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Introducción a la Hidrología

ALCANCE

CICLO HIDROLÓGICO

SISTEMA HIDROLÓGICO

BALANCE HIDROLÓGICO

VARIABLES

RESPUESTA DE LA CUENCA

DEFINICIÓN

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Importante

El análisis hidrológico es fundamental para el diseño y operación de obras para el aprovechamiento, control y conservación del agua.

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DEFINICIÓN

Conocer la importancia de la hidrología, así como los parámetros fundamentales que intervienen en el ciclo hidrológico.

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HIDROLOGÍA

Es la ciencia que estudia el agua, y sus manifestaciones en la atmósfera, sobre y debajo de la superficie terrestre; sus propiedades y sus interrelaciones naturales.

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ALCANCE HIDROLÓGICOEl análisis hidrológico, varía en función del sistema hidráulico a diseñar. Sin embargo, los principios de dicho análisis se mantiene invariable. Un proyecto de usos múltiples incluye los siguientes puntos:

-Abastecimiento de agua para población e industria.

-Manejo de las planicies inundables y reducción de daños.

-Generación de energía hidroeléctrica.

-Navegación, riego y drenaje.

-Manejo de cuencas con fín agrícola, icluyendo la conservación de suelo y agua, y control de la erosión.

-Mejoramiento de la calidad del agua para el control de la contaminación.

-Recreación y pesquería.

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OBJETIVO DEL ANÁLISIS HIDROLÓGICO

El objetivo del análisis hidrológico consiste en encontrar un equilibrio entre las variables hidrológicas y su efecto que ocasionarían en el medio ambiente.

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CICLO HIDROLÓGICO

SISTEMA HIDROLÓGICO

BALANCE HIDROLÓGICO

VARIABLES

RESPUESTA DE LA CUENCA

CICLO HIDROLÓGICO

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CICLO HIDROLÓGICOConjunto de fenómenos que transforman el agua de una fase en otra y su movilización de una localidad a otra.

AGUA SALADA

HU

ME

DA

D D

EL

S

UE

LO

NUBES Y VAPOR DE AGUA

EVAPORACIÓN

EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN

INTERCEPCIÓN

INFILTRACIÓNPERCOLACIÓN

OCEANO

EMBALSE ESCURRIMIENTO

ESCURRIMIENTO

LAGO

ZONA DE SATURACIÓN

PERCOLACIÓN PROFUNDA

NIEVE

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ANÁLISIS DEL CICLO HIDROLÓGICO

La humedad atmosférica se desplaza sobre la superficie de la tierra en forma de lluvia, granizo, nieve o rocío. En el ciclo hidrológico se observan seis (6) fenómenos básicos.

1. Precipitación: Proveniente de la evaporación de los Océanos y del suelo, pasando a ser parte de la atmósfera, ascendiendo y trasladándose hasta que precipita a la tierra.

2. Intercepción: Porción de lluvia detenida sobre la vegetación, para retornar a la atmósfera por evaporación.

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3. Evaporación: Porción de agua que llega a la superficie o al cauce directamente y regresa a la atmósfera por el proceso de evaporación.

4. Escurrimiento: porción de lluvia que se desplaza a lo ancho de la superficie.

5. Infiltración: Parte de la lluvia y escurrimiento que se infiltra dentro del suelo, humedeciendo la zona radicular de las plantas y que puede percolar hacia zonas profundas para ser almacenada como agua subterránea o llegar al cauce como escurrimiento.

6. Transpiración: Porción del agua infiltrada que retorna a la atmósfera como transpiración desde la superficie foliar de las plantas.

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CAPACIDAD DE CAMPO (CC)Es la máxima cantidad de agua retenida como humedad del suelo, en la zona de aereación o zona no saturada. Cuando se alcanza esta capacidad se inicia la percolación hacia la zona saturada.

Punto de marchitez permanente (pmp)

Es la representación de la humedad del suelo por debajo del cual las plantas ya no pueden extraer más agua.

Humedad disponible de suelo (HD):

100P

HD r pmpCC

Pr = Profundidad del estrato

= Peso específico relativo

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Valores típicos del contenido de humedad para varios tipos de suelos

Tipo de suelo

Porcentaje del peso seco del suelo Peso específico

Capacidad de campo

Punto de marchitez

Agua disponible

Kg / m3

Arena 5 2 3 1.520

Tierra arenosa 12 5 7 1.440

Tierra 19 10 9 1.360

Tierra limosa 22 13 9 1.280

Tierra arcilla 24 15 9 1.280

Arcilla 36 20 16 1.200

Materia orgánica

140 175 65 400

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Modelo conceptual del ciclo hidrológico, en el cual se pueda obtener un análisis cuantitativo.

