HOYA HIDROGRAFICA Y SUS CARACTERISTICAS

BLANCO DIAZ TATIANA CAROLINA

Trabajo presentado al Ing. PASTOR CASTILLA en la asignatura de APLICACIONES VIALES Y DRENAJE VIAL

CORPORACION UNIVERSITARIA DE LA COSTA (CUC) FACULTAD DE INGENIERIAS PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL CARRANQUILLA 2011

CUENCA HIDROGRAFICA Se entiende por cuenca hidrogrfica, hoya hidrogrfica, cuenca de drenaje o cuenca imbrfera el territorio drenado por un nico sistema de drenaje natural, es decir, que drena sus aguas al mar a travs de un nico ro, o que vierte sus aguas a un nico lago endorreico. Una cuenca hidrogrfica es delimitada por la lnea de las cumbres, tambin llamada divisoria de aguas. El uso de los recursos naturales se regula administrativamente separando el territorio por cuencas hidrogrficas, y con miras al futuro las cuencas hidrogrficas se perfilan como las unidades de divisin funcionales con ms coherencia, permitiendo una verdadera integracin social y territorial por medio del agua. Una cuenca hidrogrfica y una cuenca hidrolgica se diferencian en que la cuenca hidrogrfica se refiere exclusivamente a las aguas superficiales, mientras que la cuenca hidrolgica incluye las aguas subterrneas (acuferos).

Ejemplo de una cuenca hidrogrfica

Esquematizacin de una cuenca

CARACTERISTICAS DE LA CUENCA HIDROGRAFICA Las principales caractersticas de una cuenca son: La curva cota superficie: esta caracterstica da adems una indicacin del potencial hidroelctrico de la cuenca. El coeficiente de forma: da indicaciones preliminares de la onda de avenida que es capaz de generar. El coeficiente de ramificacin: tambin da indicaciones preliminares respecto al tipo de onda de avenida. En una cuenca se distinguen los siguientes elementos: 1. Divisoria de aguas La divisoria de aguas es una lnea imaginaria que delimita la cuenca hidrogrfica. Una divisoria de aguas marca el lmite entre una cuenca hidrogrfica y las cuencas vecinas. El agua precipitada a cada lado de la divisoria desemboca generalmente en ros distintos. Otro trmino utilizado para esta lnea se denomina parteaguas. El divortium aquarum o lnea divisoria de vertientes, es la lnea que separa a dos o ms cuencas vecinas. Es la divisoria de aguas, utilizada como lmite entre dos espacios geogrficos o cuencas hidrogrficas. 2. El ro principal El ro principal suele ser definido como el curso con mayor caudal de agua (medio o mximo) o bien con mayor longitud o mayor rea de drenaje, aunque hay notables excepciones como el ro Misisipi o el Mio en Espaa. Tanto el concepto de ro principal como el de nacimiento del ro son arbitrarios, como tambin lo es la distincin entre ro principal y afluente. Sin embargo, la mayora de cuencas de drenaje presentan un ro principal bien definido desde la desembocadura hasta cerca de la divisoria de aguas. El ro principal tiene un curso, que es la distancia entre su naciente y su desembocadura. En el curso de un ro se distinguen tres partes: Curso superior: Ubicado en lo ms elevado del relieve, en donde la erosin de las aguas del ro es vertical. Su resultado: la profundizacin del cauce.

