ANALISIS DE PRECIPITACION - ESCORRENTIA

RELACION ENTRE PRECIPITACION Y ESCORRENTIA

Cuando la precipitación sobrepasa la, rata de infiltración en la superficie

del terreno, el exceso de agua comienza a acumularse como almacenamiento

superficial en pequeñas depresiones del terreno originadas por la topografía.;

eventualmente el flujo escurre sobre la superficie del terreno en algunas

porciones de la cuenca 'y el flujo se concentra rápidamente en arroyos ó

canales pequeños, los cuales fluyen a su vez hacia corrientes más grandes ó

ríos. Tal como se mencionó anteriormente, el flujo subsuperficial y el flujo

base también contribuyen en cierta proporción con el hidrograma total de

descarga durante un evento de lluvia:

Los hidrólogos e ingenieros civiles especializados en recursos

hidráulicos, están interesados en la cantidad de escorrentia generada en una

cuenca por un patrón dado de precipitación. Se han efectuado muchos

intentos para analizar estadísticamente los datos históricos de precipitación,

evaporación y datos de flujo en corrientes con la finalidad de desarrollar

relaciones de predicción entre estos procesos. Factores tales como

precipitación precedente, humedad del suelo, infiltración variable y respuestas

diferentes de la escorrentia superficial con las estaciones del año, hacen que

el desarrollo de estas relaciones sea muy difícil.

Una gran cantidad de investigadores ha intentado desarrollar relaciones

de precipitación - escorrentía que se puedan aplicar a - cualquier región ó

cuenca bajo cualquier serie de condiciones. Sin embargo, estos métodos

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deben ser utilizados con extrema precaución debido a la variabilidad de los

factores que afectan la evaluación de la escorrentía a partir de un volumen

conocido de precipitación.

Las relaciones simples de precipitación - escorrentía deben ser

utilizadas solamente en estudios de planificación de recursos hidráulicos

cuando se requiere una estimación rústica de la respuesta de la cuenca. Es

importante señalar que se requiere un conocimiento detallado de la magnitud

y distribución en el espacio (área) y tiempo de la precipitación y escorrentía

para el análisis completo de los proyectos de control de inundaciones y

estudios de planicies de inundación, especialmente en las regiones afectadas

por el drenaje urbano.

Una de las fórmulas mas simples de precipitación - escorrentía se

denomina Método Racional, el cual permite la predicción del caudal máximo

Qp de la siguiente manera:

donde: C = coeficiente de escorrentía, el cual varía con el uso

de la tierra

i = intensidad de la precipitación para la frecuencia ó

período de retorno seleccionado y una duración

igual al tiempo de concentración tc, tc, = tiempo que demora la lluvia que cae en el punto

mas remoto de la cuenca en viajar hasta la salida

A = área de la cuenca

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Existen muchos métodos empíricos para estimar la magnitud del tiempo

de concentración; una de las primeras fórmulas fue propuesta por Johnston

y Cross (1949) y es la siguiente:

Donde el tiempo de concentración tc está en horas, la longitud del canal

principal L en millas y la pendiente promedio del canal S en pies/milla.

El Método Racional se le atribuye generalmente a Mulvaney (1851),

quien describió el procedimiento en una publicación técnica en Irlanda. El

método está basado en la suposición de que una rata de precipitación

constante y uniforme producirá la escorrentía máxima cuando todas las partes

de la cuenca están contribuyendo con el caudal; observe que esta condición

se satisface cuando la duración de la lluvia es mayor ó igual al tiempo de

concentración. El Método Racional fue el precursor del concepto de

hidrogramas de tormentas y el resto de este capítulo se dedicará al desarrollo

de la teoría de hidrogramas y a la aplicación de estos métodos al análisis de

lluvias complejas en cuencas grandes.

Ejemplo 13: Método Racional

Se desea determinar el caudal máximo Q1, (en m3/s) producido por una

tormenta con un período de retorno T = 10 años. El área de la cuenca es

A = 40 hectáreas y el tiempo de concentración es tc = 25 minutos.

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Suponga que la curva de intensidad-duración-frecuencia para este período de

retorno es la siguiente:

donde i esta en plg/hr y t, en minutos. Los datos sobre el uso de la tierra

y coeficientes de escorrentía se muestran en la siguiente tabla.

Tabla de Datos

Uso Area (ha)

Coeficiente de escorrentía

Residencial 30 0.40

Comercial 3 0.60

Parques 7 0.15

Solución:

a) Coeficiente de escorrentía:

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b) Intensidad:

e) Caudal máximo:

ANÁLISIS DE HIDROGRAMAS

El proceso de escorrentía superficial es el resultado de una combinación

de condiciones fisiográficas y meteorológicas de la cuenca y representa los

efectos combinados de la precipitación, pérdidas hidrológicas, flujo sobre la

superficie del terreno, flujo subsuperficial y flujo subterráneo. Según

Sherman (1932), los factores climáticos que influyen en la forma del

hidrograma y volumen de escorrentía son:

1. Patrón e intensidad de la lluvia

2. Distribución de la precipitación sobre la cuenca

3. Duración de la tormenta

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y los factores fisiográficos de mayor importancia son:

1. Tamaño y forma del área de drenaje

2. Naturaleza del sistema de drenaje

3. Pendiente del terreno y del canal principal

4. El almacenamiento por retención en la cuenca

Durante un evento de precipitación, las pérdidas hidrológicas tales

como infiltración, almacenamiento en depresiones y almacenamiento por

retención deben ser satisfechas primero antes que comience la escorrentía

superficial. Al incrementarse la profundidad del agua retenida en la

superficie, el flujo superficial sobre el terreno comenzará en algunas

porciones de la cuenca. El agua eventualmente se moverá hacia los pequeños

arroyos, quebradas y ríos que constituyen el sistema de drenaje de la cuenca.

