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H i d r o l o g a
Dr. Ing. Mijail Arias Hidalgo, M.Sc.
Captulo I: Ciclo hidrolgico y cuencas hidrogrficas
Introduccin a la Hidrologa. Ciclo del agua. Balance hdrico y modelos hidrolgicos. La cuenca hidrogrfica: caractersticas. Influencia del hombre en el ciclo hidrolgico. Datos hidrometeorolgicos.
Mecnica de Fluidos - Hidrologa Estudio del comportamiento de
los fluidos. Hidromecnica: Fluidos
Esttica - Dinmica de fluidos Hidrologa Hidrulica - Sanitaria: canales y
tuberas
Hidrologa Hidro = agua; logos = descripcin. Ciencias Hdricas: Distribucin y circulacin del agua,
propiedades fsicas y qumicas, interaccin con el medio ambiente y seres vivos.
Relacin con otras ciencias: Meteorologa / Climatologa, Geologa, Geomorfologa, Hidrulica, Oceanografa, Demografa, etc.
Aplicaciones:Diseo y operacin de estructuras hidrulicas.Abastecimiento de agua.Erosin y control de sedimentos.Generacin hidroelctrica.Control de inundaciones.Navegacin.Recreacin Planeamiento.
Agua Recurso ms abundante en el planeta (70%). Planeta Azul!
70% del cuerpo humano.
Base para procesos fsicos y bioqumicos.
3 estados. Diversos ecosistemas: lagos, ros, ocanos,acuferos, etc.
Histricamente: imn para civilizaciones.
Agente contribuyente al desarrollo.
Agente destructivo (culpa del agua?).
La Hidrologa provee conocimiento e informacin
Investigacin del sistema hidrolgico
Anlisis de datos y modelamiento
Gerentes hdricos,
Ingenieros hidrulicos,
ambientales, agrnomos, etc.
Ejemplos donde informacin hidrolgica es requerida
AzudesCompuertas
Diques
Navegacin Irrigacin
Presas, desfogaderos Y hay muchos ms..
Humedales artificiales
Drenaje Urbano
Para manejar recursos hdricos se requiere informacin sobre:
Balance hdrico. Extremos hidrolgicos: probabilidades de ocurrencia
Escenarios para:Cambios en el uso de suelo, Cambios climticos,Estrategias de manejo. E
n
t
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!
La Hidrologa provee conocimiento para tomar buenas decisiones en manejo de recursos hdricos
Tomadores de decisin, expertos en aguas, etc.
Hidrlogo seco Hidrlogo mojado
Modelador Ingeniero de campo
Cmo puede la Hidrologa contribuir a resolver los problemas hdricos?
Intensas inundaciones, sequas, deterioro de la calidad de agua / ecosistema, y efectos de cambio climtico.
Iniciados o facilitados a travs de procesos hidrolgicos. Entender el sistema (modelarlo?) Ciencia interdisciplinaria. Hidrologa como campo de estudio:
para favorecer la vida, civilizacin y el desarrollo sustentable.Recreacin Planeamiento.
Intereses de la ciencia pura
Ingeniera y manejo
prcticos de RRHH
HIDROLOGA
Desarrollo de la hidrologa en el tiempo Siempre ligada al ciclo hidrolgico. Grecia: Homero, Tales de Mileto, Platn, Aristteles. Roma: Lucrecio, Sneca, Plinio. Anaxgoras (500-428 a.C.): Evaporacin, lluvia y acuferos. Teofrasto (372-287 a.C.): Precipitacin va condensacin y
congelamiento. Marco Vitruvio (0 d.C.): Mejoramiento de la teora
Teofrastiana. Concepcin actual del ciclo hidrolgico. Asia: Registro de variables meteorolgicas (1200 - 200 a.C.). China (900 a.C.), India (400 a.C.), Persia (siglo X d.C.). Renacimiento: Observacin. Leonardo da Vinci (1452-1519). Distribucin de velocidad en
un ro. Vastos estudios sobre ingeniera
hdrica.
Desarrollo de la hidrologa en el tiempo
Palissy (1510-1589) demostr que los ros y manantialesprovienen de la lluvia. Creencia: alimentados por el mar!
