Escurrimiento

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Escurrimiento

  1. 1. LA ESCORRENTÍA O ESCURRIMIENTO. Es un término geológico de la hidrología, que hace referencia a la lámina de agua que circula sobre la superficie en una cuenca de drenaje, es decir la altura en milímetros del agua de lluvia escurrida y extendida. Normalmente se considera como la precipitación menos la evapotranspiración real y la infiltración del sistema suelo. Según la teoría de Horton se forma cuando las precipitaciones superan la capacidad de infiltración del suelo. Esto sólo es aplicable en suelos de zonas áridas y de precipitaciones torrenciales. Esta deficiencia se corrige con la teoría de la saturación, aplicable a suelos de zonas de pluviosidad elevada y constante. Según dicha teoría, la escorrentía se formará cuando los compartimentos del suelo estén saturados de agua. La escorrentía también comprende el agua que llega al cauce fluvial con relativa rapidez justo debajo de la superficie. Junto con la escorrentía superficial, este flujo, que se denomina interflujo o flujo subsuperficial, constituye el volumen de agua que en hidrología se conoce generalmente como escorrentía o escurrimiento. Descripción del proceso de escorrentía Supóngase que en una cuenca se inicia un proceso de lluvia. Las primeras gotas de lluvia son retenidas y almacenadas por las hojas y tallos de la cubierta vegetal, a partir de un cierto límite las gotas comienzan a alcanzar el suelo y después de un breve período de tiempo, casi todas las gotas alcanzan el suelo. En un segundo proceso, el suelo a través de sus capas de depósitos de restos vegetales y sobre todo en sus depresiones, almacena una cierta cantidad de agua. Es decir, se inicia el proceso de percolación del agua a las capas inferiores (infiltración). Cuando la capacidad de almacenamiento del suelo, ya descontada la infiltración, está en el límite, se inicia el proceso de circulación superficial del agua. En esta circulación superficial se pueden distinguir dos partes: - una correspondiente al flujo subsuperficial o mejor llamado hipodérmico, que corresponde a la capa de agua que circula próxima al suelo.
  2. 2. - y otra al flujo superficial propiamente dicho, que circula con mayor velocidad. Es este último el que genera realmente lo que se entiende en ingeniería como escorrentía propiamente dicha. El balance final se puede expresar como P = I + E + F + A + Pneta , siendo: P = precipitación total; I = precipitación interceptada por la cubierta vegetal; E = evaporación y evapotranspiración; N = Infiltración; A = almacenamiento del suelo (encharcamiento); Pneta = precipitación neta o efectiva; Por ello el primer problema consistirá en separar de la precipitación total las pérdidas existentes para llegar a la precipitación neta o efectiva. Fases de la escorrentía Se distinguen dos fases fundamentales en la escorrentía: Fase de ladera. No existe cauce establecido. En esta fase se pueden dar tres tipos de circulación: - Horton. A medida que circula el agua se infiltra. - Betson. La escorrentía empieza en un lapso corto de tiempo. - Anne. En un determinado frente influye la línea de carga. Fase de redes fluviales. Es la fase de circulación, en la que todo el agua que circula por laderas confluye en un cauce principal de la cuenca .Actividades que se realizan para medir el escurrimiento superficial o escorrentía: Los aforos Un aforo es la medición del caudal instantáneo de un cauce. Existen varios métodos de medición de la escorrentía los cuales se basan en diferentes principios físicos. Los métodos existentes se pueden catalogar en cuatro categorías: a) aforadores,
  3. 3. b) velocidad – área, c) aforos químicos y d) ultrasonido. El método más sencillo es el aforo volumétrico, el cual se puede realizar en cauces muy pequeños. Los aforadores son estructuras hidráulicas que permiten determinar el flujo en cauces y canales. Estos aparatos tienen la ventaja de su fácil uso, sin embargo sólo pueden ser utilizados en cauces medianos y pequeños. Los principales aforadores son:  Canaletas  Vertederos  Orificios El método de Velocidad – Área. Consiste en medir la velocidad del cauce con un correntímetro o con un flotante y luego se multiplica la velocidad por el área de la sección del cauce para obtener el caudal. Este método es el más utilizado en ríos medianos y grandes. En cauces muy pequeños es difícil obtener buenos resultados. Aforos de caudales circulantes El aforo de una corriente de agua es la medida del caudal circulante que pasa por una sección en un momento determinado: Q = v·S, donde v es la velocidad de la corriente y S es la sección que es atravesada por la corriente. Los distintos métodos para calcular el aforo son:  Aforo por medida de velocidades (molinetes).  Aforo por medida del nivel de agua.  Aforo en una sección de control.  Aforo por trazadores.
