Unidad 1 Hidrologia

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SANTIAGO DEL ESTEROFACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS Y TECNOLOGÍAS

HIDROLOGIA APLICADAUNIDAD N° 1: HIDROLOGIA

El Ciclo HidrológicoEl ciclo hidrológico se podría definir como el proceso que describe la ubicación y el movimiento del agua en nuestro planeta.En la tierra, el agua existe en un espacio llamado hidrosfera, que se extiende desde unos 15km arriba en la atmosfera hasta 1km por debajo de la litosfera o corteza terrestre. El ciclo hidrológico es el foco central de la hidrología. El ciclo no tiene principio ni fin y sus diversos procesos ocurren en forma continua.El agua se evapora desde los océanos y desde la superficie terrestre para volverse parte de la atmosfera hasta que se condensa y precipita sobre la superficie terrestre o los océanos; el agua precipitada puede ser interceptada por la vegetación, convertirse en flujo superficial sobre el suelo, infiltrarse en él, correr a través del suelo como flujo subsuperficial y descargar en los ríos como escorrentía superficial.La mayor parte del agua interceptada y de escorrentía superficial regresa a la atmosfera mediante la evaporación. El agua infiltrada puede percolar profundamente para recargar el agua subterránea de donde emerge en manantiales o se desliza hacia los ríos para formar la escorrentía superficial, y finalmente fluye hacia el mar o se evapora en la atmosfera a medida que el ciclo hidrológico continúa.

El concepto de ciclo se basa en el permanente movimiento o transferencia de las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro, como entre sus diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Este flujo de agua se produce por dos causas principales: la energía solar y la gravedad.

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Concepto de SistemaEl ciclo hidrológico puede tratarse como un sistema cuyos componentes son la precipitación, evaporación, escorrentía y otras fases del ciclo hidrológico.En la figura, el ciclo hidrológico global se representa como un sistema. Las líneas punteadas lo dividen en tres subsistemas:

1. El sistema de agua atmosférica que contiene los procesos de precipitación, evaporación, intercepción y transpiración.

2. El sistema de agua superficial que contiene los procesos de flujo superficial, escorrentía superficial, nacimientos de agua subsuperficial y subterránea, y escorrentía hacia ríos y océanos.

3. El sistema de agua subsuperficial que contiene los procesos de infiltración, recarga de acuífero, flujo superficial y flujo de agua subterránea. El flujo subsuperficial ocurre en la capa del suelo cercana a la superficie y el flujo de agua subterránea, en estratos profundos de suelo o roca.




Para la mayor parte de los problemas prácticos, solo se consideran algunos procesos del ciclo hidrológico en un determinado momento, y únicamente se tiene en cuenta una pequeña porción de la superficie de la tierra. Una definición de sistema más restringida que el sistema hidrológico global apropiada para tal tratamiento, es la que se desarrolla a partir del concepto de Volumen de Control. Lo que debe conocerse son las propiedades de circulación del fluido en la Superficie de Control, es decir, la frontera del volumen de control.El fluido dentro del volumen de control puede tratarse como una masa que puede representarse como concentrada en un punto en el espacio cuando se considera la acción de fuerzas externas como la gravedad.Por analogía, un sistema hidrológico se define como una estructura o volumen en el espacio, rodeada por una frontera, que acepta agua y otras entradas, opera en ellas internamente y las produce como salidas.




La frontera es una superficie continua definida en tres dimensiones, que encierra el volumen o estructura. Un medio de trabajo penetra en el sistema como entrada, interactúa con la estructura y otros medios, y emerge como salida del sistema.En hidrología existe generalmente un mayor error de aproximación al aplicar leyes físicas porque los sistemas son más grandes y complejos, y pueden implicar varios medios de trabajo. Además, la mayor parte de los sistemas hidrológicos son intrínsecamente aleatorios porque su mayor entrada es la precipitación, un fenómeno altamente variable e impredecible. Por consiguiente, el análisis estadístico cumple un papel importante en el análisis hidrológico.Si la superficie y el suelo de la cuenca se examinan en detalle, el número de caminos posibles resulta enorme. A lo largo de alguno de estos caminos, la forma, la pendiente y la rugosidad pueden cambiar continuamente y estos factores también pueden variar en el tiempo a medida que el suelo se humedece. De manera análoga, la precipitación varía aleatoriamente en el espacio y el tiempo. Debido a estas grandes complicaciones, no es posible describir algunos procesos hidrológicos a través de leyes físicas exactas. Si se utiliza el concepto de sistema, el esfuerzo se dirige hacia la construcción de un modelo que relacione entradas y salidas en lugar de llevar a cabo la difícil tarea de una representación exacta de los detalles del sistema, los cuales pueden ser desconocidos o no significativos desde un punto de vista práctico.

