HIDROLOGÍA GENERALHIDROLOGÍA GENERAL

ESCURRIMIENTO

CAJAMARCA 02 DE ABRIL DEL 2012

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTEUNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE““Laurate International Universities”Laurate International Universities”

Ingenieria Civil

UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTEUNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE““Laurate International Universities”Laurate International Universities”

Ingenieria Civil

INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN

El escurrimiento es la cantidad de agua que no se infiltra en el suelo y que fluye sobre la superficie del terreno. Este proceso es causado por una precipitación pluvial mayor que la infiltración. La cantidad de agua que así pierde, es igual a la cantidad de agua de la precipitación menos la cantidad de agua que se penetra en el suelo.

El escurrimiento de agua superficial desde la tierra reabastece corrientes y lagos, y también causa erosión del suelo lo cual impulsa a varias sustancias químicas a través de porciones de otros ciclos biogeoquímicos.

OBJETIVOSOBJETIVOS

OBJETIVO GENERALE:

  Identificar los

diferentes tipos de escorrentía que existe en una cuenca.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Analizar los diferentes parámetros existentes para el calculo de escorrentía.

Conocer los diferentes equipos existentes para la medición de escorrentía.

 

Escurrimiento: El escurrimiento se define como el agua proveniente de la

precipitación que circula sobre o bajo la superficie terrestre y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca

El agua proveniente de la precipitación que llega hasta la superficie terrestre una vez que una parte ha sido interceptada y evaporada sigue diversos caminos hasta llegar a la salida de la cuenca. Conviene dividir en tres clases:

escurrimiento superficial escurrimiento subsuperficial

escurrimiento subterráneo.

Fuentes de los diferentes tipos Fuentes de los diferentes tipos de escurrimiento:de escurrimiento:

Una vez que la precipitación alcanza la superficie del suelo, se infiltra hasta que las capas superiores del mismo se saturan. Posteriormente, se comienza a llenar las depresiones del terreno y, al mismo tiempo, el agua comienza a escurrir sobre su superficie. Este escurrimiento, llamado flujo en la superficie del terreno, se produce mientras el agua no llegue a cauces bien definidos (es decir, que no desaparecen entre dos tormentas sucesivas). En su trayectoria hacia la corriente más próxima, el agua que fluye sobre el terreno se sigue infiltrando, e incluso se evapora en pequeñas cantidades. Una vez que llega a un cauce bien definido se convierte en escurrimiento en corrientes.

El flujo sobre el terreno, junto con el escurrimiento en corrientes, forma el escurrimiento superficial. Una parte del agua de precipitación que se infiltra escurre cerca de la superficie del suelo y más o menos paralelamente a él. A esta parte del escurrimiento se le llama escurrimiento subsuperficial; la otra parte, que se infiltra hasta niveles inferiores al freático, se denomina escurrimiento subterráneo.

De los tres tipos de escurrimiento, el superficial es el que llega más rápido hasta la salida de la cuenca. Por ello está relacionado directamente con una tormenta particular y entonces se dice que proviene de la precipitación en exceso o efectiva y que constituye el escurrimiento directo. El escurrimiento subterráneo es el que de manera más lenta llega hasta la salida de la cuenca (puede tardar años en llegar), y, en general, difícilmente se le puede relacionar con una tormenta particular, a menos que la cuenca sea demasiado pequeña y su suelo muy permeable. Debido a que se produce bajo el nivel freático, es el único que alimenta a las corrientes cuando no hay lluvias y por eso se dice que forma el escurrimiento base.

HIDROGRAMASHIDROGRAMAS Si se mide el gasto (que se define

como el volumen de escurrimiento por unidad de tiempo) que pasa de manera continua durante todo un año por una determinada sección transversal de un río y se grafican los valores obtenidos contra el tiempo, se obtendría una gráfica como la de la figura 3.1. Una gráfica como la anterior se

denomina hidrograma, como cualquiera que relacione el gasto contra el tiempo. La figura 3.1 representa un hidrograma anual; si la escala del tiempo se amplía de tal manera que se puedaobservar el escurrimiento producido por una sola tormenta, se tendría una gráf ica como la que se muestra en la figura 3.2.

El área bajo el hidrograma, es el volumen total escurrido. Debido a que el escurrimiento directo proviene de la precipitación, casi siempre aporta un componente del gasto total en un hidrograma mucho mayor que el que genera el escurrimiento base. Para poder correlacionar la precipitación con los hidrogramas que genera

SEPARACION GASTO BASE DEL GASTO DIRECTO.