  4. 4. El registro de niveles. Cualquiera que sea el método de aforo, este no puede utilizarse continuamente. Para poder tener un registro continuo de la escorrentía es necesario medir el nivel del cauce mediante la colocación de miras o de limnígrafos. Los niveles son correlacionados con los gastos mediante la utilización de gráficos o ecuaciones. Las miras son reglas graduadas que se colocan de tal manera que puedan leerse cualquier nivel del río. Por lo general se colocan de manera escalonada en los taludes del cauce. Los limnígrafos son aparatos que registran continuamente los niveles del curso de agua. Estos consisten de un sistema de tuberías que conectan el cauce con un pozo de amortiguación dentro del cual se coloca un flotador que asciende o desciende de acuerdo a las fluctuaciones de los niveles del río. Conectado al flotador se coloca un aparato registrador que dibuja un gráfico de los niveles o el limnigrama. La aportación de una cuenca se representa comúnmente en una gráfica llamada "hidrograma", que consiste en una curva que representa las oscilaciones, respecto el tiempo, del nivel del agua de un río en una sección dada del mismo. En el caso de un río con un tiempo de descarga muy largo, los caudales que por él circulan al cabo de un tiempo, son el resultado de la acumulación del escurrimiento superficial con la aportación subterránea.
  5. 5. Relación nivel – gasto Cuando se utiliza el método de área velocidad, es necesario la preparación de relaciones nivel- gasto o curva de calibración. Para ello es necesario realizar aforos con caudales de diferente magnitud procurando abarcar un gran rango de los mismos. En cada aforo se realiza la lectura de la mira colocada en la sección. De esa manera se tendrán pares de valores de caudal y de altura de mira. Esos valores se grafican obteniendo una curva de calibración la cual se utiliza para estimar los caudales para los días en que no se realizan aforos. De esa manera, se pueden tener registros de caudales mediante la lectura de la mira a intervalos fijos, que pueden ser diarios o menores. En los textos de hidrología se pueden encontrar más detalles del método. Características de la cuenca Analizando la escorrentía superficial y estudiando el hidrograma de una cuenca se plantea el análisis de las características físicas de la cuenca que condicionan el hidrograma producido en ellas. Estas características superficiales son la forma, el relieve y distribución hidrográfica. Área. Es la magnitud más importante que define la cuenca. Delimita el volumen total de agua que la cuenca recibe en cada. Para determinar el área de la cuenca es necesario delimitar su contorno. Existe un primer contorno de la cuenca definido por la topografía y que delimitaría la cuenca vertiente por escorrentía superficial, es decir, determina los puntos cuya escorrentía vierte a la cuenca considerada. Para ello se debe determinar la línea límite de la cuenca con las adyacentes localizando en primer lugar los puntos más altos del límite de la cuenca, posteriormente se dibuja el contorno de la cuenca, sabiendo que la escorrentía es siempre perpendicular a las curvas de nivel. Forma de la cuenca. Puede ser más o menos redondeada. El índice que habitualmente define la forma de la cuenca es el índice de capacidad de Gravelius: Kc = Perímetro de la cuenca / Perímetro de un círculo de igual área Kc = 0,282· (P / A1/2) Donde P es el perímetro de la cuenca y A es el área. Si A > Kc, la cuenca tiene forma alargada.