Perrault (1608-1680). Mediciones de escorrenta. Fraccin delluvia. Transpiracin, evaporacin, desviacin.
Siglo XVIII: Ecuacin de Bernoulli, Chzy.Pluvigrafo y correntmetro.
Dalton (1802). Evaporacin. Hagen-Poiseuille (1839). Flujo capilar. Mulvaney (1850): mtodo racional. Darcy (1856): Flujo en medios porosos. Rippl (1883): Requerimientos de almacenamiento de agua. Manning (1891): Flujo en canales abiertos.
Desarrollo de la hidrologa en el tiempo
Siglo XX: Hidrologa cuantitativa. Green & Ampt (1911): Modelos fsicos de infiltracin. Hazen (1914): anlisis de frecuencia para mximos de
creciente. Richards (1931): flujo no saturado. Sherman (1932): Precipitacin efectiva / escorrenta directa. Horton (1933): Teora de infiltracin / Cuencas de drenaje
(1945). Gumbel: Distribucin para extremos hidrolgicos (1941). Hurst (1951): Tendencias en series de tiempo
hidrometeorolgicas. Fines de siglo XX: Computadores para simulacin de
modelos meteorolgicos y lluvia-escorrenta.
Captulo I: Ciclo hidrolgico y cuencas hidrogrficas
Introduccin a la Hidrologa. Ciclo del agua. Balance hdrico y modelos hidrolgicos. La cuenca hidrogrfica: caractersticas. Influencia del hombre en el ciclo hidrolgico. Datos hidrometeorolgicos.
EL CICLO DEL
AGUA:
NO TIENE INICIO,NI FIN!
http://www.mathe.tu-freiberg.de/~hebisch/cafe/mce/galerie/wasserfall.html
Ciclo hidrolgico: componentes - Hidrsfera
Precipitacin
Evaporacin y Transpiracin
Infiltracin
Escorrenta
Flujo subterrneo
Ciclo hidrolgico: componentes
precipitacinevapotranspiracin
Almacenamiento(Depresin)
intercepcin
Flujo base (subterrneo)
Retencin en la superficieinfiltracin
Intrusin salina
evaporacin
Flujo y almac. en canales
Ascensin capilar
mar
percolacin EscorrentaSup.
Napa fretica
Conceptualizacin del ciclo hidrolgico (V.T. Chow, 1994)
Captulo I: Ciclo hidrolgico y cuencas hidrogrficas
Introduccin a la Hidrologa. Ciclo del agua. Balance hdrico y modelos hidrolgicos. La cuenca hidrogrfica: caractersticas. Influencia del hombre en el ciclo hidrolgico. Datos hidrometeorolgicos.
Teorema de Transporte de Reynolds Todas las leyes bsicas estn desarrolladas para
un sistema cerrado. Conviene ms usar VC para Mecnica de Fluidos. Por qu? TTR: relacin entre razn de cambio de una
propiedad de fluido en un sistema cerrado y elcorrespondiente VC.
B: propiedad extensiva (ej. masa, energa). b: propiedad intensiva: (ej. , cesp) = B / m : velocidad en la CS y es el vector normal a
CS. Demostracin (Curso de Mecnica de Fluidos).
Osborne Reynolds (1842 1912)
( )sissis vc sc
dB d b d b d b V n d Adt dt t
= = +
ur r
Vur
nr
Sistema cerrado vs. Volumen de control
Sist. cerrado y VC en instante t, Ubic,sist = UbicVCSist. cerrado en instante t + t, Ubic,sist = UbicVC - I + II
Entrada
Salida
Teorema de Reynolds (TTR)( )sis
sis vc sc
dB d b d b d b V n d Adt dt t
= = +
ur r
Cambio de propiedad B en el
sistema=
Cambio de propiedad B en el correspondiente
VC (*)+
Tasa a la cual la propiedad B deja / ingresa el / al VC
Qu sucede en flujo permanente? Implicaciones en leyes de conservacin.
Superficie de control
Vur
nVnr
dAc
Teorema de Transporte de Reynolds (TTR)( )sis
vc sc
dB b d b V n d Adt t
= +
ur r
Cambio de propiedad B en el
sistema=
Cambio de propiedad B en el correspondiente
VC+
Tasa a la cual la propiedad B deja / ingresa el / al VC
Ecuacin de Conservacin de: B
b = B / m
Lado Izq.
