapotranspiración potencial;o Impacta principalmente al hidrograma anual.

Factores climáticos

Características de la Cuenca

Características de Cauces

o Propiedades hidráulicas (tamaño y forma de secciones, pendientes, rugosidades) longitud de tributarios y efectos de remanso y torrentes.

o Propiedades geométricas: tamaño, forma, y densidad de drenaje;

o Propiedades físicas: uso de la tierra, condiciones de infiltración, tipos de suelos, características geológicas (permeabilidad, rendimiento y retención específica) y topográficas (pendiente, orientación, elevación, etc).

o Constituida por parte de la precipitación que escurre superficialmente.

o Antes que se incorpore a un cauce natural de cualquier magnitud, lámina de agua que escurre superficialmente se denomina usualmente flujo superficial.

E. Superficial = precipitación – ( infiltración + intercepción + almacenamiento superficial)

Escorrentía Superficial

Componentes escorrentía

InfiltraciónInterflujo

Escorrentía

superficial

Escorrentía Total

Precipitación directa sobre Cauces y sus afluentes

Flujo superficial

Flujo subterráneo Escorrentía

total

Flujo subsuperficial

Escorrentía Total = Escorrentía Directa + Flujo Base

Aquella que se incorpora rápidamente al río poco después de lluvia o del derretimiento de nieves

Escorrentía superficial, flujo intermedio rápido y precipitación sobre cauces.

Queda condicionado principalmente por aporte del agua subterránea al río. Se mantiene durante período sin

lluvias. También flujo intermedio lento puede o no formar parte del flujo base.

HIDROMETRÍALa palabra hidrometría proviene del griego Hidro que significa ‘agua’ y –metría que significa ‘medición’. Por lo tanto la hidrometría es la ciencia que trata de la medición y análisis del agua incluyendo métodos, técnicas e instrumentos utilizados en Hidrología.

NIVEL DE AGUA El nivel de agua es la altura de la superficie de un río, lago u otra masa de agua con relación a una determinada referencia, en el caso de un río será de su lecho. En general, debe ser medida con una exactitud de un centímetro, mientras que en las estaciones de aforo que efectúan registros continuos la exactitud debe ser de tres milímetros.

MEDICIÓN EL NIVEL DEL AGUALas mediciones de los niveles de agua de los ríos, lagos o algún cuerpo de agua, se usan directamente para la predicción de crecidas (máximas alturas de agua), definir o delinear zonas con riesgo de inundación y para proyectar estructuras (puentes u otras obras hidráulicas).

INSTRUMENTOS O EQUIPOS QUE MIDEN EL NIVEL DEL AGUA En las estaciones hidrométricas del SENAMHI - ELECTROPERU, se cuenta con el limnímetro y limnígrafo.

Medición de Escorrentía

Caudal se mide como caudal en estaciones de aforo o estaciones hidrológicas: limnimétricas o limnigráficas.

Estación limnimétricaMiras limnimétricas

Estaciones HidrológicasNiveles de agua medidos con:reglas limnimétricas.

Mira limnimétrica

Estación limnimétrica

Estación Limnigráfica

Estaciones de aforo que cuentan con un limnígrafo o instrumento registrador de variación de niveles de agua o tirantes

Limnígrafo

Estación Limnigráfica

Limnígrafo

Limnígrafos

Relación Nivel - Caudal

h

Q

En estación de aforos, de área de sección transversal permanente, se mide caudales y niveles de agua y se establece curva de calibración (h-Q).

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS QUE SE DEBE CUMPLIR EN EL DISEÑO DEL LIMNÍMETROSegún el Reglamento Técnico OMM-Nº 49, indica las características funcionales que debe reunir los limnímetros y tipos de limnímetros. • Deben ser precisos y estar claramente graduados. • Deben ser resistentes a la corrosión y de fácil mantenimiento. • Deben ser fáciles de instalar y utilizar. • Las graduaciones deberán ser claras y permanentes. Los números deberán ser

claramente legibles y estar situadas de tal manera que no haya ninguna posibilidad de ambigüedad.

• Para dar conformidad a su construcción, se deberá constatar que las marcaciones de las subdivisiones tendrá una precisión de ± 0,5 mm y el error acumulado de longitud no será superior al mayor de dos valores siguientes: 0,1 por ciento ó 0,5 milímetros.

• Las miras limnimétricas que se tiene instalada en el SENAMHI tienen las siguientes dimensiones, un espesor de 7 milímetros, 10 centímetros de ancho y 1 metro de largo como longitud adecuada (7mmx10cmx1m). Estas medidas son estándares en la red del SENAMHI y las más recomendables.