Curso medio: En donde el ro empieza a zigzaguear, ensanchando el valle. Curso inferior: Situado en las partes ms bajas de la cuenca. All, el caudal del ro pierde fuerza y los materiales slidos que lleva se sedimentan, formando las llanuras aluviales o valles. Otros trminos importantes a distinguir en un ro son: Cauce: Lecho de los ros y arroyos; conducto descubierto o acequia por donde corren las aguas para riegos u otros usos. Thalweg: Lnea que une los puntos de mayor profundidad a lo largo de un curso de agua. Margen derecha: Mirando ro abajo, la margen que se encuentra a la derecha. Margen izquierda: Mirando ro abajo, la margen que se encuentra a la izquierda. Aguas abajo: Con relacin a una seccin de un curso de agua, sea principal o afluente, se dice que un punto esta aguas abajo, si se sita despus de la seccin considerada, avanzando en el sentido de la corriente. Aguas arriba: Es el contrario de la definicin anterior 3. Los afluentes Son los ros secundarios que desaguan en el ro principal. Cada afluente tiene su respectiva cuenca, denominada sub-cuenca. 4. El relieve de la cuenca El relieve de una cuenca consta de los valles principales y secundarios, con las formas de relieve mayores y menores y la red fluvial que conforma una cuenca. Est formado por las montaas y sus flancos; por las quebradas o torrentes, valles y mesetas.

Cuencas de los principales mares y ocanos. Las zonas en gris corresponden a cuencas endorreicas.

PARTES DE UNA CUENCA Una cuenca tiene tres partes: Cuenca alta: Corresponde a la zona donde nace el ro, el cual se desplaza por una gran pendiente. Cuenca media: La parte de la cuenca en la cual hay un equilibrio entre el material slido que llega trado por la corriente y el material que sale. Visiblemente no hay erosin. Cuenca baja: La parte de la cuenca en la cual el material extrado de la parte alta se deposita en lo que se llama cono de deyeccin.

TIPOS DE CUENCAS Existen tres tipos de cuencas: Exorreicas: Drenan sus aguas al mar o al ocano. Un ejemplo es la cuenca del Plata, en Sudamrica. Endorreicas: Desembocan en lagos, lagunas o salares que no tienen comunicacin salida fluvial al mar. Por ejemplo, la cuenca del ro Desaguadero, en Bolivia. Arreicas: Las aguas se evaporan o se filtran en el terreno antes de encauzarse en una red de drenaje. Los arroyos, aguadas y caadones de la meseta patagnica central pertenecen a este tipo, ya que no desaguan en ningn ro u otro cuerpo hidrogrfico de importancia. Tambin son frecuentes en reas del desierto del Shara y en muchas otras partes TIEMPO DE CONCENTRACION El tiempo de concentracin tc de una determinada cuenca hidrogrfica es el tiempo necesario para que el caudal saliente se estabilice, cuando la ocurrencia de una precipitacin es de intensidad constante sobre toda la cuenca. Para reas pequeas sin red hidrogrfica definida, en las cuales el escurrimiento es laminar en la superficie, Izzard dedujo la siguiente expresin para determinar el tiempo de concentracin tc: Ecuacin de Izzard

Donde: = tiempo de concentracin en minutos = longitud en metros del cauce principal = Coeficiente de escurrimiento, ver tabla de valores numricos en este artculo = intensidad de precipitacin en mm/h = coeficiente que se define en la siguiente expresin

Donde: = pendiente media de la superficie = coeficiente de retardo funcin del tipo de superficie. (Ver la siguiente tabla)

Las frmulas empricas descritas arriba solo son aplicables cundo:

Ecuacin de kirpich Tc =0.06628 ( Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h). L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km). S: Pendiente entre las elevaciones, mxima y mnima (Pendiente total) Ecuacin de tmez Tc = 0.30 ( Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h). ) )

L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km). S: Pendiente total del cauce principal, en porcentaje (%). Ecuacin de williams Tc = 0.683 ( Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h). L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km). A: rea de la cuenca, en kilmetros cuadrados (km2). D: Dimetro de una cuenca circular con rea A, en kilmetros (km). S: Pendiente total del cauce principal, en porcentaje (%). Ecuacin de johnstone y cross Tc = 2,6 ( Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h). L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km). S: Pendiente total del cauce principal, en metros por kilmetro (m/km). Ecuacin de giandotti ) )

Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h). A: rea de la cuenca, en kilmetros cuadrados (km2). L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km). S: Pendiente del cauce principal, en metros por metro (m/m).

