4 geomorfologia

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  • 1. Captulo 4GEOMORFOLOGIA DE CUENCAS

2. En las ciencias de la tierra ha sido reconocida la dependencia de la geomorfologaen la interaccin de la geologa, el clima y el movimiento del agua sobre la tierra. Esta interaccin es de gran complejidad y prcticamente imposible de serconcretada en modelos determinsticos, y se debe tomar como un proceso decomportamiento mixto con una fuerte componente estocstica.Las caractersticas fsicas de una cuenca forman un conjunto que influyeprofundamente en el comportamiento hidrolgico de dicha zona tanto a nivel delas excitaciones como de las respuestas de la cuenca tomada como un sistema.As pues, el estudio sistemtico de los parmetros fsicos de las cuencas es degran utilidad prctica en la ingeniera de la Hidrologa, pues con base en ellos sepuede lograr una transferencia de informacin de un sitio a otro, donde existapoca informacin: bien sea que fallen datos, bien que haya carencia total deinformacin de registros hidrolgicos, si existe cierta semejanza geomorfolgicay climtica de las zonas en cuestin.4.1 CARACTERISTICAS GEOMORFOLOGICAS DE UNA CUENCAHIDROGRAFICAPara el estudio y determinacin de los parmetros geomorfolgicos se precisa dela informacin cartogrfica de la topografa, del uso del suelo y de lapermeabilidad de la regin en estudio. Los planos para estos anlisis son usadosen escalas desde 1:25.000 hasta 1:100.000, dependiendo de los objetivos delestudio y del tamao de la cuenca en cuestin. Se podra decir que para cuencas2de un tamao superior a los 100 km un plano topogrfico en escala 1:100.000es suficiente para las metas pretendidas en el anlisis general del sistema de unacuenca. Obviamente, los trabajos tendientes a un mismo estudio regional 3. debern efectuarse sobre planos de una misma escala y preferiblemente quehayan sido elaborados bajo los mismos criterios cartogrficos. De esta forma sepodra contar con resultados homogneos que podran ser comparados enestudios posteriores al estudio mismo de las cuencas.Al iniciar un estudio geomorfolgico se debe empezar por la ubicacin de lospuntos donde existan en los ros las estaciones de aforo, para as tener un estudiocompleto de las variables coexistentes en la cuenca: tanto en las excitaciones y elsistema fsico, como en las respuestas del sistema de la hoya hidrogrfica.Toda cuenca en estudio debe estar delimitada en cuanto a su ro principal tantoaguas abajo como aguas arriba. Aguas abajo idealmente por la estacin de aforoms cercana a los lmites de la cuenca en que se est interesado. (Siendo elpunto de la estacin el punto ms bajo en el perfil del ro y en el borde de lacuenca de inters). Aguas arriba por otra estacin que sea el punto ms alto enel perfil del ro donde se incluya el rea en estudio, o por las cabeceras del ro sies el caso del estudio de la cuenca desde el nacimiento.Las caractersticas geomorfolgicas que se van a estudiar en este captulo son lassiguientes (citadas en orden del anlisis posterior):Area, longitud de la cuenca y su permetro, pendiente promedia de lacuenca, curva hipsomtrica, histograma de frecuencias altimtricas, alturay elevacin promedia, relacin de bifurcacin de los canales, densidad dedrenaje, perfil y pendiente promedia del cauce principal y coeficiente decubrimiento de bosques.4.1.1 Area de la cuenca (A).El rea de la cuenca es probablemente la caracterstica geomorfolgica msimportante para el diseo. Est definida como la proyeccin horizontal de toda elrea de drenaje de un sistema de escorrenta dirigido directa o indirectamente aun mismo cauce natural. 4. Es de mucho inters discutir un poco sobre la determinacin de la lnea decontorno o de divorcio de la cuenca. realmente la definicin de dicha lnea no esclara ni nica, pues puede existir dos lneas de divorcio: una para las aguassuperficiales que sera la topogrfica y otra para las aguas subsuperficiales, lneaque sera determinada en funcin de los perfiles de la estructura geolgica,fundamentalmente por los pisos impermeables (Fig 4.1). FIGURA 4.1 Divisoria de aguas superficiales y de aguas subterrneas.Para efectos de balance hdrico si se presenta una situacin como la mostrada enla figura 4.1, el rea superficial puede ser mucho menor que el rea totalcontribuyente al caudal de un ro. Si se presentan estructuras geolgicas quefavorecen la infiltracin de aguas de otras cuencas, es necesario tener en cuentaestos aportes que pueden ser bastante significativos.Frecuentemente se desea analizar una cuenca de gran tamao y muchas veces esnecesario dividirla en subcuencas o subsistemas dependiendo de las metas enestudio del proyecto determinado. El rea es un parmetro geomorfolgico muyimportante. Su importancia radica en las siguientes razones:a)Es un valor que se utilizar para muchos clculos en varios modeloshidrolgicos. 