El proceso del escurrimiento

Mario García PetilloUnidad de Hidrología, GD Ingeniería Agrícola,

Departamento de Suelos y Aguasmgarciap@fagro.edu.uy

FACULTAD DEAGRONOMIA

UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA

1. Introducción2. El proceso del escurrimiento3. Factores que lo afectan4. Predicción del escurrimiento

• Caudal pico• Rendimiento de agua

Esquema de la charla

1. Introducción

Definición

El escurrimiento es la parte de la precipitación que fluye sobre el terreno, o que va a partes subterráneas, y eventualmente, hacia mares u océanos.

Importancia de su conocimiento y manejo

• Erosión• Aprovechamiento por los cultivos• Tajamares• Desagües

2. El proceso del escurrimiento

Escurrimiento subsuperficial

Escurrimiento

superficial

Infiltración Otras extraccionesExceso de PP

Percolación Profunda

Escurrimiento subterráneo

ESCURRIMIENTO TOTAL

Escurrimiento subsuperficial

lento

Escurrimiento de baseEscurrimiento directo

Escurrimiento subsuperficial

rápido

PP TOTAL

El ciclo del escurrimientoINICIO DE LA LLUVIA

3. Factores que afectan el escurrimiento

Factores que afectan el escurrimiento

• Climáticoso Lluvia

• Intensidad• Duración• Distribución• Frecuencia• Precipitación antecedente• Agua en el suelo

Factores que afectan el escurrimiento

• Climáticoso Intercepción

• Especie• Composición• Densidad• Estado de crecimiento

Factores que afectan el escurrimiento

• Climáticoso Evapotranspiración

• Radiación• Temperatura• Velocidad del viento• Humedad relativa

Factores que afectan el escurrimiento

• Fisiográficoso De la cuenca en sí

• Geométricoso Tamañoo Pendienteo Formao Longitud de la pendiente

Factores que afectan el escurrimiento

• Fisiográficoso De la cuenca en sí

• Físicoso Condiciones de la superficie del sueloo Uso del sueloo Drenaje internoo Permeabilidad

Factores que afectan el escurrimiento

• Fisiográficoso De la red de drenaje

• Capacidad de cargao Seccióno Pendienteo Rugosidad

Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia

Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia

Sub-regiones pluviométricas del Uruguay

465.0

1 *11

1log*707,01*6,34,

tr

hT

t rT

Curvas Intensidad, Duración, Frecuencia (IDF)

Índice de Precipitación Antecedente (IPA)(Shaw, 1963)

66

55

44

33

22

11

dP

dP

dP

dP

dP

dPIPA

Día 18/12 19/12 20/12 21/12 22/12 23/12 24/12 25/12 26/12 PP 0 17 30 0 20 0 0 15 75 di 8 7 6 5 4 3 2 1 0

IPA = 25

Índice de Precipitación Antecedente (IPA)(Shaw, 1963)

Intercepción

Intercepción de la lluvia por un monte de EucaliptusL. Martínez y P. Durán (2002)Medidas promedio de 9 mesesÁrboles de 7 años de edad

• Precipitación total 176 mm/mes• Precipitación directa 156 mm/mes• Precipitación fustal 13 mm/mes• Intercepción 7 mm/mes (4%)

Efecto de la pendiente

V f(h0.5) > pendiente, > V, < tiempo para infiltrar, > escurrimiento

EC f(V2) V*2 EC*4Cant f(V5) V*2 Cant*32Tam f(V6) V*2 Tam*64

Efecto del tipo de suelo

Planosol – Horizonte A Fr.Ar., profundidad 50 cm, AD 62 mmBrunosol – Horizonte A Fr.Arc., profundidad 20 cm, AD 40 mmLluvias - Verano 69/70 162 mm (p<1%) - Verano 70/71 688 mm (p<7%)

Efecto del laboreo

Efecto del laboreoINIA La Estanzuela – promedio de 9 años

Relación de caudales pico (L. Silveira et al, 2003)

Relación de volúmenes específicos escurridos

Modificación de los coeficientes de escorrentía por el desarrollo forestal (Silveira y Alonso, 2004)

Tendencias de Coeficientes de escorrentía anual

Efecto de la red de drenaje

Capacidad de carga (factores de la fórmula de Manning)