A) El método más simple consiste en trazar una línea recta horizontal a partir del punto A del hidrógrama hacia el punto D Aunque este método puede dar resultados con buena aproximación, de manera especial en tormentas pequeñas donde los niveles freáticos no se alteran mayormente, en general sobrestima el tiempo base y el volumen de escurrimiento directo

B) Otro método es el de determinar una curva tipo vaciado del escurrimiento base, analizando varios hidrogramas y seleccionando aquellos tramos en que sólo exista escurrimiento base. En el ejemplo de la figura 3.3 estos tramos podrían ser los a - b, c - d, e - f, g -h, etc. Los tramos seleccionando se dibujan posteriormente en papel semilogarítmico de manera que sus extremos inferiores sean tangentes a una línea.

HIDROGAMA CURVA DE VACIADO

C). Se han realizado numerosos intentos de correlacionar el tiempo de vaciado del escurrimiento directo con algunas características de las cuencas. El método que mejores resultados ha tenido es el que relaciona dicho tiempo con el área de la cuenca. Una relación muy utilizada es la siguiente:

 

El punto D del hidrograma estará un tiempo de N días después del pico.

 

Donde: N = tiempo de vaciado del escurrimiento directo en días A = área de la cuenca en km2.

HIDROGRAMA DE ESCURRIMIENTO El escurrimiento va a depender de la topografía, el clima, la geología y

el tipo de suelo. El flujo base del escurrimiento decrece en un período de sequía

debido a que el agua subterránea se drena hacia el río.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMA DEL HIDROGRAMAFACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMA DEL HIDROGRAMA..

CLIMÁTICOS:- Intensidad de la precipitación- Duración de la precipitación- Distribución geográfica- Dirección de la tormenta - Tipo de precipitación.- Tipo de tormenta.

FACTORES GEOLÓGICOS , HIDROGRÁFICOS Y TOPOGRÁFICOS

- Suelos. - Forma del área de drenaje. - Tamaño del área de drenaje. - Red de Drenaje. - Pendiente media de la cuenca.

Aforo:  Aforar una corriente significa determinar a través de mediciones el

gasto que pasa por una sección dada.

se usan básicamente tres tipos de métodos para aforar corrientes, a saber:

a) Secciones de control.b) Relación sección-pendiente.c) Relación sección-velocidad.

Sección de control:Sección de control: Una sección de control de una corriente

se define como aquella en la que existe una relación una relación única entre el tirante y el gasto. De los muchos tipos de secciones de control que se pueden usar para aforar una corriente, los más comunes son los que producen un tirante crítico y los vertedores.

Se forma un tirante crítico elevando el fondo del cauce, estrechándolo o con una combinación de las dos técnicas. Cuando se utiliza la, el gasto se calcula usando la fórmula de vertedores de pared gruesa:

Donde:B= es el ancho del cauce en m, g es la aceleración de la gravedad en M2/S2, H= es la carga sobre el vertedor en m y Q es el gasto En m3/s. Para que el dispositivo de la figura 3.8 tenga un buen funcionamiento, se recomienda que:

Otra manera de provocar la formación de un tirante crítico es cuando la topografía permite disponer de una caída libre (véase figura 3.9); en este caso el gasto se calcula con el tirante medido justo en la caída y:

Donde y está en m, g en m/s2, B en m y Q en m3/s.Los vertedores de pared delgada recomendables para realizar aforos son el triangular con ángulo de 90° para gastos pequeños (de 0 a 100 l/s) y el rectangular para gastos mayores (de 100 a 1 000 l/s) Si se usa un vertedor rectangular con las dimensiones especificadas en la figura 3. 10a, el gasto se calcula como:

y con un vertedor triangular como el de la figura 3.l0b, el gasto es:

En las ecuaciones 3.6 y 3.7 H es la carga sobre la cresta del vertedor en m, medida a una distancia de cuando menos 4H aguas arriba de la cresta; L es la longitud de la cresta en m (ecuación 3.6) y Q es el gasto en m3/s.

  El método de las secciones de control es el más preciso de todos para el aforo, pero

presenta algunos inconvenientes. En primer lugar, es relativamente costoso y, en general, sólo se puede usar cuando los gastos no son muy altos. En el caso de los estrechamientos se restringe el transporte de objetos arrastrados por la corriente y la sección puede obstruirse.

Un inconveniente de los vertedores es que generan un remanso aguas arriba de la sección. Por ello, este método es adecuado en ríos pequeños, cauces artificiales (como por ejemplo canales de riego) o cuencas experimentales

Relación sección-pendienteRelación sección-pendiente Este método se utiliza para estimar el gasto máximo que se presentó

durante una avenida reciente en un río donde no se cuenta con ningún otro tipo de aforos. Para su aplicación se requiere solamente contar con topografía de un tramo del cauce y las marcas del nivel máximo del agua durante el paso de la avenida. Según la fórmula de Manning, la velocidad es:

Donde: R = radio hidráulico, Sf = pendiente de la línea de energía específica n = coeficiente de rugosidad. Además, de la ecuación de continuidad se tiene que:

Donde:A= es el área hidráulica.