HidrologíaLa hidrología (del griego hydor-, agua) es la disciplina científica dedicada al estudio de las aguas de la Tierra, incluyendo su presencia, distribución y circulación a través del ciclo hidrológico, y las interacciones con los seres vivos. También trata de las propiedades químicas y físicas del agua en todas sus fases.El objetivo primario de la hidrología es el estudio de las interrelaciones entre el agua y su ambiente. Estudia particularmente aquellos componentes del ciclo hidrológico que se presentan en él, tales como, precipitación, evapotranspiración, infiltración escorrentía y agua en el suelo. Los diferentes aspectos de estos fenómenos son estudiados en sus varias subdisciplinas; estas son:

La hidrometeorología, se concentra en el agua localizada en la capa fronteriza inferior de la atmósfera.

La hidrometría se encarga de las mediciones del agua superficial, especialmente precipitación y flujo de las corrientes.

La hidrografía involucra la descripción y la confección de mapas de los grandes cuerpos de agua, tales como lagos, ríos, mares interiores y océanos.

La hidrología del suelo o hidrogeología se centra en el agua que se encuentra en la zona saturada debajo de la superficie del suelo, y en la física suelo-agua en la zona no saturada.


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Componentes del Ciclo Hidrológico1. Precipitacion : cuando por condensación las partículas de agua que forman las nubes

alcanzan un tamaño superior a 0,1 mm comienza a formarse gotas; estas caen por gravedad dando lugar a las precipitaciones (en forma de lluvia, granizo o nieve).

2. Evaporación : el ciclo se inicia sobre todo en las grandes superficies líquidas (lagos, mares y océanos) donde la radiación solar favorece que continuamente se forme vapor de agua. El vapor de agua, menos denso que el aire, asciende a capas más altas de la atmósfera, donde se enfría y se condensa formando nubes.

3. Retención : no toda el agua que precipita llega a alcanzar la superficie del terreno. Una parte del agua de precipitación vuelve a evaporarse en su caída y otra parte es retenida (“agua de intercepción”) por la vegetación, edificios, carreteras, etc., y luego se evapora.Del agua que alcanza la superficie del terreno, una parte queda retenida en charcas, lagos y embalses (“almacenamiento superficial”) volviendo una gran parte de nuevo a la atmósfera en forma de vapor.

4. Escorrentía Superficial : esta la parte del agua que precipita que circula sobre la superficie y se concentra en pequeños cursos de agua, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos (“escorrentía superficial”). Esta agua que circula superficialmente irá a parar a lagos o al mar, donde una parte se evaporará y otra se infiltrará en el terreno.

5. Infiltración : es parte de la precipitación que llega a penetrar la superficie del terreno (“infiltración”) a través de los poros y fisuras del suelo o las rocas, rellenando de agua el medio poroso.

6. Evapotranspiración : en casi todas las formaciones geológicas existe una parte superficial cuyos poros no están saturados en agua, que se denomina “zona no saturada”, y una parte inferior saturada en agua, y denominada “zona saturada”. Una buena parte del agua infiltrada nunca llega a la zona saturada sino que es interceptada en la zona no saturada. En la zona no saturada una parte de esta agua se evapora y vuelve a la atmósfera en forma de vapor, y otra parte, mucho más importante cuantitativamente, se consume en la “transpiración” de las plantas. Los fenómenos de evaporación y transpiración en la zona no saturada son difíciles de separar, y es por ello por lo que se utiliza el término “evapotranspiración” para englobar ambos términos.

7. Escorrentía Subterránea : es el agua que desciende, por gravedad-percolación y alcanza la zona saturada constituye la “recarga” de agua subterránea.

Cuencas HidrográficasUna cuenca es una zona de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser drenadas por el sistema de corrientes hacia un mismo punto de salida y su línea divisoria de aguas está formada por los puntos de mayor nivel topográfico que separa dos cuencas.La definición anterior se refiere a una cuenca superficial (cuenca hidrográfica); asociada a cada una de éstas existe también una cuenca de agua subterránea.




Desde el punto de vista de su salida, existen fundamentalmente dos tipos de cuencas: endorreicas y exorreicas.

Endorreicas : su punto de salida está dentro de los límites de la cuenca (lago, o laguna). Exorreica : su punto de salida está en los límites de las cuencas y esta en otra corriente, y

de allí al mar. Arreicas : las aguas se evaporan o infiltran en el terreno antes de encauzarse en una red de

drenaje.