CLASIFICACIÓN LAS ESTACIONES HIDROLÓGICAS DE OBSERVACIÓN

El Reglamento Nº 49 de la OMM, clasifica a las estaciones en: • Estaciones hidrométricas • Estaciones climatológicas para fines hidrológicos • Estaciones de agua subterránea • Estaciones hidrológicas para propósitos específicos

ESTACIÓN HIDROMÉTRICA El Glosario Hidrológico Internacional (1994), define a la estación hidrométrica como el lugar de observación en la cual se obtienen datos sobre el agua de ríos, lagos o embalses. En una estación hidrométrica se deberá observar uno o más de los elementos que se citan a continuación se detalla: • El nivel de agua de los ríos, lagos y embalses; • El caudal o flujo de las corrientes; • Transporte o depósito de sedimentos o ambos; • La temperatura y otras propiedades físicas del agua de un río, lago y embalses; • Las características y extensión de la capa de hielo de los ríos, lago o embalse; • Las propiedades químicas del agua de los ríos, lagos y embalses.

PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN DE UNA ESTACIÓN HIDROMÉTRICA• El tramo a escoger deberá tener en lo posible en un tramo recto unos 100 metros aguas arriba y debajo de la

estación de aforo.

• La corriente total debe estar confinada en un solo cauce para todos los niveles y pueden existir corrientes subterráneas.

• El lecho del río no debe estar sujeto a socavaciones ni a rellenos y debe estar libre de plantas acuáticas.

• Las orillas deben ser permanentes, lo suficientemente altas para contener las crecidas y deben estar libres de arbustos.

• Deben haber controles naturales inalterables: afloramiento de rocas en el fondo o un cañón estable durante el estiaje, y un cauce encajonado para las crecientes caídas o cascadas, insumergible en todos los niveles de manera de tener una relación estable entre el nivel y el caudal. Si no hay condiciones naturales satisfactorias para un control de aguas bajas, se debe prever la instalación de un control artificial.

• Se debe disponer de un sitio conveniente para alojar el limnígrafo, inmediatamente aguas arriba del control, y protegerlo contra posibles daños por los escombros llevados por las aguas durante las crecidas del río. El limnígrafo debe estar por encima de toda crecida probable que pueda ocurrir durante el período de vida de la estación; g) el sitio de aforo debe estar lo suficientemente aguas arriba de la confluencia con otro río o de los efectos de la marea, para evitar toda influencia variable que puedan ejercer sobre el nivel en el sitio de la estación.

• Se debe disponer de una longitud de tramo suficiente para medir el caudal a todos los niveles dentro de una razonable proximidad de la estación de aforo. No es necesario que las mediciones para aguas altas y bajas se efectúen en la misma sección transversal del río.

• El sitio debe ser fácilmente accesible para facilitar la instalación y el funcionamiento de la estación de aforo.

• El sitio debe disponer de instalaciones de telemetría o transmisión por satélite, si se requieren.

• La formación de hielo en el área no debe interrumpir el registro de los niveles y las mediciones del caudal.

AFORO DE CAUDALES

Es el conjunto de operaciones para determinar el caudal en un curso de agua para un nivel de observación.

Medición de Escorrentía

Descarga: volumen de agua por unidad de tiempo que pasa a través de una sección de un cauce, se calcula según la formula:

Q = A x V, en m3/sDonde:o A: área de sección transversal del cauce (m2)o V: velocidad media (m/s)o A = d x w, para un canal rectangular (m2)

Siendo: d: tirante (m) w: ancho del canal (m)

Métodos para Medir Caudales

• Métodos directos:• Método volumétrico• Método área velocidad• Dilución con trazadores

• Métodos indirectos:• Estructuras hidráulicas.• Método área - pendiente:

fórmula de Manning:

Métodos Directos

Método volumétrico

Método Volumétrico • Método sencillo, consiste en

llenar una vasija hasta volumen determinado y medir tiempo que se tome en llenarse. • Puede ser empleado para

caudales bajos y en tuberías o canales que tengan caída libre.• A menudo es forma más fácil

de determinar caudal.

Q= l/seg

Métodos Área – Velocidad • Se determina velocidad del fluido y área transversal a

dirección del mismo.

• Caudal se calcula con base a expresión Q = VA, siendo V velocidad media.

• Variación entre métodos está en manera de medir velocidad:• Método del flotador;• Trazadores;• Método del correntómetro. Sección transversal

para método área - velocidad

Variación de Velocidad

Variación de velocidad (perfil y secciones)

Método del FlotadorUn aforo con flotadores se efectúa en tramos rectos, con flujo uniforme.

Se colocan dos cordeles separados una distancia de 10 m. Se echa flotador más arriba y al centro del cauce. Se mide tiempo que demora entre cordeles.

Método del FlotadorCoeficiente 0,75 se introduce para corregir la velocidad superficial y aproximarla a la velocidad media.

