01 sistema hidrologico 2010

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01 sistema hidrologico 2010

  1. 1. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico SISTEMA HIDROLOGICOUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 1
  2. 2. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico1. INTRODUCCIÓN1.1 DEFINICIONESHIDROLOGÍA: “…es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia,circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas yfísicas y su relación con el medio ambiente…”(Chow, 1964)HIDROLOGÍA APLICADA: Incluye las áreas de la Hidrología relacionadas aldiseño y operación de proyectos de ingeniería para la gestión, uso yconservación del recurso hídricoAPLICACIONES DE LA HIDROLOGÍA − Diseño y operación de embalses − Abastecimiento de agua a poblaciones − Irrigación − Generación de Energía Eléctrica − Obras de drenaje − Control de inundaciones − Erosión y control de sedimentos − Estudio de la calidad del recurso hídrico − Protección de los ecosistemasUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 2
  3. 3. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico1.2 PREGUNTAS MOTIVADORASLos estudiantes dispondrán de unos minutos para discutir en grupo lassiguientes preguntas, que serán luego presentadas a la clase: 1 ) ¿Qué entienden por Cuenca Hidrográfica? 2 ) ¿Cómo es el régimen de lluvias en el Uruguay? 3 ) ¿Cómo es el caudal en un curso de agua?UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 3
  4. 4. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico2. SISTEMA HIDROLOGICO2.1 EL CICLO HIDROLOGICO (Capítulo 1.1 V.T. Chow)A partir de lo que se describe en la Fig. 1.1.1 y en las Tablas 1.1.1 y 1.1.2, sedestaca lo siguiente: (a) Importancia de los océanos en el ingreso de agua a la atmósfera (7 a 1 respecto al continente) (b) El balance precipitación-evapotranspiración es positivo en el continente y negativo en los océanos, compensado por el escurrimiento desde los continentes a los océanos (c) Importancia de la dinámica de la atmósfera ¿Por qué? • Mayor superficie de los océanos que de los continentes • La zona ecuatorial, de mayor radiación, es ocupada en una mayor proporción por los océanos • La evapotranspiración en los continentes está limitada por la humedad del suelo Volumen AlmacenadoTiempo de Residencia del agua en un cuerpo: Tr =  Flujo de entrada o salidaTr Agua en la Atmósfera = (12900 km3) / (577.000 km3/año) (365 días/año) = 8.2 díasTr Agua en los Océanos = (1.338.000.000 km3) / (505.000 km3/año) = 2650 añosUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 4
  5. 5. Curso de Hidrología Aplicada Sistema HidrológicoUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 5
  6. 6. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico Tiempo de residencia en la atmósferaUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 6
  7. 7. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico2.2 CONCEPTO DE SISTEMA (Capítulo 1.2 V.T. Chow)El ciclo hidrológico puede representarse como un sistema cuyos componentesprincipales son la precipitación, la evaporación y el escurrimiento. Para suanálisis puede dividirse en subsistemas, estudiarlos por separado y combinarluego los resultados de acuerdo a las interacciones entre ellos. Condensación y Sublimación Evaporación durante el descenso Vegetación y Estructuras Medición Medición IntPrec > Infiltr SublimaciónZona no Saturada Zona Saturada Superficie de la Cauces CuencaUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 7
  8. 8. Curso de Hidrología Aplicada Sistema HidrológicoFigura A.1.1.1Balance hidrológico anual en el Uruguay y en el promedio de los continentesUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 8
  9. 9. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico2.3 PRIMERA DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS DEL CICLODEL AGUA QUE PARTICIPAN DEL BALANCE HIDRICOEl objeto de la hidrología es formular balances de agua en regiones sobre lasuperficie y subsuperficie de la tierra:♦ La atmósfera es una condición de borde a través de la cual realiza intercambio de agua: • Sobre el suelo precipita agua (lluvia, nieve, granizo, escarcha, rocío, etc.). • El suelo y la vegetación evapotranspira, aportando humedad a la atmósfera.♦ Sobre la superficie del terreno, a través de la frontera que delimita la región, se tiene un intercambio de escurrimiento (entradas y salidas) • Cuando la frontera sólo tiene un punto de intercambio, la salida en el punto más bajo del terreno, a la región se le define como cuenca.♦ En la superficie del suelo el agua se encuentra almacenada en: embalses, lagos, pantanos, bañados, charcos, ríos, arroyos, etc.♦ Parte del agua de la superficie del suelo se infiltra: • En la zona superior el agua se encuentra en forma no saturada (humedad del suelo: H). • Parte de agua infiltrada percola hacia la zona inferior en la que el suelo está saturado de agua (formando el acuífero que es delimitado en la parte superior por la superficie freática). •♦ Cuando el nivel freático está por encima del nivel del terreno el acuífero realiza un aporte al escurrimiento superficial (Flujo Base).UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 9
  10. 10. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico BALANCE DE AGUA EN EL SUELOFigura 2.3.1: Balance de agua en un volumen de control y conexión Acuífero – Flujo Superficial: Flujo BaseUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 10