Aplicando la ecuación de Bernoulli (referencia 3.4) entre los extremos inicial y final del tramo resulta:

De las ecuaciones 3.9 y 3.10 se obtiene

Donde: diferencia en elevacion de las marcas de nivel máximo del agua en los extremos del tramo para tomar en cuenta las perdidas locales conviene escribir la ecuación 3.11 en la forma de diferencia en elevación

|

donde:donde:Es el coeficiente de conducción medio en el tramo que puede calcularse como Es el coeficiente de conducción medio en el tramo que puede calcularse como promedio geométrico de los coeficientes de conducción en los extremos del promedio geométrico de los coeficientes de conducción en los extremos del

mismo mismo

………………………(3.14)

Utilizamos las ecuaciones 3.12 y 3.13 y tomando en cuenta

Con la ecuación 3.16 es posible estimar el gasto de pico de una avenida si se conocen las marcas del nivel máximo del agua en las márgenes, la rugosidad del tramo y la topografía del mismo

Relación sección - velocidadRelación sección - velocidad Este es el método más usado en México para forar

corrientes. Consiste básicamente en medir la velocidad en varios puntos de la sección transversal y después calcular el gasto por medio de la ecuación de continuidad 3.9.

La velocidad del flujo en una sección transversal de una corriente tiene una distribución.

Para determinar el gasto no es suficiente entonces medir la velocidad en un solo punto, sino que es necesario dividir la sección transversal del Cauce en varias subsecciones llamadas dovelas. El gasto que pasa por cada dovela es:

La velocidad media Vmi se puede tomar como la medida a una profundidad dc 0.6 Yi aproximadamente donde Yi es el tirante medido al centro de la dovela cuando Yi no es muy grande; en caso contrario, conviene tomar al menos dos medidas a profundidades de 0.2 Yi Y 0.8 Yi: así la velocidad media es:

………………. (3.18)

DondeDonde V20 Y V8O son las velocidades medidas a 0.2 YiY0.8Yi respectivamente.Cuando Yi es muy grande. Puede ser necesario tomar tres o más lecturas de velocidad en la dovela. Es recomendable, además, medir la profundidad de cada dovela cada vez que se haga un aforo. Entonces, el gasto total será:

……………….(3.19)

Donde n es el número de dovelas.

La velocidad se mide con unos aparatos llamados molinetes que tienen una hélice o rueda de aspas o copas que gira impulsada por la corriente y, mediante un mecanismo eléctrico, transmiten por un cable el número de revoluciones por minuto o por segundo con que gira la hélice. Esta velocidad angular se traduce después a velocidad del agua usando una fórmula de calibración que previamente se determina para cada aparato en particular.

Para que el molinete pueda colocarse a la profundidad deseada se fija a un peso hecho de plomo y con forma hidrodinámica, llamado escandallo. La posición que adopta el molinete con el escandallo se muestra en la figura 3.14. La profundidad a la que se hace la medición se calcula usando la fórmula :

………………..(3.20)

donde K es un coeficiente de corrección que se calcula en función del ángulo ɵ mediante la tabla 3.2.

Al hacer mediciones con este método conviene seguir los siguientes pasos (referencia 3.5):Al hacer mediciones con este método conviene seguir los siguientes pasos (referencia 3.5):

El punto a donde se coloca el operador para hacer el aforo puede estar situado en un El punto a donde se coloca el operador para hacer el aforo puede estar situado en un puente o en una canastilla suspendida de un cable. En algunos casos se aceptan puente o en una canastilla suspendida de un cable. En algunos casos se aceptan aforos hechos desde un bote, aunque este método no es muy recomendable debido aforos hechos desde un bote, aunque este método no es muy recomendable debido a que se perturba el flujo y el bote es arrastrado por la corriente, impidiendo que el a que se perturba el flujo y el bote es arrastrado por la corriente, impidiendo que el aforo se haga en una sección transversal a la dirección del flujo. Por otra parte, las aforo se haga en una sección transversal a la dirección del flujo. Por otra parte, las mediciones desde puentesmediciones desde puentes

son más recomendables cuando éstos son de un solo claro, pues las pilas o pilotes dentro del cauce producen distorsiones en las líneas de corriente, lo que puede introducir errores de consideración en los aforos.