Vs = e (m)/t (seg)

Q = 0,75AVs

Método del Flotador

Método del Correntómetro Método de medición de velocidad

media más usado en cauces naturales;

Consta de sistema de copas cónicas o de hélice que gira alrededor de eje horizontal;

Mide velocidad del flujo, a través de velocidad de rotación de hélice, colocada a determinada profundidad.

Correntómetros o Molinetes

Tipos de Medición con Molinete

Directa

Con teleférico

Usando puentes

45

Tipos de medición …

Con teleférico

Desde embarcación

Directa

Medición con correntómetro Mediciones se efectúan a 0,2 y 0,8 de profundidad,

(y 0,6 m); a 0,6 de profundidad, para y < 0,6 m;

Velocidad de rotación (N, en rpm), se transforma a velocidad lineal, con ecuación calibración:

V = a + bN

H 0.2H

0.8H

LiSección i

Medición con Correntómetro

Sección del cauce se divide en áreas parciales, de ancho Li.

Para cada sección i se mide profundidad media (Hi) y velocidad media (Vi), promedio de velocidades a 0,2 y 0,8 de profundidad;

Medición con Correntómetro

• Caudal parcial (Qi): producto de área parcial (Si = Hi.Li) por velocidad media (Vi);

Caudal total: Q = Qi

Ejemplo de Aforo con Correntómetro

Aforo con Trazadores• Se adiciona en un punto del

cauce una sustancia coloreada o químicamente activa o radiactiva, y se procede a medir la longitud y el tiempo de recorrido, hasta un punto previamente escogido.

Trazadores: pueden ser de 3 tipos:1) Químicos: sal común y

dicromato de sodio;2) Fluorescentes:

fluoresceína y rodamina;3) Materiales radioactivos:

yodo 132, bromo 82, sodio.

Métodos Indirectos

Estructuras Hidráulicas• Vertederos: estructuras hidráulicas por encima de las

que pasa el agua. Punto o arista más bajo en contacto con agua se denomina cresta. • Vertederos de cresta delgada: placas con perfil en

cualquier forma; se emplean en bajos caudales • Vertederos de pared gruesa: muros; aforo

en canales grandes. • Diferencia de niveles entre superficie libre

un punto aguas arriba y su cresta se denomina H y velocidad en conducto aguas arriba se denomina velocidad de llegada.

• La distancia entre el fondo del canal y la cresta debe ser por lo menos dos veces la carga sobre vertedero.• Unión entre vertedero y canal debe ser

impermeable.• Tanto la cresta como el canal aguas arriba

deben mantenerse limpios.• El Vertedero debe estar localizado en una

sección recta, con poca pendiente.• Los Vertederos más empleados son:

rectangulares, triangulares y trapezoidales.• El Vertedero debe ser seleccionado en

base al flujo a medir.

Vertederos

Vertedero retangular:

(L y H en m, Q en m3/s)

5,184,1 HLQ

5,242,1 HQ

VERTEDEROS

Vertedero triangular:

Vertederos

• Dispositivo de gran exactitud para medir flujos en conductos abiertos. • Consta, como Venturi, de una sección convergente, una garganta o

sección estrecha y una sección divergente.• Fórmula general para cálculo del caudal es:

Q= 4WHn

Donde:H: Altura de agua sobre garganta en

ft;W: Ancho de canaleta en sección de

garganta;n: 1.522 W0.026

Q: Caudal en ft3/s.

Aforador Parshall

Una de mayores ventajas ofrecida es que por tipo de flujo que se produce (crítico) no hay sedimentación de sólidos

Aforador Parshall

Datos de EscorrentíaUNIDADES

(m3/s) ó (l/s)

(m3/s/km2) ó (l/s/ha)

lámina de agua, (cm) ó (mm)

Dimensionamiento de obras

comparación de regímenes hidrológicos

Estudio de relaciones precipitación-escorrentía o en balances hidrológicos de cuencas

Análisis de EscorrentíaLa escorrentía varía en función de la precipitación en la cuenca; Las mediciones generan gran cantidad de datos, que es necesario procesar; Para procesarla se utiliza la Estadística; Se considera la escorrentía como variable aleatoria; Se puede adaptar un modelo matemático que represente comportamiento, en función de precipitación y características de cuenca.

Análisis de Escorrentía• Primer paso: chequeo de

confiabilidad; se analizan registros históricos para probar su consistencia y homogeneidad, y además, completar y extender dicha información;

• Tratamiento de información es igual al efectuado para precipitación.