  11. 11. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico BALANCE HIDRICO EN UNA CUENCAEl objetivo es encontrar la relación Precipitación-Caudal en la cuenca,adecuada al fenómeno que se quiere modelar.Modelo de Escurrimientos MensualesSe estiman los volúmenes de escurrimiento mensual a partir de la precipitaciónmensual, las características de los suelos (capacidad de almacenamiento) y laevapotranspiración.Modelos de Escurrimientos ExtremosConsiderando el evento extremo de precipitación a partir de la frecuencia delmismo (Período de Retorno del evento), la cobertura, la pendiente y el tipo desuelo (almacenamiento e infiltración). Caudal Máximo Método Racional Hidrograma de la Crecida Tormenta de diseño – Método del Bloque Alterno Precipitación efectiva – Método de la Curva Número Hidrograma de crecida – Hidrograma Unitario TriangularUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 11
  12. 12. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico2.4 CUENCA COMO SISTEMA HIDROLOGICO2.4.1 DEFINICIONESCUENCA SUPERFICIAL: Dado un punto de estudio, se entiende por cuencahidrológica la zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable)todas las gotas de lluvia que caen sobre ella son drenadas por el sistema decorrientes hacia el mismo punto.DIVISORIA DE AGUAS: Es una línea imaginaria formada por los puntos demayor nivel topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas.2.4.2 TRAZADO DE DIVISORIASPuede hacerse a partir de un mapa con curvas de nivel de la zona de estudio ocon visión estereoscópica utilizando fotos aéreas.El trazado de las líneas divisorias a partir de curvas de nivel debe considerar losiguiente:1. La línea divisoria corta ortogonalmente a las curvas de nivel.2. Cuando la divisoria va aumentando en altitud, corta a las curvas de nivel por su parte convexa.3. Cuando la altitud de la divisoria va disminuyendo, ésta corta a las curvas de nivel por su parte cóncava.4. La línea divisoria nunca debe cortar a un río, arroyo o cañada, excepto en el punto del que queremos obtener su divisoria.UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 12
  13. 13. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico Figura 2.4.1 Delimitación del Parte AguasUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 13
  14. 14. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico Figura 2.4.2 Mapa con curvas de nivelUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 14
  15. 15. Curso de Hidrología Aplicada Sistema Hidrológico2.4.3 CARACTERISTICAS FISICAS DE LA CUENCASi bien nuestro objetivo es describir las características de las cuencas con el finde interpretar su incidencia en las relaciones precipitación – escurrimiento, sedebe tener en cuenta que es el propio escurrimiento de las precipitaciones enla cuenca el que erosionó los pliegues geológicos.AREA : Se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por la divisoria de aguas.FORMA : El índice de compacidad o de Gravelius (Ic), da una idea de la forma de la cuenca, se define como la relación entre el perímetro de la cuenca (P) y el de un círculo de la misma superficie (A), y se expresa: Ic = 0.28 P / A1/2 k: 1 2 3 4 5 6 Ic : 1.12 1.19 1.29 1.40 1.50 1.60 Ic ≈ 1 + k/10UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 15
  16. 16. Curso de Hidrología Aplicada Sistema HidrológicoPENDIENTE MEDIA DE LA CUENCALlamamos pendiente media de la cuenca, a la media ponderada de todas laspendientes correspondientes a áreas elementales en las que pudiéramosconsiderar constante la máxima pendiente. En términos generales indica elgrado de “rugosidad” que tiene el suelo de la cuenca. Figura 2.4.3Si = Superficie de la Cuenca asignada a la curva de nivel iS = Superficie de la Cuenca = Σ SiLi = Longitud de la curva de nivel iL = Longitud total de las curvas de nivel = Σ Lidh = Equidistancia entre curvas de nivelpi = Pendiente media de una banda = dh/dip = Pendiente media de la cuencaSe define di tal que Si = di LiLa pendiente en cada curva de nivel es: pi = dh/di = dh Li / di LiO sea: pi = dh Li / Si Ponderando: p = Σ pi Si / SSustituyendo: p = Σ (dh Li /Si )Si / S = Σ Li dh / S p = L dh / SUdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 16
  17. 17. Curso de Hidrología Aplicada Sistema HidrológicoPENDIENTE MEDIA DEL CAUCE PRINCIPAL Figura 2.4.4Pendiente media entre extremos:La pendiente media del cauce principal es igual al cociente entre el desnivelentre los extremos del cauce principal y su longitud en planta. Figura 2.4.5UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 17
  18. 18. Curso de Hidrología Aplicada Sistema HidrológicoPendiente media por velocidad:Taylor y Schwarz proponen calcular la pendiente media del cauce principal (∆),como la de un canal de sección transversal uniforme que tenga la mismalongitud y tiempo de recorrido que en el cauce principal. Figura 2.4.6Considerando los tramos de cauce entre curvas de nivel: 1, 2, ..., i, ..., ny aplicando Manning, se tiene para cada tramo que la velocidad es proporcionala la pendiente del tramo ( ∆i = ∆Hi / ∆Li ): Vi = k ∆i1/2 = ∆Li / ∆ti ∆ti = ∆Li / (k ∆i1/2) V = Lcp / t = k ∆1/2 t = Lcp / (k ∆1/2) t = ∑ ∆ti = ∑ {∆Li / (k ∆i1/2)} ∑ {∆Li / (k ∆i1/2)} = Lcp / (k ∆1/2) ∆1/2 = Lcp / ∑ (∆Li / ∆i1/2) ∆ = {Lcp / ∑ (∆Li / ∆i1/2)} 2UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 18
  19. 19. Curso de Hidrología Aplicada Sistema HidrológicoDENSIDAD DE DRENAJEEs la longitud acumulada de los cauces de la cuenca por unidad de área. ΣLi Dd = AORDEN DE LA CUENCAUna cuenca tiene el mismo orden que su cauce principalOrden de cauce: Un cauce de orden 1 no tiene ramificaciones. Dos cauces deorden 1 forman uno de orden 2, dos cauces de orden 2 forman uno de orden 3y así sucesivamente, pero uno de orden 1 y otro de orden 2 forman uno deorden 2, etcObs: El orden de la cuenca depende de la escala del mapa utilizado. Se debeser cuidadoso al efectuar comparaciones entre cuencas.UdelaR - FI – IMFIA – Agosto 2010 1. 19

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