Flujo total

PrecipitaciónEvaporación

Flujo Superficial Qs

Infiltración

Percolación

Flujo base

Almac. canalAlmacenaje subterraneo

w

Ascenso capilar

Zona de Aereación

Zona superficial

Zona de Saturación

Cap. de campo

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RESPUESTA DE LA CUENCA

Parámetro

Hidrológico

Intensidad de la lluvia

Menor que la tasa de infiltración

Menor que la tasa de infiltración

Mayor que la tasa de infiltración

Mayor que la tasa de infiltración

Humedad del suelo

Infiltración acumulada menor que capacidad de

campo

Infiltración acumulada mayor que capacidad de

campo

Infiltración acumulada menor que capacidad de

campo

Infiltración acumulada mayor que capacidad de

campo

Escorrentía superficial

No No Si Si

Aumento del flujo

No Sólo flujo

subterráneoSólo escorrentía

superficial

Escorrentía superficial y flujo

subterráneo

t

Q

t

Q

t

Q

t

Q

La respuesta de la cuenca varía de acuerdo con la intensidad y duración de la lluvia y de las condiciones previas de la cuenca

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SISTEMA HIDROLÓGICO

El sistema hidrológico podría definirse como una estructura o volumen en el espacio, rodeado por un límite, al cual entran variables, opera internamente sobre ellas, y produce variables de salida, que pueden ser de la misma naturaleza que las de entrada, pero de diferente magnitud.

Representación esquemática del sistema hidrológico.

Operador

(t)

Entrada Salida

I(t) Q(t)

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El proceso lluvia - escorrentía de una tormenta puede representarse desde el punto de vista del sistema hidrológico.

Superficie de la cuenca [(t)]

Q(t) = caudal

Proyección horizontal

Divisoria de la

cuenca

I(t) = Precipitación

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-El límite del sistema se traza como una proyección de la divisoria verticalmente hacia arriba y hacia abajo del plano horizontal.

-El proceso de entrada I(t) es la precipitación, distribuida en el plano superior.

-El caudal Q(t) es el proceso de salida de la cuenca.

-La función de transferencia (t), transforma el proceso de entrada.

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Modelo del sistema hidrológico

Es una aproximación del sistema real, sus entradas y salidas son variables hidrológicas mensurables, y su estructura, un conjunto de ecuaciones de transferencia que transforman las variables de entrada en las de salida.

Q(t), I(t): Funciones de entrada y salida respectivamente

: Operador de la función transferencia

Si la relación es algebraica entonces:

)t(I)t(Q

C

Q(t) = I(t)

Q(t) = C I(t)

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Al describir la transformación mediante una ecuación diferencial, el operador sería diferencial como por ejemplo la relación entre el almacenamiento S y la descarga Q de un embalse lineal.

QKS

K = Constante con unidades de tiempo

)t(Q)t(Idtds

Combinando estas ecuaciones se tiene que:

DK11

)t(I)t(Q

)t(I)t(Q

dtdQ

K

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Los procesos hidrológicos por lo general son aleatorios y su magnitud varía con el tiempo y el espacio, por lo que resulta difícil el desarrollo de modelos. En consecuencia se requiere, previo al desarrollo del modelo, dar respuesta a tres interrogantes, en relación con las variables que intervienen en el modelo.

-¿Son aleatorias o no?-¿Son constantes en el tiempo o varían?-¿Son uniformes en el espacio o varían?

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CLASIFICACIÓN DE LOS MODELOS HIDROLÓGICOS DE ACUERDO CON SU ALEATORIEDAD Y SU VARIABILIDAD EN EL TIEMPO Y EN EL ESPACIO.

PERMANENTE

SISTEMA

f [aleatoridad, espacio,tiempo]

DETERMINÍSTICO

AGREGADO DISTRIBUIDO

NO PERMANENTE

PERMANENTE

NO PERMANENTE

ESTOCÁSTICO

INDEPEND. EN EL ESPACIO

INDEPEND.TIEMPO

CORRELAC. TIEMPO

CORRELACIONADO EN EL ESPACIO

INDEPEND.TIEMPO

CORRELAC. TIEMPO

SALIDAENTRADA

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BALANCE HIDROLÓGICOEl agua en uno o varios procesos del ciclo hidrológico, es usualmente evaluada mediante la siguiente ecuación diferencial:

dt

dSOI

I = aporte o afluente por unidad de tiempo

O = descarga o efluente por unidad de tiempo

dt

dSCambio de almacenaje por unidad de tiempo

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La expresión de cambio de almacenamiento permite plantear el balance hidrológico de la tierra. Para ello, se representa los procesos del ciclo hidrológico mediante las variables que se muestra en el esquema.

TgEsP

R2

G2

G1

R1

Rg

I

Eg

Ts

ROCA MADRE

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-Balance hídrico sobre la superficie.

P + R1 - R2 + Rg - Es - Ts - I = Ss

-Balance hídrico debajo de la superficie.

I + G1 – G2 – Rg – Eg – Tg = Sg

-Balance total de la tierra.

P – (R2 – R1) – (Es + Eg) – (Ts + Tg) – (G2 – G1) = (Ss + Sg)

P = Precipitación

R = Flujo superficial

G = Flujo subterraneo

E = Evaporación

T = Transpiración

S = Almacenaje

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Al eliminar los subíndices y hacer referencia a la lluvia total y a los valores netos queda:

P – R – G – E – T = S

En la práctica se engloba E y T en el término de evapotranspiración (ET), y el caudal (Q) medido en una cuenca está constituido por R y G, con lo que se puede simplificar aun más la ecuación hidrológica.

P – Q – ET = S

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Resumen

-El análisis hidrológico es aplicable en todos los proyectos de obras civiles, en los que se requiera realizar un balance hidrológico.

- El análisis hidrológico es fundamental para el diseño y operación de obras para el aprovechamiento, control y conservación del agua.

-En todas las cuencas hidrográficas independientemente de su tamaño se puede analizar el proceso lluvia escorrentía desde el punto de vista de sistema hidrológico.