  6. 6. Relieve. El relieve es un factor importante en el comportamiento de la cuenca, ya que cuanto mayor son los desniveles en la cuenca, mayor es la velocidad de circulación y menor el tiempo de concentración, lo que implica un aumento del caudal de punta. La forma de cuantificar el relieve de una cuenca es por medio de la curva hipsométrica, en la que se representa en ordenadas alturas de la cuenca, y en abscisas la superficie de la cuenca que está por encima de esa cota. La forma de calcularla se realiza por medio de un plano topográfico con curvas de nivel planimetrado entre cada dos curvas de nivel. * Rectángulo equivalente. Es un rectángulo que tiene la misma superficie, perímetro y curva hipsométrica que la cuenca. Si A y P son el área y el perímetro de la cuenca respectivamente, Kc es el índice de Gravelius, y L y l son los lados del rectángulo equivalente, se tiene que: L / A1/2 = (Kc / 1,12) + [(Kc / 1,12)2 - 1]1/2 l / A1/2 = (Kc / 1,12) - [(Kc / 1,12)2 - 1]1/2 Para calcular el índice de pendiente (Ip) y la pendiente media (Im) se utilizan las ecuaciones: Ip =[(HM - Hm) / 1000·L]1/2 Ip =[(HM - Hm) / 100·LR]1/2 Donde HM es la cota más alta del plano, Hm es la cota del punto de la cuenca, L es la longitud del lado mayor del rectángulo equivalente y LRes la longitud del río. Valores promedio de caudales medios y mínimos.  Caudal máximo instantáneo: Es el valor máximo de caudal registrado, que puede referirse a cada mes, o al año correspondiente.  Para su registro se necesitan mediciones continuas (limnígrafos).  Caudal máximo diario: Es el valor máximo de los caudales medios diarios, que puede referirse a cada mes, o al año correspondiente.  Se puede registrar con mediciones una por día (limnímetros).  Caudales mínimos: Se refieren a los valores mínimos de caudales, instantáneo o diario, pudiendo referirse a valores mensuales o del año.
  7. 7. A menudo estos caudales mínimos se refieren al valor medio de un número consecutivo de días. Las curvas de duración de caudales Es una curva que expresa qué porcentaje de tiempo el caudal es superior a un determinado valor. Para su obtención se ordenan todos los datos de caudales medios diarios de mayor a menor, y se van calculando los distintos puntos de la curva. En abscisas se indica el porcentaje de días en que el caudal ha sido igual o superior a un determinado valor, y en ordenadas se indica dicho valor. El dato de caudal puede expresarse en términos absolutos, como porcentaje del módulo anual, o como caudal específico (por unidad de superficie). Indica el rango de fluctuación de los caudales en el periodo de estudio, y en ella influye la geología, condicionando los caudales mínimos (especialmente en cuencas pequeñas). Curvas de frecuencia de caudales Indican la proporción de años en que se supera o excede un determinado caudal o, de forma equivalente, el intervalo medio en años en que el caudal del río desciende por debajo de un determinado valor. Tanto para el estudio de las avenidas (caudales máximos) como para el de caudales mínimos, es necesario crear la serie de datos anuales (un valor extremo por año) y ajustar una función de distribución de valores extremos, como la de Gumbel o cualquier otra similar, a las frecuencias observadas calculadas según una de las fórmulas propuestas como la de Weibull, m/(n+1), donde m es el rango de cada valor, y n el número de años de la serie. La serie de valores extremos se ordena de forma que el caudal mayor corresponda al rango m=1, y el segundo en magnitud al rango m = 2, y así hasta llegar al caudal más pequeño, correspondiente al rango m = n (donde n es el número de años de la serie). En el caso de existir valores iguales en la serie, a cada uno de ellos se le asigna un rango diferente consecutivo. Con la fórmula de Weibull, u otra equivalente, se calculan las probabilidades de excedencia o su inversa, el periodo de retorno a que corresponden, y estos valores se
