1 evidencia de aplicación didáctica

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El primer tema de la materia de Hidrología Superficial

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1 evidencia de aplicación didáctica

  1. 1. ESCUELA DE PEDAGOGÍA ESPECIALIDAD EN COMPETENCIA DIDÁCTICAS APLICACIÓN DE UN MODELO A LA PRÁCTICA EDUCATIVA Hidrología Superficial 1. Aspectos generales “El hombre nunca sabe de lo que es capaz hasta que lo intenta.- Charles Dickens”. 1
  2. 2. 1. Aspectos generales 1.1. Definición y objetivo. 1.2 . Historia de la hidrología. 1.3. Ciclo hidrológico. 1.4. División de la hidrología 1.5. Usos y disponibilidad del agua. 1.6. Enfoque de los problemas hidrológicos. 1.7 Fuentes de información. 1. Aspectos generales La hidrología superficial, se encuentra comúnmente incluida en los programas de estudio de las carreras ingenieriles, como son la ingeniería civil y la ambiental, la agronomía, la geología, la geografía y la ecología. Todos estos especialistas y en particular el ingeniero civil tienen que diseñar, construir o bien, operar algún tipo de obra hidráulica que pretenda aprovechar una corriente o brindar protección contra las avenidas o crecientes de un río o arroyo, requiriendo por ello del conocimiento de la hidrología superficial para dar solución a los variadísimos problemas de carácter práctico que dichas obras plantean, en especial en las etapas de planeación, proyecto, construcción y operación. 2
  3. 3. 1. Aspectos generales La Hidrología es básicamente una ciencia interpretativa. La hidrología resultará para los alumnos de alguna de las ramas de la ingeniería un tema muy interesante, pero notoriamente diferente a la mayoría de las materias de los cursos de ingeniería; ya que los fenómenos naturales que conciernen a la hidrología, no son susceptibles de un análisis riguroso como los que son aplicables en la mecánica. Hay por lo tanto, una mayor variedad de métodos, casi siempre empíricos, más campo de juicio para el calculista y una aparente falta de precisión en las soluciones a los problemas planteados. En general, las soluciones a los problemas que se plantean en la hidrología se obtienen a través de los análisis estadísticos y probabilísticos de la información disponible, como ejemplo de tales problemas se tienen la estimación de valores extremos todavía no observados y por lo tanto, no incluidos en la muestra disponible de corta duración, la determinación de las características hidrológicas en lugares donde no se dispone de datos por no haberse recabado información y la estimación de los efectos de la acción humana en las características hidrológicas de una zona o cuenca. 3
  4. 4. 1. Aspectos generales El agua es la sustancia más abundante en la Tierra. • Principal constituyente de todos los seres vivos, • Fuerza importante que constantemente cambia la superficie terrestre, • Factor clave en la climatización del planeta para la existencia humana, • Influencia determinante en el progreso de la civilización. La hidrología, que cubre todas las fases del agua en la Tierra, es una materia de gran importancia para el ser humano y su ambiente. Aplicaciones prácticas: Diseño y operación de estructuras hidráulicas, Abastecimiento de agua, Tratamiento y disposición de aguas residuales, Irrigación, Drenaje, Generación hidroeléctrica, control de inundaciones, Navegación, Erosión y control de sedimentos, Control de salinidad, Disminución de la contaminación, Uso recreacional del agua y Protección de la vida terrestre y acuática. 4
  5. 5. 1. Aspectos generales 1.1 Definición y objetivo Significado de la palabra “Hidrología” = Palabra de origen griego “hidros” = agua “logos” = tratado o ciencia → Ciencia del agua Definiciones de la Hidrología General En términos enciclopédicos; “Hidrología, ciencia que trata de las propiedades, distribución y circulación de las aguas de la tierra”. El nivel actual de desarrollo de las actividades humanas y de las ciencias en general no se puede satisfacer con la definición anterior, demasiado simplista e incompleta, por ello se recurre a la definición propuesta por el U.S. Federal Council for Science and Technology (1962), cuando se requiere describir la hidrología como una ciencia, tal definición es la siguiente: “HIDROLOGÍA ES LA CIENCIA QUE TRATA DE LAS AGUAS DE LA TIERRA, SU OCURRENCIA, CIRCULACIÓN Y DISTRIBUCIÓN, SUS PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS Y SU INFLUENCIA SOBRE EL MEDIO AMBIENTE, INCLUYENDO SU RELACIÓN CON LOS SERES VIVIENTES. El dominio de la hidrología comprende la historia completa de la existencia del agua sobre 5 la tierra”.