5. b) Para una misma regin hidrolgica o regiones similares, se puede decir que amayor rea mayor caudal medio.c) Bajo las mismas condiciones hidrolgicas, cuencas con reas mayoresproducen hidrgrafas con variaciones en el tiempo ms suaves y ms llanas. Sinembargo, en cuencas grandes, se pueden dar hidrgrafas picudas cuando laprecipitacin fu intensa y en las cercanas, aguas arriba, de la estacin de aforo.d) El rea de las cuencas se relaciona en forma inversa con la relacin entrecaudales extremos: mnimos/mximos. La tabla 4.1 muestra estas relaciones parael ro Rhin, el ro Magdalena, a la altura de Neiva y el ro Tenche, cerca de ladesembocadura de la quebrada Montera en Antioquia.TABLA 4.1 Relaciones entre Qmin /Q max en algunos rios RoAreaCaudal CaudalQmin/QmaxCuencaMnimo Mximo 2 3Kmm /s 3 m /s Rhin 16000050012000 1/24 Magdalena16500 84 60901/72 Tenche 85.40.3295 1/983La tabla 4.2 presenta las relaciones Qmin/Qmax encontradas para algunasestaciones limnigrficas localizadas en el departamento de Antioquia(Colombia).El rea de la cuenca, A, se relaciona con la media de los caudalesmximos,Q, as: Q = C An(4.1)TABLA 4.2 Relaciones entre Qmin /Qmax para algunas cuencas de 6. AntioquiaEstacin CorrienteAreaQmax Qmin Qmin/QmaKm3 m3/s m3/s x PP-10 La VboraLa Vbora21.7 122.3 0.421/292PRN-3 CrucesAnor 101.8 869.5 3.4 1/256 ChigorodoChigorod 241.5 284.3 2.271/126 PRN-1 CharconAnor 323.8 546.5 8.48 1/64RN-10 Puerto Belo San Carlos 590586.917.11 1/34PSB-2 LaSan Bartolom 766.8 247.110.41 1/24 GuarquinaRMS-14 YarumitoMedelln 1080.4295.216.221/18 PSB-3 La Honda San Bartolom 1713.8352.127.181/13 PP-3 Playa DuraPorce3755.5 582.475.221/8La EsperanzaNech 14449.4 1858.0 279.47 1/7 La Coquera Cauca 43143.6 2932.3 557.34 1/5Las FloresCauca 58072.8 3514.4 807.24 1/4C y n son constantes. Al graficar esta relacin en papel doblementelogartmico se obtiene una recta de pendiente n. Segn Leopold (1964) n(factor de Leopold) vara entre 0.65 y 0.80 con un valor promedio de 0.75.Para la zona del ro Negro en el departamento de Antioquia, se hall laecuacin que relacionaba estas variables as (Vlez, Smith, Perez ): Q=100.146 .A 0.716(4.2)Donde :2A: rea de la cuenca en km3Q: media de los caudales mximos instantneos en m /s.Johnston y Cross (en Eagleson 1970) consideran que si dos cuencashidrogrficas son hidrulicamente semejantes en todos sus aspectos secumple la siguiente relacin: 7. 3 Q1 A1 4 = (4.3) Q2 A 2 Evaluando la ecuacin 4.3 en el departamento del Quindo (Colombia) condos estaciones limnigrficas, una aguas abajo de la otra, ubicadas en el roQuindo se encuentra un exponente entre 0.34-0.35. Las reas y los caudalesmximos medios multianuales correspondientes a esas dos estaciones son:. Estacin Area [Km] Media de los caudales Mximos [m/s]Bocatoma 155.2038.92Callelarga 657.02110.64Estadsticamente se ha demostrado que el factor "rea" es el ms importanteen las relaciones entre escorrenta y las caractersticas de una cuenca. Esto sepuede afirmar por el alto valor de los coeficientes de correlacin cuando segrafica escorrenta respecto al rea. Pero hay otros parmetros que tambintienen su influencia en la escorrenta como la pendiente del canal, lapendiente de la cuenca, la vegetacin y la densidad de drenaje.En hidrologa, para el clculo de las reas, se puede emplear el planmetro. Sinembargo actualmente se usan ms y ms los computadores para hallar esteparmetro. La divisoria de la cuenca se puede delimitar indicando la longitud ylatitud de los puntos a lo largo de sa, asumiendo que entre ellos la lnea que losune es una lnea recta. El rea ser entonces, la encerrada por la serie desegmentos as obtenidos y es calculada por la mayora de los software existentesen el mercado usando los principios de la trigonometra. Generalmente se trabaja2con una sola cifra dcimal, cuando las cuencas tienen reas de km . Esteparmetro se simboliza con la letra mayscula A. 8. 4.1.2 Longitud, permetro y ancho.La longitud, L, de la cuenca puede estar definida como la distancia horizontal delro principal entre un punto aguas abajo (estacin de aforo) y otro punto aguasarriba donde la tendencia general del ro principal corte la lnea de contorno de lacuenca (figura 4.2)FIGURA 4.2 Longitud y permetro de una cuencaEl permetro de la cuenca o la longitud de la lnea de divorcio de la hoya es unparmetro importante, pues en conexin con el rea nos puede decir algo sobrela forma de la cuenca. Usualmente este parmetro fsico es simbolizado por lamayscula P.El ancho se define como la relacin entre el rea (A) y la longitud de la cuenca(L) y se designa por la letra W. De forma que: A W= (4.4) L 9. 4.1.3 Parmetros de forma de la cuencaDada la importancia de la configuracin de las cuencas, se trata de cuantificarestas caractersticas por medio de ndices o coeficientes, los cuales relacionan elmovimiento del agua y las respuestas de la cuenca a tal movimiento (hidrgrafa).En la figura 4.3 vemos varias hidrgrafas para cuencas con la misma rea ydiferentes formas ante una lmina precipitada igual.Parece claro que existe una fuerte componente probabilstica en ladeterminacin de una cuenca mediante sus parmetros y las caractersticas dela red de drenaje. Por esta razn se han buscado relaciones de similitudgeomtrica entre las caracter