El principal inconveniente de este método es que cada aforo toma un tiempo relativamente largo (del orden de una hora o más en algunos casos), por lo que durante una avenida se pueden hacer sólo unas cuantas mediciones, lo que podría no ser suficiente para conformar todo el hidrograma y menos aún determinar el pico. Este problema se puede disminuir si se dibujan curvas de elevación del nivel del agua contra el gasto, permitiendo, con ayuda de un registro continuo de niveles en la sección, determinar el gasto en cualquier instante

Otros métodosOtros métodos

Existen otros métodos con los que es posible realizar aforos. Uno de ellos es el de trazadores, que consiste en soltar una cantidad conocida de partículas fluorescentes, radiactivas, etc., en una sección situada a una cierta distancia aguas arriba de la sección de aforos para medir el tiempo que tardan en llegar a la última. Esto se puede hacer visualmente, con contadores de radiactividad o con algún otro procedimiento, dependiendo del tipo de partículas usadas.

Curvas elevaciones-gastosCurvas elevaciones-gastos Una curva elevaciones-gastos relaciona la elevación

de la superficie libre del agua con el gasto que pasa por la sección, y se construye Con datos obtenidos de varios aforos.. En la figura 3.15 se muestra una curva elevaciones-gastos típica, La histéresis -es decir, el diferente comportamiento que observa la elevación de la superficie libre del agua cuando el gasto aumenta y cuando disminuye- que se muestra en la curva de la figura 3.15 se debe a que la pendiente hidráulica del flujo es mayor durante el ascenso de los hidrogramas que durante el descenso. Se acostumbra ajustar los puntos medidos a una curva media que tiene una ecuación del tipo:

……………………….(3.21)

Donde: Eo es la elevación para la que el gasto es nulo , C y n son dos constantes que se determinan, por ejemplo, obteniendo logaritmos de la ecuación 3.21.

En la mayoría de los ríos, la forma de las secciones transversales cambia continuamente debido a los procesos de erosión y sedimentación, por lo que es conveniente realizar aforos con la frecuencia suficiente para contar en cualquier momento con una curva elevaciones-gastos actualizada.

Una vez conocida la curva elevaciones-gastos de la sección de aforos, es Una vez conocida la curva elevaciones-gastos de la sección de aforos, es suficiente con determinar la elev<fción de la superficie libre del agua para suficiente con determinar la elev<fción de la superficie libre del agua para conocer el gasto en cualquier momento. Dicha elevación se determina con conocer el gasto en cualquier momento. Dicha elevación se determina con alguno de los siguientes métodos.alguno de los siguientes métodos.

a). Limnímetro: Es una regla graduada que se coloca en una de las márgenes del cauce, en la que normalmente se lee la elevación de la superficie cada dos horas en época de avenidas y cada 24 horas en época de estiaje

b). Peso suspendido de un cable: Su uso es similar al del limnímetro .La elevación del nivel del agua será, en este caso, igual a la elevación del punto desde donde se suspende el peso menos la longitud del cable.

c). Limnígrafo:Es un aparato automático con el que se obtiene un registro continuo de niveles. Se coloca junto a la corriente, conectado mediante un tubo o zanja, o bien dentro de ella, por ejemplo, fijado a la pila de un puente cuando se estima que no hay peligro de que lo destruya la corriente durante una avenida o por los objetos arrastrados por el río. El aparato consta básicamente de un flotador unido a una plumilla que marca los niveles del agua en un papel fijado a un tambor que gira mediante un mecanismo de relojería.

d). El papel se cambia normalmente una vez al día, aunque esto se fija de acuerdo con la variabilidad del gasto con el tiempo. El registro de niveles contra el tiempo que se obtiene de un limnígrafo se llama limnograma.

Condiciones que debe reunir una estación Condiciones que debe reunir una estación hidrométricahidrométrica

La selección del sitio adecuado para instalar una estación hidrométrica (donde se miden gastos) debe tomar en cuenta las siguientes condiciones (referencia 3.3):

a) Accesibilidad. La estación debe ser accesible en cualquier tiempo y bajo cualquier condición especialmente durante avenidas.

b) Suficiencia. La estación debe ser capaz de cubrir todo el rango de gastos que pueda ocurrir. El nivel mínimo de la zanja o tubería en el caso de los límnígrafos y de la regla en el de los limnímetros, debe estar por debajo de la elevación correspondiente al gasto mínimo posible y la posición máxima del flotador o de la regla debe quedar arriba de la elevación correspondiente al gasto máximo posible.

e) Estabilidad. La sección transversal del río donde se instale la estación debe estar en un tramo recto, lo más estable posible, de manera que las variaciones que tenga la curva elevaciones-gastos sean razonablemente pequeñas.

d) Permanencia. La estación debe estar situada de tal manera que nunca sea destruida por una avenida. Una de las características más deseables de un registro es que sea continuo y que esté formado en un mismo sitio. Además, no debe estar afectado por tomas o desvíos, por lo que la estación debe situarse, en lo posible, aguas arriba de ellos.