  6. 6. 1. Aspectos generales 1.1 Definición y objetivo La Organización Meteorológica Mundial en su definición, destaca la importancia de esta ciencia en relación con los recursos hidráulicos de la tierra y su aprovechamiento, siendo esta la siguiente: “Hidrología es la ciencia que trata de los procesos que rigen el agotamiento y recuperación de los recursos de agua en las áreas continentales de la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrológico”. 6
  7. 7. 1. Aspectos generales 1.2 Historia de la hidrología 1. PERIODO DE ESPECULACIÓN (antigüedad a 1400) El concepto de Ciclo hidrológico fue especulado por filósofos como Homero, Tales, Platón y Aristóteles en Grecia; Séneca y Plinio en Roma. A este período pertenecen las grandes construcciones hidráulicas de la antigüedad, las cuales requirieron un conocimiento hidrológico práctico, entre ellas: Los pozos de Arabia, Los kanats de Persia, Los acueductos de Roma, Los canales y sistema de irrigación y obras de control de inundaciones en China, y las zonas de riego de Egipto, Mesopotamia e India. 2. PERIODO DE OBSERVACIÓN (1400 a 1600) Con base en observaciones, Leonardo de Vinci y Bernard Palissy lograron una correcta comprensión del Ciclo hidrológico, especialmente en lo relativo a la infiltración de la lluvia y retorno del agua a través de manantiales. 3. PERIODO DE MEDIDA (1600 a 1700) Inicio de la moderna ciencia de la hidrología; mediciones como las de Pierre Perrault y Edmé Mariotte en el río Sena de París y Edmond Halley en el mar Mediterráneo. 7
  8. 8. 1. Aspectos generales 1.2 Historia de la hidrología 4. PERIODO DE EXPERIMENTACIÓN (1700 a 1800) Gran auge de estudios experimentales que dieron como resultado muchos principios hidráulicos: Teorema y piezómetro de Bernoulli, la fórmula de Chezy y el principio de D’Alembert, los tubos de Pitot y Borda. 5. PERIODO DE MODERNIZACIÓN (1800 a 1900) El siglo XIX fue una gran era de hidrología experimental y marcó más firmemente el comienzo de la ciencia de la hidrología. Sin embargo, la mayoría de las contribuciones se tuvieron en la Geohidrología y medición de las aguas superficiales (Hidrometría). Por ejemplo: Ecuación de Hagen-Pouseuille del flujo capilar (1840), Ley de Darcy (1856), La fórmula del pozo de Dupuit-Thiem (1863), El principio de Ghyben-Herzberg (1889). En el campo de la hidrometría, en relación al aforo de aguas superficiales, se tuvo un gran avance, incluyendo: Fórmula de descarga de vertedores de Francis (1855), Determinación del coeficiente de Chézy propuesta por Ganguillet y Kutter (1869), y por Manning (1889), En el campo de la evaporación la Ley de Dalton (1802), por último, En el campo de las precipitaciones Miller (1849) correlacionó la lluvia con la altitud. 8
  9. 9. 1. Aspectos generales 1.2 Historia de la hidrología 6. PERIODO DE EMPIRISMO (1900 a 1930) Durante la parte final del siglo XIX y los siguientes 30 años, el empirismo hidrológico fue evidente, por ejemplo: cientos de fórmulas empíricas propuestas, seleccionando sus coeficientes y parámetros en base al juicio y la experiencia. 7. PERIODO DE RACIONALIZACIÓN (1930 a 1950) En este período se inician los grandes hidrólogos que utilizan el análisis racional para resolver problemas hidrológicos planteados, así por ejemplo se tienen: Sherman (1932) con el concepto de hidrograma unitario. Horton (1953) con la teoría de la infiltración de la lluvia, Theis (1935) que introduce el concepto del neoequilibrio en la hidráulica de pozos, Gumbel (1941) que propone la distribución de probabilidades de valores extremos, Hazen (1930) que promueve el uso de la estadística en la hidrología, Bernard (1944) que discute el papel de la meteorología y marca el inicio de la hidrometeorología y Einstein (1950) quien introduce el análisis teórico de los estudios de sedimentación. 8. PERIODO DE TEORIZACIÓN (1950 a la fecha) Los principios racionales propuestos anteriormente, pueden ser sujetos a un verdadero análisis matemático. Los instrumentos sofisticados y las computadoras de alta velocidad empiezan su desarrollo y entonces, se pueden tomar medidas delicadas del fenómeno hidrológico y resolver ecuaciones matemáticas complicadas involucradas en la aplicación 9 de las modernas teorías hidrológicas.