Parte del agua que se infiltra en el suelo se mueve lateralmente a través de las

capas superiores del suelo hasta que alcanza una corriente superficial; a ésta

porción de la escorrentía se le denomina flujo subsuperficial. Otra porción

de la precipitación que se filtra en el suelo alcanza el nivel freático,

generalmente varios metros debajo de la superficie del suelo y contribuirá a

la escorrentía como flujo base si el nivel freático intersecta la superficie de la

corriente de agua en el canal.

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Figura N°13: Fenómeno de Escorrentía Superficial

En la parte (a) de la figura del fenómeno de escorrentía directa se

ilustra la distribución de la precipitación uniforme para una duración finita.

Pero si la precipitación continúa a intensidad constante por un tiempo infinito,

entonces se produce una descarga de equilibrio, es decir que el flujo de

entrada es igual al de salida y esto se logra cuando el área total de la cuenca

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está contribuyendo al flujo. Está condición de : equilibrio se observa en muy

raras ocasiones en la naturaleza, excepto en cuencas urbanas muy pequeñas,

debido a las variaciones en la intensidad y duración de la lluvia.

El flujo base en un canal natural se_ debe a las contribuciones del agua

subterránea poco profunda y es otro de los componentes del hidrograma. En

cuencas naturales grandes, el flujo base representa una fracción significativa

de la descarga total, mientras que se puede despreciar en cuencas pequeñas

urbanizadas donde el flujo superficial sobre el terreno es predominante.

El flujo base es separado y sustraído del hidrograma total para obtener

el hidrograma de escorrentía directa. El volumen de agua del hidrograma de

escorrentía directa debe corresponder a la precipitación excedente ó neta, la

cual se obtiene sustrayendo de la precipitación total la infiltración y las otras

pérdidas de agua (almacenamiento en depresiones, intercepción, etc.). El

hidrograma de escorrentía directa representa la respuesta de la cuenca a la

lluvia excedente, mientras que la forma y los tiempos del hidrograma de

escorrentía directa están relacionados con la intensidad y duración de la

precipitación, así como también a los factores fisiográficos que afectan el

almacenamiento.

El hidrograma en la mayoría de los casos esta constituido por un.

miembro ascendente, segmento de la cresta y una porción descendente ó

recesión. La pendiente' del miembro ascendente esta determinada en gran

parte por la intensidad de la tormenta y el punto de inflexión en el segmento

descendente generalmente indica el instante en que termina la escorrentía

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superficial directa. En la recesión, la descarga se produce por el movimiento

de agua subterránea almacenada en el subsuelo que fluye hacia la superficie.

Figura N°14: Hidrograma de Descarga Total

COMPONENTES DEL HIDROGRAMA

Un hidrograma esta formado por varios componentes: flujo superficial

sobre el terreno, flujo subterráneo ó flujo base y flujo subsuperficial,

producido por el agua infiltrada que se almacena temporalmente en las capas

superiores del suelo y entra posteriormente de manera lateral al canal. La

contribución relativa de cada componente al hidrograma depende de la

intensidad de la precipitación i medida con respecto a la rata de infiltración

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f, así como también el almacenamiento de humedad en el suelo en relación

con la capacidad de campo; la cual definimos anteriormente como la cantidad

de agua retenida en el suelo después que la gravedad drena el exceso de agua.

Observe que no ocurrirá escorrentía superficial en el caso de que la

intensidad de la precipitación sea menor que la rata de infiltración ( i < f);

al igual que el flujo subsuperficial y el flujo subterráneo serán nulos si la

humedad almacenada en el suelo es menor que la capacidad de campo, ya que

todavía existe almacenamiento adicional de humedad en el suelo, a menos que

el flujo subterráneo se produzca por almacenamientos de agua a largo plazo.

En la situación de que tanto la precipitación sea mayor que la infiltración, así

como la humedad del suelo sea mayor que la capacidad de campo (lo cual es

típico en casos de eventos de tormentas grandes), la escorrentía directa

superficial, el flujo subsuperficial y el flujo base ó flujo subterráneo

contribuirán con el hidrograma de descarga total. La precipitación en el canal

es un componente también, pero generalmente es una fracción muy pequeña

de la descarga total.

La escorrentía superficial es un factor muy importante cada vez que

llueve considerablemente. Las precipitaciones de gran intensidad, así como

también la urbanización y deforestación de las cuencas, simplemente

magnifica el caudal máximo y disminuye el tiempo para alcanzar la descarga

máxima. El flujo subsuperficial puede ser un factor grande en tormentas de

moderada intensidad. sobre cuencas con capas delgadas de suelo sobre roca

impermeable. Si el agua subterránea fluye hacia la corriente durante períodos

de lluvia fuerte, la corriente se denomina efluente ó emanación; pero si el

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flujo de la corriente es hacia el sistema de agua subterránea, como en el caso

de condiciones de sequía, la corriente es llamada influjo o afluencia.

En la práctica, es muy común considerar que la descarga total se divida

en dos partes solamente: escorrentía directa y flujo base. La escorrentía

directa puede incluir una porción considerable del flujo subsuperficial,

mientras que el flujo base esta constituido principalmente por el flujo de agua

subterránea.

Figura Nº15: Componentes del Hidrograma