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Escurrimiento superficial UNIDAD II SEMANAN°7 Prof: Ing. Mg. Abel Carmona Arteaga. Ciclo: [2022-1] Hidrología General LOGRO DE LA SESIÓN “Al término de la sesión de aprendizaje, el estudiante desarrolla una actividad sobre estimación de la escorrentía superficial mostrando dominio técnico, claridad y manejo la terminología estudiada." 1. Definición 2. Componentes 3. Fuentes y tipos 4. Medidas y estimación 5. Hidrogramas AGENDA ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL Conceptos y definiciones Descubrimiento 1. Escurrimiento Figura 1. Ciclo hidrológico. Fuente: https://bit.ly/2Iyf7O7 Es el agua proveniente de la precipitación, circula sobre o bajo la superficie terrestre, y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca. Descubrimiento 1. Escurrimiento Cuando la precipitación llega a la superficie terrestre, se comporta de la siguiente manera: a) Una parte de la precipitación de infiltra: una parte satisface la humedad del suelo, una vez que estas capas se han saturado, el agua subterránea es recargada. b) Escurre sobre la superficie de la tierra: a la precipitación que ocasiona este escurrimiento se llama altura de precipitación en exceso. c) Una pequeña porción se pierde. Descubrimiento 1. Escurrimiento Figura 2. El ciclo hidrológico a nivel de cuenca. Fuente: https://bit.ly/2pgiovd Descubrimiento a) Escurrimiento Superficial Es aquel que proviene de la precipitación no infiltrada y que escurre sobre la superficie del suelo. b) Escurrimiento Subsuperficial Es aquel que proviene de la precipitación infiltrada. El efecto sobre el escurrimiento total, puede ser inmediato o retardado. Si es inmediato se le da el mismo tratamiento que al escurrimiento superficial, en caso contrario, como escurrimiento subterráneo. 2. Tipo de Escurrimiento Descubrimiento c) Escurrimiento Subterráneo Es aquel que proviene del agua subterránea, la cual es recargada por la parte de la precipitación que se infiltra, una vez que el suelo se ha saturado. 2. Tipo de Escurrimiento Descubrimiento Figura 3. Relación entre la precipitación y el escurrimiento total. Fuente: (Villón, 2002). Precipitación Total Infiltración Pérdidas P. Neta o P. En Exceso Escurrimiento Subsuperficial Escurrimiento Subsuperficial Rápido Escurrimiento Subsuperficial Lento Escurrimiento Base Escurrimiento Directo Escurrimiento Subterráneo Escurrimiento Superficial Escurrimiento Total Descubrimiento a) Factores Meteorológicos • Forma y tipo de la precipitación • Intensidad de precipitación • Duración de la precipitación • Distribución de la lluvia en la cuenca • Dirección y velocidad de la tormenta • Otras condiciones meteorológicas 3. Factores que afectan el E.S. Descubrimiento b) Factores fisiográficos • Superficie de la cuenca • Forma de la cuenca • Elevación de la cuenca • Pendiente • Tipo y uso del suelo • Estado de humedad antecedente del suelo Descubrimiento La hidrometría es la rama de la hidrología que estudia la medición del escurrimiento. Aforar una corriente, significa determinar a través de mediciones, el caudal que pasa por una sección dada y en un momento dado. 4. Medición del escurrimiento Descubrimiento MEDICIÓN DEL ESCURRIMIENTO Aforo IndirectosAforo Directos Escalas Limnimétricas Limnígrafos Vertederos Correntómetro o Molinete Volumétrico Químico Flotadores Figura 4. Medición del escurrimiento. 4. Medición del escurrimiento Descubrimiento 4.1 Aforos Directos a) Aforo con flotadores Una forma sencilla de aproximar el valor del caudal de un rio, es realizar el aforo con flotadores. Se mide la velocidad superficial (𝑣) de la corriente y el área de la sección transversal (A), luego se aplica la ecuación de continuidad: 𝑄 = 𝑣 𝐴 Donde: Q: Caudal (m³/s) 𝑣: Velocidad (m/s) A: Área (m²) Descubrimiento Para realizar este aforo, se debe escoger en lo posible un tramo recto del cauce de la longitud L. Figura 5. Tramo de un río adecuado parara aforo con flotadores. Fuente: Villón, M. L A B Descubrimiento Velocidad superficial de la corriente El procedimiento para medir la velocidad es como sigue: • Medir la longitud (L) del tramo AB. • Medir con un cronometro el tiempo (T), que tarda en desplazarse el flotador (botella lastrada, madera, cuerpo flotante natural) en el tramo AB • Calcular la velocidad superficial. 