DIPLOMADOINGENIERIA HIDRAULICA

MODULO 1. HIDROLOGIA APLICADA

Tema: Mtodos para la determinacin del tiempo deconcentracin

Docente: Ing. Catherine Iiguez Y. MsC.

Cochabamba, Abril de 2015

1 ResumenEn el presente artculo vamos a exponer los mtodos ms utilizados para

calcular el tiempo de concentracin de una cuenca hidrogrfica (tc) de pequeotamao.

El tiempo de concentracin es una de las variables ms importantes adeterminar en la planificacin de usos del suelo y en la conservacin de suelos y aguaso gestin de recursos hdricos. Si nuestro objetivo es evitar la degradacin del terrenopor procesos de erosin hdrica, posibilitar la implantacin de un cultivo nuevo ocambiar el sistema de riego, no es lgico querer saber cul es la previsin de lluviasen la zona a un plazo de tiempo dado? Para poder responder a esta pregunta deforma satisfactoria es necesario que primero resolvamos una cuestin caracterstica denuestra cuenca de trabajo: su tiempo de concentracin.

2 Objetivos Entender el concepto de tiempo de concentracin. Calcular el tiempo de concentracin caracterstico de una cuenca dada Diferenciar las ventajas y deficiencias de cada uno de los posibles mtodos

de clculo del tiempo de concentracin

3 Estructura e introduccinEl presente artculo docente se estructura en los siguientes puntos:

1. Resumen de ideas clave2. Objetivos3. Estructura e introduccin4. Desarrollo

4.1. Concepto de tiempo de concentracin4.2. Mtodos de estima del tiempo de concentracin

5. Cierre6. Bibliografa

Si seguimos todos estos apartados descritos al final tendremos una idea claradel concepto de tiempo de concentracin y sus mtodos de clculo consiguiendopor tanto, superar los objetivos propuestos. No obstante y para poder llegar a entendercon claridad todo lo expuesto en este artculo antes deberemos saber qu es unacuenca hidrogrfica, cules son sus componentes y cul es su funcionamiento, siendocapaces de dibujarla a partir de las curvas de nivel de un mapa topogrfico o porfotointerpretacin de fotografa areas mediante el uso de un estereoscopioadecuado a la escala de los fotogramas.

Todos estos aspectos son abordados en profundidad en otros documentosdisponibles para el alumno en el repositorio institucional de la UPV de objetos deaprendizaje (Riunet). Si el lector no dominara alguno de estos aspectos deber acudirpreviamente a stas ayudas o acudir a algn texto especfico sobre el tema.

4 Desarrollo4.1 Concepto de tiempo de concentracin (tc)

Se define como el tiempo mnimo necesario para que todos los puntos de unacuenca estn aportando agua de escorrenta de forma simultnea al punto de salida,punto de desage o punto de cierre. Est determinado por el tiempo que tarda enllegar a la salida de la cuenca el agua que procede del punto hidrolgicamente msalejado, y representa el momento a partir del cual el caudal de escorrenta esconstante, al tiempo que mximo; el punto hidrolgicamente ms alejado es aquldesde el que el agua de escorrenta emplea ms tiempo en llegar a la salida.

Para entender bien el concepto de tiempo de concentracin pensemos unpoco en el siguiente ejemplo (figura 1): en un instante dado comienza a llover deforma uniforme y constante sobre un canal de riego; inmediatamente comenzar acircular agua hacia el punto de salida del canal (pto. B), pero en el instante inicial (to),nicamente saldr del canal el agua que cae directamente sobre el punto de salida oen sus inmediaciones, puesto que el agua precipitada en la parte alta del canaltardar cierto tiempo en recorrer la distancia que separa los puntos A y B.

A

B

Figura n 1.- Ejemplo: lluvia sobre un canalLgicamente, si la lluvia se mantiene con la misma intensidad desde el inicio de latormenta hasta el final, el caudal de agua que ir saliendo por el punto B iraumentando a partir del momento inicial hasta alcanzar un valor mximo, y a partir deese momento se mantendr constante hasta que cese la precipitacin:

pasado el instante inicial, los puntos intermedios del canal irnaportando agua a la salida el caudal de la escorrenta, Q, ircreciendo

cuando el agua procedente del punto A llegue a B, toda la superficiedel canal estar aportando agua Q ser mximo y ya no aumentarmientras la intensidad de la lluvia permanezca constante.

Si ocurre que la tormenta precipita sobre todo el canal a intensidad Xconstante durante un total de 8 horas, y el tiempo que emplea la escorrenta enrecorrer la distancia que separa los puntos A y B es de 4 horas, representando laintensidad de la lluvia frente al tiempo construiremos el hietograma de la tormenta(figura 2a) y representando Q frente al tiempo construiremos su correspondientehidrograma (figura 2 b):

a)

b)

Figura n 1.- Ejemplo: lluvia sobre un canalEn una cuenca hidrogrfica el comportamiento del hidrograma ser similar,

slo que en este caso parte del agua se infiltrara en el suelo y la escorrentacomenzara tras la saturacin del suelo: para una lluvia de intensidad constante elcaudal en la salida ir aumentando a medida que vaya llegando el agua deescorrenta procedente de puntos hidrolgicamente cada vez ms alejados,mantenindose constante a partir del momento en el que el punto ms alejado ya estaportando agua a la salida; el tiempo que transcurre desde el inicio de la escorrentahasta que el punto ms alejado hidrolgicamente aporta agua al punto de salida eslo que denominamos tiempo de concentracin.