  10. 10. 1. Aspectos generales 1.3 Ciclo hidrológico Consulta del sitio: http://www.unesco.org/water/wwap/index_es.shtml) El concepto de Ciclo Hidrológico es un punto útil académico, desde el cual comienza el estudio de la hidrología. El Ciclo Hidrológico, es un término descriptivo aplicable a la circulación general del agua en 10 la tierra, el cual se define como:
  11. 11. 1.3 El Ciclo Hidrológico 1. Aspectos generales “Sucesión de etapas que atraviesa el agua al pasar de la atmósfera a la tierra y volver a la atmósfera: evaporación desde el suelo, mar o aguas continentales, condensación de nubes, precipitación, acumulación en el suelo o masas de agua y re-evaporación”. El Ciclo Hidrológico sirve para destacar cuatro fases básicas de interés para el hidrólogo: 11
  12. 12. 1. Aspectos generales 1.3 Ciclo hidrológico  Precipitación  Evaporación y Transpiración  Escorrentía superficial y  Agua subterránea. Si el análisis del ciclo hidrológico da la impresión de ser algún mecanismo continuo por medio del cual el agua se mueve permanentemente a una tasa constante, esta impresión debe ser descartada. El movimiento del agua durante las diferentes fases del ciclo hidrológico es errático tanto temporal como espacialmente. 12
  13. 13. 1. Aspectos generales 1.3 Ciclo hidrológico 13
  14. 14. 1. Aspectos generales 1.4 División de la hidrología La Hidrología Superficial se divide en varias ramas prácticas en las cuales intervienen los campos o áreas científicas para dar solución a problemas eminentemente prácticos, éstas son: a) Hidrología agrícola b) Hidrología forestal c) Hidrología urbana d) Hidrología de zonas áridas y semiáridas e) Hidrología de zonas pantanosas f) Hidrología de control de avenidas o crecientes. La Hidrología, como cualquier otra ciencia que tiene por objeto el estudio de los fenómenos naturales, está relacionada con otras ciencias. Tal relación o conexión deriva de la interacción que existe entre los diversos elementos naturales que integran los fenómenos de la naturaleza. La ciencias que tienen mayor incidencia en la Hidrología son: Geografía física Hidráulica Topografía y Cartografía Geomorfología Geología Edafología Ecología Matemáticas Estadística y Probabilidad Física Química Biología 14
  15. 15. 1. Aspectos generales 1.5 Usos y disponibilidad del agua El 97.5% del agua en la tierra se encuentra en los océanos y mares de agua salada, únicamente el restante 2.5% es agua dulce. Del total de agua dulce en el mundo, 69% se concentra en los polos y en las cumbres de las montañas más altas y se encuentra en estado sólido. El 30% del agua dulce mundial se encuentra en la humedad del suelo y en los acuíferos profundos. Solo el 1% del agua dulce en el mundo escurre por las cuencas hidrográficas en forma de arroyos y ríos y se deposita en lagos, lagunas y en otros cuerpos superficiales de agua y en acuíferos asequibles. Esta es el agua que se repone regularmente a través del ciclo hidrológico también llamado el ciclo de la vida. Limitaciones de la hidrología Con respecto a las limitaciones que se tendrán en la hidrología, para dar solución a los problemas que en ella se plantean, éstas son de dos tipos: A.Limitación debida a la complejidad e ignorancia en los procesos naturales con los cuales se trabaja. 15 B.Limitación debida a la cantidad de información hidrológica disponible.
