HIDROLOGA CAPTULO 02. CUENCAS HIDROGRFICAS

CAPTULO 02: CUENCAS HIDROGRFICAS

As como el ciclo hidrolgico es el concepto fundamental de la hidrologa, la cuenca hidrolgica es su unidad de estudio. En este captulo se estudiar este concepto y algunas nociones fundamentales de geomorfologa tiles en la ingeniera.

2.1. CONCEPTO DE CUENCA

Una cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser drenadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida.

La definicin anterior se refiere a una cuenca superficial; asociada a cada una de stas existe tambin una cuenca subterrnea, cuya forma en planta es semejante a la superficial. De ah la aclaracin de que la definicin es vlida si la superficie fuera impermeable.

Desde el punto de vista de su salida, existen fundamentalmente dos tipos de cuencas: endorreicas y exorreicas. En las primeras el punto de salida est dentro de los lmites de la cuenca y generalmente es un lago; en las segundas, el punto de salida se encuentra en los lmites de la cuenca y est en otra corriente o en el mar (Figura No. 2.1)

Figura No. 2.1. Tipos de cuencas hidrogrficas.

Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

2.2. CARACTERSTICAS DE LA CUENCA Y LOS CAUCES

El ciclo hidrolgico, visto a nivel de una cuenca, se puede esquematizar como un estmulo, constituido por la precipitacin, al que la cuenca responde mediante el escurrimiento en su salida. Entre el estmulo y la respuesta ocurren varios fenmenos que condicionan la relacin entre uno y otra, y que estn controlados por las caractersticas morfolgicas de la cuenca y su urbanizacin. Dichas caractersticas se clasifican en dos tipos, segn la manera en que controlan los fenmenos mencionados: las que condicionan el volumen de escurrimiento, como el rea de la cuenca y el tipo de suelo, y las que condicionan la velocidad de respuesta, como son el orden de corrientes, pendientes de la cuenca y los cauces, etc. A continuacin se describen las caractersticas de la cuenca y los cauces de mayor importancia por sus efectos en la relacin precipitacin-escurrimiento.

2.2.1 Parteaguas

El parteaguas es una lnea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel topogrfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas (Figura 2.2.).

Figura No. 2.2. Parteaguas de una cuenca hidrogrfica.

Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

2.2.2. rea de la Cuenca

rea de la cuenca se define como la superficie, en proyeccin horizontal, delimitada por el parteaguas.

2.2.3. Corriente Principal

La corriente principal de una cuenca es la corriente que pasa por la salida de la misma. Ntese que esta definicin se aplica solamente a las cuencas exorreicas. Las dems corrientes de una cuenca de este tipo se denominan corrientes tributarias. Todo punto de cualquier corriente tiene una cuenca de aportacin, toda cenca tiene una y slo una corriente principal. Las cuencas correspondientes a las cuencas tributarias o a los puntos de salida se llaman cuencas tributarias o subcuencas.

Entre ms corrientes tributarias tenga una cuenca, es decir, entre mayor sea el grado de bifurcacin de su sistema de drenaje, ms rpida ser su respuesta a la precipitacin. Por ello, se han propuesto un cierto nmero de indicadores de dicho grado de bifurcacin, algunos de los cuales son los siguientes:

El orden de corrientes se determina como se muestra en la Figura No. 2.3. Una corriente de orden 1 es un tributario sin ramificaciones, una de orden 2 tiene slo tributarios de primer orden, etc. Dos corrientes de orden 1 forman una de orden 2, dos corrientes de orden 3 forman una de orden 4, etc., pero, por ejemplo, una corriente de orden 2 y una de orden 3 forman otra de orden 3. El orden de una cuenca es el mismo que el de la corriente principal en su salida; as, por ejemplo, el orden de la cuenca de la Figura No. 2.3. Es de 4. Ntese que el orden de una cuenca depende en mucho de la escala del plano utilizado para su determinacin; en este sentido, las comparaciones entre una cuenca y otra deben hacerse con cuidado, especialmente cuando los planos correspondientes no estn a la misma escala o estn editados por diferentes organismos.

Otros indicadores del grado de bifurcacin o eficiencia de una cuenca son la densidad de corrientes Ds, definida como el nmero de corrientes perennes e intermitentes por unidad de rea y la densidad de drenaje Dd, definida como la longitud de corrientes por unidad de rea.

Dnde:

: Nmero de corrientes perennes e intermitentes

: Longitud total de las corrientes

: rea de la cuenca.

Un orden de corriente alto o una densidad elevada refleja una cuenca altamente disectada, que responde rpidamente a una tormenta. Las densidades u rdenes de corrientes pequeas se observan donde los suelos son muy

Figura No. 2.3. Orden de una cuenca hidrogrfica.

Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

resistentes a la erosin o muy permeables; donde estos indicadores son elevados, los suelos se erosionan fcilmente o son relativamente impermeables, las pendientes son altas y la cobertura vegetal es escasa.

Uno de los indicadores ms importantes del grado de respuesta de una cuenca a una tormenta es la pendiente del cauce principal. Dado que esta pendiente vara a lo largo del cauce, es necesario definir una pendiente media; para ello existen varios mtodos, de los cuales se mencionan tres:

a) La pendiente media es igual al desnivel entre los extremos de la corriente dividido entre su longitud medida en planta.

b) La pendiente media es la de una lnea recta que, apoyndose en el extremo de aguas debajo de la corriente, hace que se tengan reas iguales entre el perfil del cauce y arriba y debajo de dicha lnea

c) Taylor y Schwarz proponen calcular la pendiente media como la de un canal de seccin transversal uniforme que tenga la misma longitud y tiempo de recorrido que la corriente en cuestin.

La velocidad de recorrido del agua en el tramo puede calculares como:

Figura No. 2.4. Pendiente del cauce principal.

Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

Donde es un factor que depende de la rugosidad y forma de la seccin transversal y es la pendiente del tramo . Adems, por definicin:

Figura No. 2.5. Pendiente del cauce principal.

Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

Figura No. 2.6. Pendiente del cauce principal.

Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

Donde es la longitud del tramo y es el tiempo de recorrido en ese tramo. Obteniendo:

Mediante un razonamiento semejante se puede obtener la siguiente frmula para el caso en que las longitudes de los tramos no sean iguales:

Donde es la longitud del tramo .

2.2.3.1. Clasificacin de las corrientes

Las corrientes se clasifican de varias maneras, pero las ms interesantes en la ingeniera hidrolgica son tal vez las siguientes:

a) Por el tiempo en que transportan agua. Segn esta clasificacin las corrientes pueden ser perennes, intermitentes o efmeras (Figura No. 2.7.)

En esta corriente perenne el punto ms bajo del cauce se encuentra siempre abajo del nivel de aguas freticas. Estas corrientes transportan agua durante todo el ao y siempre estn alimentadas, totalmente o en parte, por agua

Figura No. 2.7. Clasificacin de corrientes (por el tiempo que transportan agua) Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

subterrnea, es decir, son efluentes. Una corriente intermitente transporta agua durante la poca de lluvias de cada ao, cuando el nivel fretico asciende hasta quedar por encima del punto A (Figura No. 2.7.b). En poca de secas el nivel fretico queda por debajo de dicho punto y la corriente no trasporta agua, salvo cuando se presenta alguna tormenta. En el caso de las corrientes efmeras o influentes el nivel fretico est siempre abajo del punto A (Figura No. 2.7.c) y transportan agua inmediatamente despus de una tormenta, y, en este caso, alimentan a los almacenamientos de agua subterrnea.

b) Por su posicin o edad geolgica. De acuerdo con esta clasificacin los ros pueden ser de montaa o juveniles, de transicin o maduros, o bien de planicies o viejos (Figura No. 2.8).

En un mismo cauce se puede encontrar los tres tipos de ros. Los ros de montaa, caractersticos de cotas elevadas sobre el nivel del mas, tienen grandes pendientes y pocas curvas y, debido a las altas velocidades que alcanza el agua, sus cauces estn generalmente formados por cantos rodados con poco de grava y casi nada de finos. Los ros de planicie, por el contrario, presentan numerosos meandros debido a las bajas velocidades del agua y su cauce se forma por arenas y finos. En general, estos ros se encuentran en cotas cercanas al nivel del ms. Los ros de transicin estn en una situacin intermedia entre los dos anteriores: presentan algunas curvas, con velocidades

Figura No. 2.8. Clasificacin de corrientes (por su posicin geogrfica o edad geolgica))

Fuente: Aparicio F. (2001). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. Editorial Limusa.

de agua moderadas y sus cauces estn formados bsicamente por grava, con algo de cantos rodados y arena.

2.2.4 Suelos

Los suelos van a influir en el fenmeno de la escorrenta. Son importantes su naturaleza, su color y su tipo de vegetacin. Entre ms impermeable es el suelo ms rpida es la escorrenta. Sin embargo, no se puede hablar de un 100% impermeable.

El suelo no es totalmente homogneo, sino que se encuentra mezclado, lo que da lugar a su curva granulomtrica.

As como la precipitacin depende de las condiciones climatolgicas de la cuenca, la escorrenta y las prdidas de precipitacin dependen de las caractersticas fsicas de la cuenca, entre las cuales los suelos desempean un papel muy importante. La escorrenta y las prdidas determinan el volumen de agua aportado en la cuenca, y la manera como ese volumen de agua se distribuye en el tiempo.