Relación PRECIPITACIÓN-ESCORRENTÍALas Características de la cuenca afectan a la

escorrentía, para una precipitación dada: Pendiente, a mayor pendiente mayor velocidad de

escorrentía; Forma, escorrentía será diferente para cuencas de

igual área, pero de diferente forma (alargada, achatada, etc);

Densidad de drenaje, a mayor valor, respuesta hidrológica de cuenca será más rápida (cuenca muy bien drenada);

Escorrentía = f(Precipitación, propiedades del suelo)

Relación PRECIPITACIÓN-ESCORRENTÍA

Propiedades del suelo

Precipitación (mm)

Escorrentía (mm)Propiedades del suelo

Precipitación (mm)

Escorrentía (mm)

Cobertura del terreno, también es un factor muy importante.

Lluvia (mm/hr)

Flujo (m3/s)

Cuenca

Relación PRECIPITACIÓN-ESCORRENTÍA

Lluvia (mm/hr)

Flujo (m3/s)

Tiempo

Lluvi

a y

fl ujo

Flujo = f(Lluvia, propiedades cuenca hidrográfica)

Relación PRECIPITACIÓN-ESCORRENTÍA

Modelo PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA

Exceso precipitación

Escorrentíadirecta

Función transferencia

Modelo hidrograma

Hidrograma, es cualquier gráfico que relaciona alguna propiedad del flujo de agua de un cauce con el tiempo.

Estrictamente, es el gráfico que muestra la variación del caudal de un río con el tiempo.

Dicho gráfico muestra efecto integral de características físicas y climáticas que gobiernan relaciones entre precipitación y escorrentía en una cuenca.

Hidrogramas

Hidrogramas

Q

t (días)1 2 3 4 5

(2) Lectura diaria

(5) Flujo medio diario

(1) Lectura ocasional(3) Caudal pico

(4) Registro contínuo

• Variación temporal de escorrentía superficial, puede visualizarse mejor a través de hidrogramas, donde puede apreciarse variación cíclica estacional, con valores altos o picos en períodos húmedos, o época de lluvias, y valores bajos o nulos en períodos secos o de estiaje.

Hidrogramas

Factores que Influyen en Hidrograma

• Climáticos:• Tipos de precipitación; • Intensidad y duración de precipitación;• Tamaño y dirección de tormentas.

• Geológicos y de cobertura surperficial:• Tipos de rocas y suelos;• Vegetación.

• Características físicas de cuenca:• Topografía;• Sistema y densidad de drenaje;• Gradiente superficial.

• Otros factores:• Usos de tierra;• Lagos;• Usos del agua.

Hidrograma de caudales medios mensuales, Río Guarapiranga (Brasil)

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

110.00

1913/14

1915/16

1917/18

1919/20

1921/22

1923/24

1925/26

1927/28

1929/30

1931/32

1933/34

1935/36

1937/38

1939/40

1941/42

1943/44

1945/46

1947/48

1949/50

1951/52

1953/54

1955/56

1957/58

1959/60

1961/62

1963/64

1965/66

1967/68

1969/70

1971/72

1973/74

1975/76

1977/78

1979/80

1981/82

1983/84

1985/86

1987/88

1989/90

1991/92

1993/94

1995/96

1997/98

1999/00

2001/02

2003/04

AÑOS

Cau

dal (

m3 /s

)

Qnormal = 30.2 m3/s

Comportamiento multianual del caudal del río Chancay

Comportamiento multianual del caudal del río Rimac

Histograma de caudales medios anuales, Río Guarapiranga (Brasil)

Curvas de Duración• Curva de duración es un procedimiento gráfico para el análisis de frecuencia de

datos de caudales;• Representa frecuencia acumulada de ocurrencia de un caudal determinado.

• Es una gráfica que tiene caudal, Q, como ordenada y número de días del año (generalmente expresados en % de tiempo) en que ese caudal, Q, es excedido o igualado, como abscisa.

• Ordenada Q para cualquier porcentaje de probabilidad, representa magnitud del flujo en un año promedio, que espera que sea excedido o igualado un porcentaje, P, del tiempo.

Curvas de DuraciónPor medio de estas curvas se definen:

o Caudal característico máximo: Caudal rebasado 10 días al año.o Caudal característico de sequía: Caudal rebasado 355 días al año.o Caudal de aguas bajas: caudal excedido 275 días al año o el 75 % del tiempo.

o Caudal medio anual: altura de un rectángulo de área equivalente al área bajo la curva de duración.

Curvas de duración, río Guarapiranga (Brasil)

Curvas de duración, río Ica

75

Q75

Curvas de duración, río Guarapiranga (Brasil)

Practica1.- Con los datos de caudal del rio Cunas elaborar:• El hidrograma de caudales medios mensuales.• La curva de duración de caudales medios para cada

mes.2.- Con los datos de caudal del rio Mantaro elaborar la curva de duración de caudales para el año 1988. Con esa información establecer:• Caudal característico máximo.• Caudal característico de sequía.• Caudal de aguas bajas.

GRACIAS