  16. 16. 1. Aspectos generales 1.5 Usos y disponibilidad del agua 16
  17. 17. 1. Aspectos generales 1.6 Enfoque de los problemas hidrológicos Algo que no se puede soslayar es de que la humanidad desde sus orígenes se ha enfrentado al reto de la irregular distribución espacial y temporal de la ocurrencia o presencia de las aguas. ¿Ante la irregular presencia de las aguas en la tierra que ha hecho la humanidad?; pues bien: Problema AGUA Irregular distribución: Espacial - Temporal Herramientas requeridas ESTUDIOS: Hidrológicos Hidráulicos Medidas adoptadas CONSTRUCCIÓN DE OBRAS Protección – Drenaje Regulación Las lecciones aprendidas nos dicen que el desarrollo de tales proyectos no puede llevarse a cabo sin los estudios básicos necesarios para asegurar:  Una mejor utilización racional de los recursos hidráulicos disponibles,  Evitar las desastrosas consecuencias de su almacenamiento sin control,  Prevenir contra los proyectos absurdos y costosos. Para la ejecución de los estudios básicos (hidrológicos, hidráulicos, topográficos, de suelos, de materiales, etc..), la humanidad ha tenido que desarrollar sus conocimientos y la tecnología que le permitan de cierta forma controlar y/o aprovechar los recursos hidráulicos a 17 su alcance:
  18. 18. 1. Aspectos generales 1.6 Enfoque de los problemas hidrológicos Profesionales especializados Experiencia profesional Ingenieros con conocimientos de Ingeniería Hidrológica Estructuras: Puentes Estructuras de control de avenidas Estudios Hidrológicos Sistemas de drenaje en poblaciones Vías de comunicación Presas Evento de Diseño Vertedores Sistemas de abastecimiento de agua De lo visto anteriormente se puede concluir sin equivocarnos que: La importancia de la hidrología queda manifiesta desde que se puede afirmar que todo lo que vive sobre la faz de la tierra depende del AGUA, y el hombre hace uso de la misma en diferentes formas y para diferentes propósitos. La hidrología cubre todas las fases del agua en la tierra, y por lo tanto es una materia de gran importancia para el ser humano y su ambiente. Dentro de la hidrología son principalmente dos los tipos de proyectos generales que interesan al Ingeniero Civil o al Hidrólogo: Proyectos de Control y Proyectos de Aprovechamiento Y en ambos, la Hidrología Superficial proporciona las bases para su diseño. 18
  19. 19. 1. Aspectos generales 1.6 Enfoque de los problemas hidrológicos Proyectos de aprovechamiento y control. Dentro del ciclo hidrológico es común observar que, algunas veces, la naturaleza parece “trabajar” demasiado, generando lluvias torrenciales que hacen crecer a los ríos en exceso y en otras ocasiones la maquinaria del ciclo parece detenerse completamente y con ella la precipitación y el escurrimiento. Estas dos condiciones extremas de crecientes y sequías, originan que el escurrimiento de los ríos no sea uniforme, sino que presenta dos épocas: 1a. Épocas de escurrimiento muy reducido en las que no se dispone del agua suficiente para su uso en el riego, agua potable o generación de energía eléctrica. 2a. Épocas de avenidas o crecientes en las que el escurrimiento es excesivo desbordándose de su cauce natural y originando daños cuantiosos (Inundaciones). Las dos condiciones anteriores son precisamente las de mayor interés para el ingeniero especialista en hidrología, ya que con frecuencia se construyen obras que permiten regular el escurrimiento a fin de disponer de él en forma uniforme y constante, y obras para dar protección contra las inundaciones, o bien que sólo den paso a las avenidas. Las obras que se realizan para modificar el ciclo hidrológico y poder disponer del agua en forma regular se llaman: 19
  20. 20. 1. Aspectos generales 1.6 Enfoque de los problemas hidrológicos PROYECTOS DE APROVECHAMIENTO y principalmente están constituidos por los embalses. En cambio las obras cuyo objetivo es brindar protección contra las inundaciones, se llaman: PROYECTOS DE CONTROL y están constituidos por embalses, bordos de protección, rectificaciones de ríos, cauces de alivio, etc.. PROYECTOS PARA PASO DE AVENIDAS representados principalmente por puentes y alcantarillas. Trabajo de Investigación 1 (TI – 1): 1.-Realizar una investigación sobre los efectos del cambio climático sobre los recursos hídricos. Investigar al menos tres casos que ya se hayan manifestado en la República Mexicana, relacionados con el cambio climático. 2.-Investigar en que consiste los fenómenos climatológicos identificados como “El Niño” y “La Niña”. 3.- Cual son las funciones y responsabilidades hidrológicas de la Comisión Nacional del Agua, de la Comisión Internacional de Límites y Aguas, y, de la Comisión Federal de Electricidad. 20
  21. 21. 1. Aspectos generales 1.7 Fuentes de información ¿SABÍA QUE?... 100 HECHOS Y CIFRAS SOBRE EL AGUA HECHOS Y CIFRAS SOBRE EL CICLO HIDROLÓGICO 21

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