Partes de una Cuenca

Parte Alta : también conocida como cabecera de la cuenca hidrográfica; en esta región se da la mayor captación del agua de lluvias y ayuda con la regulación y suministro de agua durante el resto del año a las otras partes de la cuenca. Predomina el fenómeno de socavación, es decir, que hay aportación de material terreo hacia las partes bajas de la cuenca; visiblemente se ven trazas de erosión.

Parte Media : esta región actúa como una zona de amortiguamiento entre las acciones de la parte alta de la cuenca y los efectos que se evidencian en la parte baja. Hay medianamente un equilibrio entre el material solido que llega traído por la corriente y el material que sale; visiblemente no hay erosión.

Parte Baja : es la parte de la cuenca hidrográfica en la cual el material extraído de la parte alta se deposita.

Cuenca Hidrográfica y Cuenca Hidrológica




Las cuencas hidrográficas son los espacios geográficos, cuyos límites inician en las partes altas de las montañas conocidas como “parteaguas” y terminan en donde el agua de las precipitaciones que corren por un rio principal llega al mar, lagos o embalses artificiales.Las cuencas hidrológicas son áreas mucho más grandes que la cuenca hidrográfica, pues incluyen toda el área hidrogeológica subterránea que abarcan un manto acuífero. Una cuenca hidrológica pude incluir varias cuencas hidrográficas.

Caracterización Física y Morfometrica de la CuencaÁrea de la Cuenca

Tamaño de la Cuenca (km2) Descripcion< 25 Muy Pequeña

25 a 250 Pequeña250 a 500 Intermedia - Pequeña500 a 2500 Intermedia - Grande

2500 a 5000 Grande > 5000 Muy Grande

Forma de la Cuenca

Índice de Compactabilidad (K c ): se debe a Gravelius y es la relación entre el perímetro de

la cuenca y el perímetro de un circulo de igual área que la cuenca, a través de la siguiente expresión:

K c=Perimetrode la CuencaPerimetro deCirculo

=0,282P

√A(1.1)

Dónde:P=¿ Perímetro de la cuencaA=¿Área de la cuenca




Cuanto más irregular es la cuenca, mayor será su coeficiente de compacidad. Una cuenca circular tendrá un coeficiente de compacidad mínimo, igual a 1.

Factor de Forma (K f ): fue definido por Horton, como el cociente entre la superficie de la

cuenca y el cuadrado de su longitud (una cuenca con un factor de forma bajo, esta menos sujeta a crecidas que una de la misma área y mayor factor de forma):

K f=BL= A

L2(1.2)

Dónde:L=¿ Recorrido principal de la cuenca

B=¿ Ancho medio de la división del área de la cuenca entre la longitud del cauce principal A=¿ Área de la cuenca

Una cuenca con un factor de forma bajo, esta menos sujeta a crecidas que una de la misma área y mayor factor de forma.

Curva Hipsométrica : es una curva que indica el porcentaje de área de la cuenca o bien l superficie de la cuenca en km2 que existe por encima de una cota determinada.




Pendiente Media de la Cuenca – Criterio de Alvord

Sc=( DA )L(1.3)

Dónde:D=¿ Equidistancias entre curvas de nivelA=¿ Área de la cuenca

L=¿ Longitud total de las curvas de nivel de equidistancia DSe recomienda equidistancias de por ejemplo 100m, ya que menor será el valor de L.

Pendiente Media de la Cuenca – Criterio de Horton




Sx=( N x

Lx)D Sy=( N y

Ly)DSc=

Sx+S y

2(1.4)

Dónde:D=¿ Equidistancia de curvas de nivel (se recomienda D=100m)Lx=¿ Longitud de las cuadriculas sobre la cuenca sobre el eje xN x=¿ Numero de intersecciones o tangencias de las curvas de nivel de equidistancia D al eje xSx=¿ Pendiente de la cuenca en la dirección xSy=¿ Pendiente de la cuenca en la dirección ySc=¿ Pendiente media de la cuenca

Pendiente del Cauce

S=HL

(1.5)

Dónde:H=¿ Desnivel en el cauce principalL=¿ Longitud del cauce principalS=¿ Pendiente del cauce

Sistemas de Drenaje o Sistema de Corrientes Superficiales Orden de las Corrientes de Agua : está dado por el orden del cauce principal según el

siguiente criterio: Corrientes de primer orden corresponden a pequeños canales que no tienen

tributarios. Corrientes de segundo orden corresponden a dos corrientes de primer orden que

se unen. Corrientes de tercer orden corresponden a dos corrientes de segundo orden que

se unen. Corrientes de orden (n + 1) corresponden a dos corrientes de orden “n” que se

unen.Entre más alto sea el orden de la cuenca, más eficiente será el drenaje que drenara

rápidamente el agua.