  8. 8. pueden representar gráficamente para comprobar el grado de ajuste de los mismos a la función de distribución seleccionada. Hidrograma real de una cuenca Se denomina hidrograma de una cuenca en un punto al registro de caudales circulantes en función del tiempo. Se denomina tiempo de lluvia al período de tiempo en el que la lluvia produce escorrentía. En el hidrograma se distinguen las siguientes partes: a) Caudal de base. Corresponde al caudal circulante por el río antes de iniciarse la lluvia y después de que los efectos de la lluvia han desaparecido. b) Curva de concentración. Es la rama ascendente del hidrograma, función de la intensidad y distribución de la lluvia así como de las características de la cuenca. Las condiciones iniciales de la cuenca (humedad del suelo, vegetación, etc.) influyen decisivamente en la curva de concentración. c) Punta del hidrograma. Es el punto de caudal máximo. d) Curva de bajada. Es la primera parte de la rama descendente del hidrograma. e) Curva de agotamiento. Corresponde a la parte final de la curva de bajada del hidrograma y contiene los caudales subterráneos que corresponden a menores
  9. 9. velocidades de circulación del agua. Los caudales hipodérmicos o subsuperficiales son intermedios a los anteriores y sus valores mayores corresponden al entorno del punto de inflexión de la curva de bajada del hidrograma. f) Tiempo de punta. Es el tiempo transcurrido desde que se inicia la curva de concentración hasta el momento de producirse la punta del hidrograma. g) Tiempo de Base. Es el tiempo transcurrido entre el inicio de la curva de concentración y el punto de inflexión que identifica el final de la curva de bajada. h) Tiempo de concentración. Es el tiempo transcurrido desde el final de la lluvia neta hasta el momento en que acaba la curva de bajada, es decir, el final de la escorrentía superficial. Análisis de un hidrograma En el análisis de un hidrograma se ha considerado la separación entre los caudales procedentes de la escorrentía superficial, la subsuperficial o hipodérmica y los caudales subterráneos. La escorrentía superficial inicia y finaliza el hidrograma en primer lugar. El caudal subterráneo presenta un hidrograma retrasado y mucho más plano; el hidrograma producido por caudales subsuperficiales e hipodérmicos está en una situación intermedia. El problema práctico que se plantea es siempre el inverso, es decir dado un hidrograma real separar la parte correspondiente al hidrograma de escorrentía superficial. Es un problema que se aborda por métodos experimentales siempre partiendo del máximo número de datos y con conocimientos prácticos. En primer lugar es necesario dibujar los hidrogramas existentes y localizar en ellos los puntos A y B de inicio de la curva de concentración y de inflexión en la curva de bajada. Para ello se dibujarán las tangentes que “rectifican” cada uno de los tramos. Otro método consiste en fijar el punto B en función de la fórmula N = 0.827·A0,2, donde N es el número de días y A es el área de la cuenca en km2
  10. 10. A pesar de que el flujo base de un arroyo o río es relativamente constante, la descarga total del escurrimiento fluctúa grandemente en el año. Esto se debe a los períodos de precipitación que contribuyen al flujo, interflujo y la precipitación directa sobre el cauce del río o arroyo. Para la mayoría de las cuencas de drenaje, la precipitación directa contribuye muy poco al cauce. El interflujo es un factor que puede ser altamente variable, dependiendo de la geología de la cuenca de drenaje. El factor principal en un hidrograma de tormenta es el flujo superficial, que se asume termina aproximadamente poco después del pico de la tormenta. Puede calcularse aproximadamente con la fórmula: D = A0.2 Donde: D = número de días entre el pico de la tormenta y el fin del flujo superficial A = cuenca de drenaje (km2) O: D = 0.827 A0. Note que estas ecuaciones son empíricas y son dimensionalmente incorrectas. El valor exponencial de 0.2 es arbitrario. La cantidad obtenida con D va a depender de muchas características, como la pendiente, vegetación, densidad de drenaje, etc.

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