Ecuacin de scs ranser

Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h). L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km). H: Diferencia de cotas entre puntos extremos de la corriente principal, en metros (m). Ecuacin de ventura heras

Donde: Tc: Tiempo de concentracin, en horas (h). L: Longitud del cauce principal, en kilmetros (km). S: Pendiente total del cauce principal, en porcentaje (%). EJERCICIO DE APLICACIN Se tiene una hoya hidrogrfica con las siguientes caractersticas: Area= 300 km2 Longitud= 30mt Pendiente= 0,032m/m CN= 80 n (Manning)= 0,20 i= 102 mm/h

Solucin: Ecuacin de kirpich Tc =0.06628 ( Tc =0.06628 (

) ) = 3.4220 min

Ecuacin de tmez Tc = 0.30 (

) )= 7.6516 min

Tc = 0.30 (

Ecuacin de johnstone y cross Tc = 2,6 ( Tc = 2,6 (

) ) = 33.67 h

Ecuacin de giandotti

( (

)

( )

)

= 50.225 min

Ecuacin de ventura heras

(

)

= 7.33 h

METODOLOGAS PARA EL CLCULO DE CAUDALES POR EL MTODO RACIONAL

Crecida o caudal extraordinarioSe denomina crecida o caudal extraordinario al caudal excesivamente alto en un ro. Los fenmenos de las avenidas, al igual que las precipitaciones, son aleatorios con ciclos bsicamente anuales. Otra definicin de avenida o crecida, segn la Directriz Bsica de Planificacin de Proteccin Civil ante el riesgo de inundacin, es la siguiente: un aumento inusual del caudal de agua de un cauce que puede o no, producir desbordamientos o inundaciones. Las crecidas son debidas a factores como: La precipitacin: La existencia de frentes activos, las lluvias orogrficas, as como las tormentas pueden producir precipitaciones excepcionales, que son la base de las crecidas. Las precipitaciones afectan de forma distinta segn el tamao de las cuencas. En cuencas grandes, para nuestra latitud son los frentes los que producen una generalizacin de la precipitacin, mientras que en cuencas medianas o pequeas son las lluvias conectivas u orogrficas las que producen las mayores y ms peligrosas avenidas, como por ejemplo la gota fra que afecta a Mediterrneo espaol. La fusin de la nieve: Este fenmeno debido a un aumento de la T, que puede acompaar a las lluvias intensas, puede ser un factor de incremento del caudal de una avenida. El estado de humedad del suelo: Como se sabe existe una primera retencin que es muy baja con suelo inicialmente saturado. Es un factor importante en cuencas grandes.

Geomorfologa de la cuenca. Las caractersticas geomorfolgicas de una cuenca como la pendiente o la vegetacin son un factor bsico en la generacin de una avenida. La actividad humana. Puede variar las caractersticas de la avenida en una cuenca, como por ejemplo la existencia de zonas urbanizadas facilita la escorrenta, la existencia de embalses retrasa y lamina la avenida. Frmulas empricas Estas frmulas son vlidas para dar un primer valor de referencia u orden de magnitud. Estn basadas en la experimentacin y el caudal de avenida Q (m3/s) se da en funcin de la superficie S (Km2). Gmez Quijado: Q = 17S2/3 , para superficies menores de 2000 Km2. Fuller: Q(T) = Q1(1 + 0,8log T) , donde Q(T) es el caudal para un perodo de retorno T y Q1 es la media de los caudales diarios de cada ao. Zapata: Q = 21S0,6 Mtodos estadsticos Estn basados en grandes series de datos anuales de caudales, que permiten hallar caudales mximos siguiendo la siguiente metodologa: Recopilacin de datos. Anlisis de datos. Extrapolacin estadstica. Contraste de resultados. Para que los estudios tengan una consistencia suficiente, es necesario una longitud mnima de la muestra que se define como la longitud de muestra recomendable para un anlisis de caudales, por mtodos estadsticos de 4050 aos. Para series de 3040 aos de longitud de serie, el anlisis de frecuencia de caudales debe ser apoyado por otros mtodos tales como comparacin con cuencas similares o por medio de mtodos que estudien el caudal a partir de precipitaciones. En series cortas de 1020 aos, se utilizan mtodos basados en el estudio de la precipitacin (hidrograma unitario, modelos).