𝑣 = 𝐿 𝑇 Donde: 𝑣: Velocidad (m/s) L: Longitud (m) T: Tiempo (s) Descubrimiento 𝐴 = 𝐴𝐴 + 𝐴𝐵 2 Cálculo del área promedio del tramo: • Calcular el área en la sección A 𝐴𝐴 • Calcular el área en la sección B 𝐴𝐵 • Calcular el área promedio Donde: A: Área promedio 𝐴𝐴: Área en la sección A 𝐴𝐵: Área en la sección B Descubrimiento Cálculo del área en una sección: • Medir el espejo de agua (T) Figura 6. Cálculo del área en una sección. • Dividir (T), en cinco o diez partes (midiendo 0.20, 0.30, 0.50, etc), y en cada extremo medir su profundidad. Figura 7. Cálculo del área en una sección. T h0 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 Descubrimiento • Calcular el área para cada tramo • Calcular el área total en una sección. Figura 8. Cálculo del área en una sección. 𝐴𝑖 = ℎ𝑖−1 + ℎ𝑖 2 𝑇𝑖 𝐴𝐴 =𝐴𝑖 h0 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 T1 T2 T7 Descubrimiento a) Aforo con flotadores Fuente: https://bit.ly/2LYlvRd 4.1 Aforos Directos Descubrimiento b) Aforo volumétrico Este método consiste en hacer llegar la corriente a un deposito o recipiente de volumen (Vol) conocido, y medir el tiempo (T) que tarde en llenarse dicho depósito. Para calcular: • Calcular el volumen del depósito (Vol). • Con un cronometro, medir el tiempo (T), requerido para llenar el depósito. • Calcular el caudal con la ecuación: 4.1 Aforos Directos Descubrimiento b) Aforo volumétrico 𝑄 = 𝑉𝑜𝑙 𝑇 Donde: Q: Caudal (m³/s) Vol: volumen del depósito (m³) T: Tiempo en que se llena el depósito (s) Figura 9. Medición del agua de riego. Fuente: https://bit.ly/2JI2pNu 4.1 Aforos Directos Descubrimiento c) Aforo químico Consiste en inyectar, en el curso de agua que se quiere aforar, el cual tiene un contenido natural de sales de concentración 𝐶0 (gramos de sal por litro de agua), un caudal constante 𝑞 de una solución concentrada 𝐶1 de un producto químico. Esta solución se diluye en el río para dar lugar a una mezcla homogénea de concentración 𝐶2, de la que se puede sacar muestras, aguas abajo. Figura 10. Esquema de la sección de inyección. Fuente: Villón, M. 4.1 Aforos Directos Descubrimiento El caudal se calcula aplicando el principio de conservación de la materia: 𝑄0 = 𝑞 𝐶1 − 𝐶2 𝐶2 − 𝐶0 Donde: 𝑄0: Caudal del curso del agua (m³/s) q: Caudal de inyección de solución (m³/s) 𝐶0: Concentración inicial del agua del río (gr/l) 𝐶1: Concentración de la solución madre (gr/l) 𝐶2: Concentración de la muestra una vez diluida (gr/l) Descubrimiento Para que la ecuación sea válida, es necesario que se cumplan ciertas condiciones: 1. Debe conseguirse que la muestra sea homogénea. (Condición: turbulencia activa en el curso de todo el sector donde se lleva a cabo la medida) 2. Establecimiento rápido de régimen permanente. (Condiciones: renovación rápida de masas de agua, en todos los puntos del sector de medida, debiendo evitarse las aguas muertas) Descubrimiento El colorante debe reunir ciertas condiciones: • Precio razonable • Ser fácilmente soluble, ni corrosivo, ni toxico. • Ser fácil de dosaje y titulación, aún en grandes diluciones. • No debe encontrarse en el curso de agua antes del aforo. • No debe destruirse ni decolorarse, entre el momento de la inyección y el momento del análisis de las muestras. ESTRUCTURA PPTExperiencia Actividades de aplicación colaborativa En un río, se ha descargado una solución de sal con una concentración de 500ppm a un caudal de 0.5 lps. La concentración de sal inicial del río fue de 10ppm. Luego del vertido, se midió la concentración y se obtuvoun valor