Cuenca

Es toda superficie del terreno limitada por divisorias de agua

Cuenca chica

• Menos de 1000 km2 (100.000 has)• La mayoría del esc sobre el terreno• No hay efecto de retardo• Picos de esc muy cerca de picos de pp• Sensible a cambios de uso del suelo• Sensible a lluvias intensas y cortas

Cuenca grande

• Mayor de 1000 km2

• Importante efecto de los cursos de agua• Retardo del escurrimiento• Importante papel de almacenamiento de

aguas de drenaje

4. Predicción del escurrimiento

4.1. Caudal pico de escurrimiento

Selección del método de cálculo

• Si TdeC < 20’ Método Racional

• Si TdeC > 20’ y Ac > 400 há Método S.C.S.

• Si TdeC > 20’ y Ac < 400 há Ambos métodos

Método Racional (C.E.Ramser, 1927)

•Conceptos básicos

•Supuestos en que se basa

3600)2A(mI(m/h).C.

/s)3(mQMAX

CuencaAreaIVxNCL

Pendiente ..

L.C.N. = Longitud de las curvas de nivel (m)I.V. = intervalo vertical (m) entre las curvas de nivelArea de la cuenca (m2)

Período de Retorno (T)

(1/vu)r)(111T

T = Período de retornor = Riesgo asumidovu = Vida útil de la obra

Coeficiente C: Para obtener el coeficiente de escorrentía “C” de tabla, es necesario estimar la pendiente de la cuenca y fijar el período de retorno a utilizar

Criterios de diseño generalizado para estructuras de control de agua (Período de Retorno)

1. Presas con poca probabilidad de pérdida de vidasVolumen (m3 *

10) Altura (m) P.R. (años)

1.1. Presa pequeña 60 - 1.250 7.60 – 12.20 50 – 1001.2. Presa mediana 1.250 - 61. 650 12.20 - 30.50 100 - +1.3. Presa grande 61.650 - + 30.50 - + E.L.V.2. Alcantarillas 5 – 103. Drenaje agrícola 5 – 50

Fuente: adaptados de Chow, V.T., Hidrología Aplicada

RELACIONES LLUVIA/ESCURRIMIENTO Coeficientes de escorrentía “C” para ser usados en el Método Racional.

Fuente: Chow, V.T., 1994. Hidrología aplicada. Los valores son los utilizados en Austin, Texas.

Tormenta de diseño Es la máxima intensidad de lluvia (I) para una duración igual al tiempo de concentración (Tc) de la cuenca, para un determinado período de retorno (T).

TIEMPO DE CONCENTRACIÓN

1. Método de V. T. Chow

Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente

Condiciones de la superficie Pendiente (%)

0 - 3 4 - 7 8 –11 12 - +

Flujo no concentrado

Bosques 0 - 0.46 0.46 - 0.76 0.76 - 0.99 0.99 - +

Pasturas 0 - 0.76 0.76 - 1.07 1.07 - 1.30 1.30 - +

Cultivos 0 - 0.91 0.91 - 1.37 1.37 - 1.67 1.67 - +

Pavimentos 0 - 2.59 2.59 - 4.11 4.11 - 5.18 5.18 - +

Flujo concentrado

Canales naturales mal definidos 0 - 0.61 0.61 - 1.22 1.22 - 2.13 2.13 - +

Canales naturales bien definidos Calcular por fórmulas

Tc = D / V

2.1 Método de Ramser y Kirpich (para flujo concentrado)

Tc = 0.0195 L 0.77 S -0.385

Donde:Tc - tiempo de concentración (minutos)L - longitud hidráulica de la cuenca en (m) (mayor trayectoria de flujo)S - pendiente (m/m)

2.2 Método del S.C.S. (para flujo no concentrado)

Tc = 0.91134 * (L k (S-0.5))

Donde. Tc - tiempo de concentración (horas)L - longitud hidráulica de la cuenca en (Km) (mayor trayectoria de flujo)S - pendiente (%)K - coeficiente de cobertura del suelo

Cobertura del suelo KBosques con espeso mantillo sobre el suelo 3.953

Barbecho de hojarasca o cultivos de mínimo laboreo 2.020

Pasturas 1.414

Cultivos en línea recta 1.111

Suelo prácticamente desnudo y sin arar 1.000

Vías de agua empastadas 0.666

Área impermeable 0.500

Coeficiente K del método del SCS

TcxmaxQx4810escV

Vesc = m3

Qmáx= m3/sTc = horas

Volumen total de escorrentía

3600)2A(mI(m/h).C.