Mtodo racional Es utilizado para la determinacin de caudales de avenida en cuencas pequeas de una superficie de 2,5 a 3 Km2. o bien que su tiempo de concentracin sea del orden de 1 hora: Q = (CIA) / 3,6 Donde C es el coeficiente de escorrenta, I es la intensidad de la tormenta y A es el rea de la cuenca. Este mtodo se basa en que el tiempo de aguacero, mayor o igual que el tiempo de concentracin, determina el caudal mximo. La intensidad de la tormenta se deber calcular para una duracin igual al tiempo de concentracin y para el perodo de retorno T que se desea calcular el caudal, segn la ecuacin I = aTn / (t + b)m , donde t es el tiempo de la tormenta y a, b, n y m son parmetros que dependen de las condiciones meteorolgicas de la zona. El coeficiente de escorrenta C, depende de la precipitacin diaria y del umbral del caudal. Los coeficientes de escorrenta ms comunes son: Pavimento de hormign 0,70 0.95 Tratamiento superficial 0,60 0,80 Zonas boscosas 0,10 0,20 Zonas de vegetacin densa de monte bajo 0,05 0,5 Zonas sin vegetacin 0,20 0,80 Zonas cultivadas 0,20 0,40 El valor de este coeficiente est en funcin de la intensidad de la lluvia y por ello es necesario corregirlo en funcin de dicho parmetro, o bien indirectamente a travs del periodo de retorno T. Mtodo del hidrograma unitario El mtodo del hidrograma unitario desarrollado inicialmente por Sherman en 1932, es aplicable a cuencas de tamao mediano con una superficie de 300 a 400 Km2, cuya respuesta ante una tormenta suponga un hidrograma complejo. El mtodo del hidrograma unitario se basa en la posibilidad de aplicacin del principio de linealizacin al proceso de escorrenta; segn fue explicado por Sherman, se puede enunciar en 3 principios: Para tormentas cortas e intensas, el tiempo de punta del hidrograma producido es constante e independiente de la duracin de la tormenta.

Para tormentas de la misma duracin e inferior al tiempo T0 del hidrograma, el volumen de escorrenta producido es proporcional a la intensidad de dichas tormentas: V2 / V1 = I2 / I1 , de la misma forma que Q2 / Q1 = I2 / I1 . Principio de Superposicin. El hidrograma producido por una tormenta de duracin superior al tiempo T0, se puede obtener dividiendo la tormenta en partes de tiempo igual o inferior a T0 y superponiendo los hidrograma obtenidos. Por otra parte, el mtodo de hidrograma unitario no considera las prdidas en la lluvia por infiltracin, evaporacin, etc., por lo que a la hora de su calibracin es necesario valorar estas prdidas y descontarlas en el pluviograma inicial. Mtodo de hidrograma sintticos o artificiales Consiste en determinar las caractersticas fundamentales de un hidrograma cuando no se tienen datos reales, por medio de frmulas empricas. Destaca el hidrograma triangular, que es un modelo que sustituye la campana de Gauss por un tringulo, cuya altura coincide con el caudal de punta Qp que se calcula mediante: Qp = 2It0S / 2,67(tp + t0/2) Donde I es la intensidad del temporal unitario, t0 es la duracin del temporal unitario, tc es el tiempo de concentracin, tp es el tiempo de punta. Los valores de estos dos ltimos parmetros se obtienen mediante las ecuaciones: tp = 0,6tc + (t0 / 2) tc = 1,4[(LLC)1,5 / H]0,385 Donde L (Km.) es la longitud del cauce principal, LC (Km.) es la longitud desde el c. de g. y H es el desnivel en metros. Lluvia de proyecto: Es aquella lluvia que se considera para un tiempo de retorno T o bien aquella lluvia que tiene una probabilidad de 1/T, con la cual se desea realizar un estudio hidrolgico.