de 45 ppm. Determine el valor del caudal en el río. Descubrimiento d) Aforo con correntómetros o molinetes Figura 11. Aforo con Molinete (correntómetro). Fuente: https://bit.ly/2qOTdAq 4.1 Aforos Directos Los correntómetros o molinetes miden la velocidad en un punto dado del curso del agua. Esta velocidad es medida en los instrumentos, por medio de un órgano móvil, que se detecta la velocidad de la corriente y transmite las indicaciones de un interruptor encargado de cerrar un circuito eléctrico, cuando ha dado un cierto número de vueltas, sobre un contador (de impulsiones se sonido, señales luminosas, digitales, etc). Descubrimiento Los correntómetros son vendidos con un certificado de calibración, para calcular las velocidades, a partir del número de vueltas por segundo de la hélice determinada. 𝑣 = 𝑎𝑛 + 𝑏 Donde: v: Velocidad de la corriente (m/s) n: Número de vueltas de la hélice por segundo a: Paso real de la hélice (m) b: Velocidad llamada de frotamiento (m/s) Figura 12. Medidores de hélice (correntómetro). Fuente: https://bit.ly/2VpH4Ny Descubrimiento Para un cronómetro OTT-Meter Nº 7569 del Minae, la fórmula para la hélice obtenida en el laboratorio: Para n < 0.57 𝑣 = 0.2358𝑛 + 0.025 Para n ≥ 0.57 𝑣 = 0.2585𝑛 + 0.012 Descubrimiento Condiciones de la sección de aforo Consiste en explotar el campo de velocidades, en la sección en la que se quiere medir el caudal líquido. La ubicación ideal de una sección es: • Los filetes líquidos son paralelos entre si. • Las velocidades sean suficientes, para una buena utilización del correntómetro. • Las velocidades son constantes para una misma altura de la escala limnimétrica. Descubrimiento Formas de aforo 1. A pie, cuando el curso de agua es pequeño, poco profundo y fondo resistente. Figura 13. Aforo a pie. Fuente: https://bit.ly/36tkI2L Descubrimiento 2. A cable, la sección se materializa con un cable tendido de un extremo a otro, y el aforo se hace en bote. Figura 14. Aforo a cable. Fuente: https://bit.ly/2PG70U7 Descubrimiento 3. Sobre una pasarela, pequeños ríos, se coloca una pasarela entre los pilones de un puente. Figura 15. Aforo desde un puente. Fuente: Manual de Hidrometría - Senahmi Descubrimiento Procesos para realizar el aforo Calculo de área transversal 1. Medir el ancho del río (T). 2. Dividir el espejo de agua (T), en un número (N) de tramos, según el Proyecto Hidrometeorológico Centroamericano, la distancia mínima entre verticales: Tabla 1. Distancias mínimas entre verticales recomendadas Fuente: Villón, M. Ancho total mínimo del río (m) Distancia entre verticales (m) Menos de 2 0.20 2 – 3 0.30 3 – 4 0.40 4 – 8 0.50 8 – 15 1.0 15 – 25 2.0 25 – 35 3.0 35 – 45 4.0 45 – 80 5.0 80 – 160 10.0 160 – 350 20.0 Descubrimiento 3. Medir cada vertical, la profundidad h, puede suceder que en los márgenes la profundidad sea cero o diferente de cero. 4. El área de cada tramo, se puede determinar como el área de un trapecio. Si la profundidad en algunos de los extremos es cero, se calcula como si fuera triángulo. Figura 16. Proceso de aforo. Fuente: Elaboración propia Descubrimiento Calculo de velocidad Calcular la velocidad puntual La velocidad en una sección de una corriente varía tanto transversalmente como con la profundidad. Figura 17. Distancias mínimas entre verticales recomendadas. Fuente: Chow, V. v h Descubrimiento Calcular la velocidad promedio en una vertical La distribución de velocidades en una vertical, tiene forma de parábola. Figura 18. Velocidad promedio vertical. Fuente: Chow, V. De la figura: Vs es la velocidad superfical, Vmáx esta ubicada a 0.2 de la profundidad y Vm es la velocidad media vertical. Vs Vmax Vm h 0.2 h 0.6 h Descubrimiento La velocidad media vm en una vertical se puede calcular: Velocidad en un punto 𝑣0.6 la velocidad medida a una profundidad de 0.6 de la profundidad total, medida con respecto a la superficie . 