En el ejemplo de la figura 3 aparece el trazado de las superficies comprendidasentre isocronas correspondientes a la llegada del agua de escorrenta al punto decierre de una cuenca en la que el tiempo mximo empleado por el agua deescorrenta para llegar a la salida es de 6 horas.

La zona queda dividida en 6 sectores:- transcurrida la 1 hora desde el inicio de la escorrenta, nicamente el sector

en amarillo (el ms prximo al punto de desage) est aportando agua en el puntode control.

- transcurridas 2 horas desde el inicio de la escorrenta, nicamente los sectoresamarillo y naranja estn aportando agua en el punto de control.

- transcurridas 3 horas desde el inicio de la escorrenta, los sectores amarillo,naranja y rosa estn aportando agua en el punto de control.

- transcurridas 4 horas desde el inicio de la escorrenta, aportarn agua lossectores amarillo, naranja, rosa y verde en el punto de control.

- transcurridas 5 horas desde el inicio de la escorrenta, los sectores amarillo,naranja, rosa y violeta estn aportando agua en el punto de control.

- transcurridas 6 horas desde el inicio de la escorrenta, toda la cuenca(sectores amarillo, naranja, rosa, verde, violeta y azul) estn aportando agua en elpunto de control o desage.

Figura n 3.- Las lneas isocrononas separan las zonas de diferentes coloresEl tiempo de concentracin, o tiempo mnimo necesario para que toda la

cuenca est aportando agua al punto de salida, es un parmetro caracterstico decada cuenca y depende de los siguientes factores:

- del tamao de la cuenca: a mayor tamaomayor tc- de la topografa: a mayor accidentalidad o pendiente, menor tc

- la forma: a igualdad de otros factores, las cuencas alargadas (figura 4a)presentan menores tc que las cuencas apaisadas (figura 3b) o redondeadas.

a) alargadab) apaisada

Figura n 4.- Influencia de la forma de la cuenca en el tc

4.2 Mtodos de estimaLa determinacin del tiempo de concentracin se realiza con ayuda de tablas

o ecuaciones emprricas, siendo las ms utilizadas, en cuanto a tablas, las de Agres, ladel USDA y la de Comack; en cuanto a las ecuaciones, destacan las de Bransby-Williams, Ventura-Heras, Giandotti, Kirpich, Passinni y la Direccin General deCarreteras (Espaa). Su formulacin se presenta en las siguientes figuras:

4.2.1 Agres

rea Tiempo deconcentracin

Acres Hectreas (minutos)1 0,4 1,45 2,0 3,510 4,0 4,0100 40,5 17,0500 202,5 41,01000 405,0 75,0

4.2.2 Soil Conservation Service (USDA)

4.2.3 De Cormack

4.2.4 Bransby-Williams

Dnde:T= tiempo de concentracin (horas)L= distancia mxima a la salida (km)D= dimetro del crculo de rea equivalente a la superficie de lacuenca (km2)M= rea de la cuenca (km2)F= pendiente media del cauce principal (%)

4.2.5 Kirpich

Dnde:T= tiempo de concentracin (minutos)L= longitud mxima a la salida (m)S= pendiente media del lecho (m/m)

4.2.6 Ventura-Heras

siendo 0,05 a 0,5Dnde:tc= tiempo de concentracin (horas)i= pendiente media del cauce principal (%)S= rea de la cuenca (km2)L= longitud del cauce principal (km)a= alejamientomedio

4.2.7 Passini

siendo 0,04 a 0,13Dnde:tc= tiempo de concentracin (horas)i= pendiente media del cauce principal (%)S= rea de la cuenca (km2)L= longitud del cauce principal (km)a= alejamientomedio

4.2.8 Giandotti

siempre que L/3.600 tc (L/3.600 +1,5)Dnde:tc= tiempo de concentracin (horas)S= rea de la cuenca (km2)L= longitud del cauce principal (km)i= elevacin media de la cuenca o diferencia de nivel principal (m)

4.2.9 Direccin General de Carreteras

Dnde:tc= tiempo de concentracin (horas)J= pendiente media del cauce principal (H/L)H= diferencia de nivel entre el punto de desage y el puntohidrolgicamentems alejado (m)L= longitud del cauce principal (km)

5 CierreEl clculo del tiempo de concentracin de una cuenca hidrogrfico es uno de losaspectos bsicos a determinar a la hora de gestionar los recursos agua y suelo, ya seapara su mejor aprovechamientocomo para mejorar su manejo y conservacin.

Su clculo se realiza mediante la aplicacin de algunos de las grficas o ecuacionesdeterminadas empricamente a partir de la toma de datos en campo, la mayora delas veces en climas y situaciones topogrficas diferentes a las condicionesmediterrneas de nuestro entorno.Las variables que intervienen en todos los mtodos son exclusivamente de tipotopogrfico, destacando la importancia de la inclinacin y longitud del cauceprincipal. En ningn caso se consideran las caractersticas topogrficas de las laderasvertientes.

6 Bibliografa6.1 Bibliografa[1] Hudson, N., 1982. Conservacin de suelo Reverte, 335 pp.[2] Lpez Cadenas de Llano, F. (Coord.), 1994. Restauracin hidrolgico-forestalde cuencas Mundi Prensa Tragsa, 902 pp..[3] Lpez Cadenas de Llano, F. (Coord.). 2003. La Ingeniera en los procesos dedesertificacin Grupo Tragsa, 1045 pp.[4] Schwab, G.O. - Frevert, R.K. - Edminster, T.W.. Ingeniera de conservacin desuelos y aguas, Ed. Limusa, 570 pp.