/s)3(mQMAX

Caudal pico de escorrentía

Ejemplo

• Área de la cuenca: 50 has• Pendiente promedio: 5%• Cobertura del suelo: pasturas naturales• Máximo recorrido del flujo: 900 m• Ubicación: Young

Coeficiente C de escurrimientoCaracterísticas de la superficie Período de retorno (años)

2 5 10 25 50 100 500

Area de cultivos

Plano, 0-2% 0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.57

Promedio, 2-7% 0.35 0.38 0.41 0.44 0.48 0.51 0.60

Pendiente, superior a 7% 0.39 0.42 0.44 0.48 0.51 0.54 0.61

Pastizales

Plano, 0-2% 0.25 0.28 0.30 0.34 0.37 0.41 0.53

Promedio, 2-7% 0.33 0.36 0.38 0.42 0.45 0.49 0.58

Pendiente, superior a 7% 0.37 0.40 0.40 0.46 0.49 0.53 0.60

Bosques

Plano, 0-2% 0.22 0.25 0.28 0.31 0.35 0.39 0.48

Promedio, 2-7% 0.31 0.34 0.36 0.40 0.43 0.47 0.56

Pendiente, superior a 7% 0.35 0.39 0.41 0.45 0.48 0.52 0.58

Tiempo de concentraciónVelocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente

Condiciones de la superficie Pendiente (%)

0 - 3 4 - 7 8 –11 12 - +

Flujo no concentrado

Bosques 0 - 0.46 0.46 - 0.76 0.76 - 0.99 0.99 - +

Pasturas 0 - 0.76 0.76 - 1.07 1.07 - 1.30 1.30 - +

Cultivos 0 - 0.91 0.91 - 1.37 1.37 - 1.67 1.67 - +

Pavimentos 0 - 2.59 2.59 - 4.11 4.11 - 5.18 5.18 - +

Flujo concentrado

Canales naturales mal definidos 0 - 0.61 0.61 - 1.22 1.22 - 2.13 2.13 - +

Canales naturales bien definidos Calcular por fórmulas

900 m / 0.86 ms-1 = 1046 s = 17 min 44 s = 0.29 h

Intensidad máxima de la lluvia

88 mm

25

1.18

0.29

0.35

P(0.29,25) = 88 * 1.18 * 0.35 = 36 mmI = 36 / 0.29 = 124 mm/h = 0.124 m/h

P(d,Tr) = P(3,10) * CT(Tr) * CD(d)I (mm/h) = P(d,Tr) / d

Q = 0.42 * 0.124 m/h * 500.000 m2 / 3600Qmáx = 7.23 m3/s = 7230 l/s

Vol total = 4810 * 7.23 * 0.29 = 10.085 m3

3600)2A(mI(m/h).C.

/s)3(mQMAX

TcxmaxQx4810escV

Método del S.C.S.

Números de las curvas de escurrimiento para complejos hidrológicos cubierta- suelo para antecedentes de condiciones de lluvia e Ia =0.2S

Uso del suelo o cubierta Método o tratamiento Condición hidrológicaGrupo hidrológico de suelo

A B C D

Barbecho Surco recto ________ 77 86 91 94

Cultivo en surcos

Surco recto Deficiente 72 81 88 91

Surco recto Buena 67 78 85 89

Cultivo en contorno Deficiente 70 79 84 88

Cultivo en contorno Buena 65 75 82 86

Terraza Deficiente 66 74 80 82

Terraza Buena 62 71 78 81

Grano pequeño

Surco recto Deficiente 65 76 84 88

Surco recto Buena 63 75 83 87

Cultivo en contorno Deficiente 63 74 82 85

Cultivo en contorno Buena 61 73 81 84

Terraza Deficiente 61 72 79 82

Terraza Buena 59 70 78 81

Leguminosas sembradas al voleo o pradera de rotación

Surco recto Deficiente 66 77 85 89

Surco recto Buena 58 72 81 85

Cultivo en contorno Deficiente 64 75 83 85

Cultivo en contorno Buena 55 69 78 83

Terraza Deficiente 63 73 80 83

Terraza Buena 51 67 76 80

Uso del suelo o cubierta Método o tratamiento Condición hidrológica

Grupo hidrológico de suelo

A B C D

Pastizal o terreno de pastoreo

Deficiente 68 79 86 89

Regular 49 69 79 84

Buena 39 61 74 80

Cultivo en contorno Deficiente 47 67 81 88

Cultivo en contorno Regular 25 59 75 83

Cultivo en contorno Buena 6 35 70 79

Pradera (permanente) Buena 30 58 71 78

Forestal (terrenos agrícolas con árboles)