Relación de Bifurcación : es la relación entre el número de corrientes de cualquier orden u

(Nu ) y el número de corriente en el siguiente orden superior u+1 (Nu+1 ):

Rbu=N u

Nu+1

(1.6)

Densidad de Drenaje : es la relación entre la longitud de las corrientes de agua de la cuenca y su área total:

Dd=L(km)A (km2 )

(1.7)

Cuencas con drenaje pobre → Dd≈50km /km2

Cuencas bien drenadas → Dd≈3,5km /km2

Densidad de Corrientes : es la relación entre el número total de corrientes de la cuenca y su área total:

Dc=N c

A(1.8)

Sinuosidad de las Corrientes de Agua : es la relación entre la longitud del rio a lo largo de su cauce y la longitud del valle medido en línea curva o recta:

S= LLv

(1.9)

Una valor de S≤1,25 indica una baja sinuosidad. Entre más sinuosos sean, las menores sean las velocidades del cauce.

Modelo del Sistema Hidrológico




El objetivo del análisis del sistema hidrológico es estudiar la operación del sistema y predecir su salida. Un modelo de sistema hidrológico es una aproximación al sistema real; sus entradas y salidas son variables hidrológicas mensuradas y su estructura es un conjunto de ecuaciones que conectas las entradas y salidas. Central a la estructura del modelo está el concepto de Transformación del Sistema.Las entradas y las salidas pueden expresarse como funciones del tiempo, I (t) y Q(t ) respectivamente, en donde “t” pertenece al rango de tiempo T en consideración. El sistema realiza una trasformación de la entrada en la salida representada por:

Q (t )=ΩI (t )(1.10)

Esta se conoce como Ecuación de Transformación del Sistema. El símbolo Ω es una función de transformación entre la entrada y la salida. Si esta relación puede representarse mediante una ecuación algebraica, entonces Ω es un operador algebraico.

Q ( t )=C I ( t )(1.11)

Donde C es una constante, entonces la función de transferencia es el operador:

Ω=Q( t)I (t )

=C(1.12)

Si la transformación es descrita por una ecuación diferencial, entonces la función de transferencia sirve como un operador diferencial. Un embalse lineal tiene su almacenamiento “S” relacionado con su caudal de salida “Q” a través de:

S=kQ

Donde “k” es una constante que tiene dimensiones de tiempo. Por consiguiente, la tasa de cambio del almacenamiento con respecto al tiempo “dS /dt” es igual a la diferencia entre la entrada y la salida:

dSdt

=I ( t )−Q (t )→I ( t )=dSdt

+Q (t )(1.13)

Eliminando S de las dos ecuaciones y reordenando tenemos:




I ( t )=kdQdt

+Q (t )→Ω=Q(t)I (t)

= 11+kD

(1.14)

Donde D es el operador diferencial “d /dt”. Si la ecuación de transformación ha sido determinada y puede ser resuelta, se encuentra la salida como función de la entrada. Esta última ecuación describe un sistema lineal si “k” es constante. Si “k” es una función de la entrada I o de la salida Q, entonces esta describe un sistema no lineal que es más difícil de solucionar. La ecuación:

dSdt

=I ( t )−Q (t )(1.15)

Se conoce como Ecuación Fundamental de la Hidrología y establece que “lo que entra menos lo que sale es igual al cambio de almacenamiento”. La ecuación se calcula para un determinado periodo de tiempo y para un volumen de control.Considerando una hoya hidrográfica se tiene que:Entradas I (t )

Precipitación. Escorrentía superficial desde otras hoyas. Importaciones de agua. Aguas subterráneas desde otras hoyas.

Salidas Q ( t ) Evaporación. Transpiración. Escorrentía superficial hacia otras hoyas. Exportaciones de agua. Aguas subterráneas hacia otras hoyas. Infiltración.

Balance Hídrico El concepto de balance hídrico se deriva del concepto de balance de contabilidad, es decir, que es el equilibrio entre todos los recursos hídricos que ingresan al sistema y los que salen del mismo, en un intervalo de tiempo determinado. Sintéticamente puede expresarse por la fórmula:

Estadot+1=Estadot+∑i=1

N

Entradasi−∑j=1

M

Salidas j(1.16)

Para la determinación del balance hídrico, se debe hacer referencia al sistema analizado. Estos sistemas pueden, ser entre otros:




Una cuenca hidrográfica Un embalse Un lago


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