Masa m 1 0Momentum lineal
Momentum angularEnerga E e, P/+e
Pur
Lur
Vur
r Vr ur
Fur
H W+& &Tur
La superficie a integrar en la ecuacin de la continuidad.
Caudal y flujo msico:
Flujo de masa (cont.)
( )A
m V n dA= ur r
&
0 00 0
0 0
si V n flujo salientem si V n flujo a SC
si V n flujo entrante
> >
= = =
<
Balance hdrico Ecuacin de balance. Ecuacin de Almacenamiento. Reservorios. Ecuacin de la continuidad. Ley de conservacin de la masa (demostracin desde el TTR).
I(t) = ingreso (inflow). O(t) = egreso (outflow). S/t = cambios en el volumen o almacenamiento. Tanto el VC como el t deben estar bien definidos!
Ciclo hidrolgico: balance hdrico
precipitacinevapotranspiracin
Almacenamiento(Depresin)
intercepcin
Flujo base (subterrneo)
Retencin en la superficieinfiltracin
Intrusin salina
evaporacin
Flujo y almac. en canales
Ascensin capilar
mar
percolacin EscorrentaSup.
Napa fretica
Balance hdrico conceptual
Precipitacin, ingreso (hietograma)
Intercepcin
Almacenam.depresiones
Infiltracin
Escorrenta superficial
Flujo en zona no saturada
Recarga de acufero
Acuferos profundos
Recarga a las corrientes
Recarga a las corrientes
Recarga a las corrientes
Hidrograma
Balance hdrico de un reservorio
SP Q E Rt
+ =
Aspectos a considerar: VC claramente definido. ms ingresos /egresos? Unidades apropiadas? Cmo calcular el
volumen S?
Balance hdrico en la zona de racesF + CR ET Per =
Contenido de humedad
Subsuelo
Zona de acuferos
Nivel fretico
F infiltracinET evaporacin
+ transpiracinPer PercolacinCR Ascenso capilar
Zona de races
Balance hdrico en Castricum (NL) en mm (promedio de 25 aos)
Balance hdrico Tipo de uso de suelo P = E + Q + S/tSuelo desnudo 841 201 640 0
Arbustos 841 480 361 0Suelo desnudo 46 33.4 25.9 -13.3
Arbustos 46 66.8 6.8 -27.6Suelo desnudo 91.4 10.9 67.5 13
Arbustos 91.4 27.4 23.7 40.3
Anual
Junio
Octubre
Balance hdrico para flujo subterrneo?F + G1 G2 Rg ET =
G1 = Ingresos laterales al acufero.G2 = Egresos laterales desde el acufero.Rg = Agua subterrnea que alimenta a la corriente superficial (seepage).
En general:
Ecuacin fundamental de la Hidrologa. Base de todo modelamiento hidrolgico.
P R E T G =
Balance hdrico mundial (Trendberth, Smith, et al, 2007)
Ejercicio:Estime el tiempo de residencia de la humedad atmosfricaglobal (UNESCO, 1978), qu puede comentarse sobre elresultado?. Haga lo mismo para el caso del agua contenidaen los ros. Y la incertidumbre?
Modelos hidrolgicos:
Modelos hidrolgicos: Fsicos
Modelos hidrolgicos: fsico-computacionales
Modelos hidrolgicos: fsico-computacionales, agregados vs. distribuidos
HEC-HMS
MIKE-SHE
SWAT
Modelos hidrolgicos: puramente matemticos
Data-driven. Modelos orientados a
datos, black box. Redes Neuronales
(Neural Networks) Modelos hbridos.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-1000
0
1000
2000
3000
Tim e
D
i
s
c
h
a
r
g
e
(
m
/
s
)
Tim e series of target and predic ted discharges(RM SE=59.8975) . Us ing laged discharge plus the 7 prec ipitation s tations
P red ic ted
Target
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000-600
-400
-200
0
200
400
600Error between target and predic ted (NRM SE=18.5165)
Tim e
E
r
r
o
r
Modelos hidrolgicos:
Determinsticos vs. Estocsticos