Deficiente 45 66 77 83

Regular 36 60 73 79

Buena 25 55 70 77

Granjas 59 74 82 86

Carreteras y derecho de vía (superficie dura) 74 84 90 92

Definición de los grupos de suelo

10xAcxS0.8P

S)0.2(PescV

(TC12/7)

(TC12/7)2

)(0.8S/P(1.223)(0.2s/P(1.223

0.786q(Tc)

2(Tc)

max

2Tc

max 10xAcxPxTc

q0.310Qmax

1. Volumen de escorrentía

S =(25400 / NC) -254

P(Tc 12/7) = precipitación con d = Tc x 12/7 (mm)V esc = Volumen escurrido (m3)Ac = Área de la cuenca (há)NC = Número de curvaS = Retención máxima (mm)

2. Caudal máximo

q max = caudal unitario específico (m3/s/mm/ha)Q max = Caudal máximo (m3/s)P(Tc) = Precipitación con d = Tc (mm)Tc = Tiempo de concentración (horas)

EJEMPLO DE CALCULO DE QMAX Y Vesc

2. UBICACIÓN – PaysanduAREA: 500 hásVegetación: pasturaTC: 1.3 hTipo de suelo: C

METODO DEL SCS

NC = 74 – S = (25400/74)- 254 = 89TC * 12/7 = 1.3 * 12/7= 2.23hCd (2.23) = 0.88 CD (1.3) = 0.69CT (25) = 1.18P(2.23; 25) = 90*0.88*1.18 =93mmP(1.30;25) 90 * 0.69 * 1.18 = 73mmV esc = (93 – 0.2 * 89)2 * 500 * 10 = 172200 m3

(93 + 0.8*89)Qmax = 0.786 * ( 1.223 – (0.2*89/73)2 = 0.343 m3/s/mm/há 1.223 + (0.8 * 89 / 73)Qmax = 0.310 * 0.343/1.3 *73 * 500/100 = 29.85 m3/s

4. Predicción del escurrimiento

4.2. Rendimiento de agua

Precipitación (P)

Excedente (T) P - T

Suelo (H( H max ))

Evapotranspiración (ETR)

Infiltración (I ( I max ))

Almacenamiento Subterráneo

(V)

Aporte Superficial ( A sup )

Aporte S u bterráneo ( A sub )

Escorrentia Total (A T )

Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual

oiiii

oiii PsiP

PoiPPP

T

2)( 2

maxmax IT

TII

i

ii

Ti = 0 si Pi Poi

i = HMax – Hi-1 + ETP HMax = CAD * ADPoi = CPo (HMax – Hi-1)Hi = MAX ( 0; Hi-1 + Pi – Ti – ETPi )ETRi = min(ETPi; Hi-1 +Pi – Ti,)

A sup i= Ti – Ii escurrimiento superficialA subi = V i-1 - Vi + Ii aporte subterráneoA Ti = A sup i + A sub i escorrentia Total

Balance Hídrico – Modelo Precipitación – Escurrimiento de paso Mensual

infiltración al almacenamiento subterráneo

21 **

t

it

ii eIeVV

ti

tii etIeQQ

****1

Calibración del modelo en Uruguay(12 cuencas):CAD: 0.916CP0 = 0.30 = 2.325IMAX = 386ETP Penman = 1.38* ETP Thornthwaite

Isolíneas de evapotranspiración media anual (ETPm , mm/mes) y ciclo anual medio de evapotranspiración (ETPi/ETPm).

Coeficiente de distribución del ciclo anualEne Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

1.88 1.56 1.37 0.88 0.58 0.36 0.37 0.47 0.61 0.94 1.25 1.72