𝑣𝑚 = 𝑣0.6 𝑣𝑚 = 𝑣0.2 + 𝑣0.8 2 Velocidad en dos puntos 𝑣0.2 y 𝑣0.8 la velocidad medida a una profundidad de 0.2 y 0.8 de la profundidad total respectivamente, ambos medidos con respecto a la superficie . Descubrimiento Velocidad en tres puntos 𝑣𝑚 = 𝑣0.2 + 𝑣0.6 + 𝑣0.8 3 𝑣𝑚 = 𝑣0.2 + 2𝑣0.6 + 𝑣0.8 4 Descubrimiento Calculo de caudales El caudal de un río se calcula utilizando las mediciones de velocidad y profundidad. Una línea de marcación se extiende a través de la corriente. 𝑄 =ඵ 𝐴 𝑉 𝑑𝐴 Donde la integral se aproxima sumando los caudales incrementales calculados para cada medición. Descubrimiento 𝑄 = 𝑖=1 𝑛 𝑉𝑖 𝑑𝑖 ∆𝑤𝑖 Figura 19. Calculo del caudal utilizando la información de un aforo Fuente: Chow, V. Descubrimiento a) Escalas limnimétricas Se trata de escalas graduadas en centímetros y firmemente sujetas en el suelo. En cauces muy abiertos suele ser necesario instalar varias de manera que sus escalas se sucedan correlativamente. Figura 20. Escala limnimétrica. Fuente: https://bit.ly/2ASP5RJ 4.2 Aforos Indirectos Descubrimiento b) Limnígrafos Miden el nivel guardando un registro gráfico o digital del mismo a lo largo del tiempo. El gráfico que proporcionan (altura del agua en función del tiempo) se denomina limnigrama. Figura 21. Limnígrafos. 4.2 Aforos Indirectos Descubrimiento c) Vertederos Consiste en interponer una cortina en el cauce con el fin de represar el agua y obligarla a pasar por una escotadura (vertedero) practicando en la misma cortina. Figura 22. Aforo con vertedero. Fuente: https://bit.ly/2odityV 4.2 Aforos Indirectos Descubrimiento Los vertederos, son los dispositivos mas utilizados para medir el caudal en canales abiertos, ya que ofrecen las siguientes ventajas: • Se logra precisión en los aforos. • La construcción de la estructura es sencilla. • No son obstruidos por los materiales que flotan en el agua. • La duración del dispositivo es relativamente larga. Existen varias fórmulas halladas en forma experimental, siendo las siguientes: Descubrimiento 𝑄 = 1.84 𝑏 𝐻 3 2 Vertedero rectangular (de cresta aguda sin contracciones) La ecuación de Francis para este tipo de vertedero es: Donde: Q: Caudal (m³/s) L: Longitud de la cresta (m) h: Carga sobre el vertedero (m) Para 𝐻 < 20%𝑌 𝒃 𝑯 𝒀 Figura 23. Vertedero rectangular Descubrimiento 𝑄 = 1.84 𝐿 − 0.1 𝑛 𝐻 𝐻 3 2 Vertedero rectangular (de cresta aguda con contracciones) La ecuación de Francis para este tipo de vertedero es: Donde: Q: Caudal (m³/s) L: Longitud de la cresta (m) h: Carga sobre el vertedero (m) n: número de contracciones (1 o 2) Figura 24. Vertedero rectangular. 𝑯 𝒃 Descubrimiento Vertedero triangular (de cresta aguda) Se utiliza para medir caudales relativamente bajos. El caudal es proporcional al ángulo 𝜃 y el coeficiente 𝐶𝑑 varía de 0.58 a 0.61. Para 𝜃 = 90° entonces 𝐶2 ≈ 0.593. Donde: Q: Caudal (m³/s) H: Carga sobre el vertedero (m) 𝜃: ángulo del vertedero (rad) Figura 25. Vertedero triangular. Fuente: https://bit.ly/2LXkZ5G 𝑄 = 𝐶𝑑 8 15 tan 𝜃 2 2𝑔𝐻 5 2 𝑯 𝒀 Descubrimiento 𝑄 = 1.4 ℎ 5 2 Vertedero triangular (de cresta aguda) La ecuación para un ángulo α=90º, de la cresta del vertedero: Donde: Q: Caudal (m³/s) h: Carga sobre el vertedero (m) Figura 26. Vertedero triangular. Fuente: https://bit.ly/2p2pWkU Descubrimiento Fuente: https://bit.ly/2AUsBzS c) Vertederos 4.2 Aforos Indirectos Descubrimiento Curva de calibración La curva de calibración (curva de descarga) se construye graficando mediciones sucesivas de caudal y altura de estación en una gráfica. La socavación del lecho de la corriente o el depósito de sedimentos en esta pueden causar cambios en la curva de calibración, de tal manera que el mismo registro de altura de estación produzca un caudal diferente. Descubrimiento Matemáticamente se expresa: 𝑄 = 𝐾 ℎ − ℎ0 𝑏 Donde: Q: caudal (m³/s) K y b: son parámetrosde ajuste h: nivel del agua ℎ0: Nivel al cual el caudal es cero Descubrimiento Descubrimiento CURVA DE DURACIÓN DE CAUDALES: ESTRUCTURA PPTAprendizaje evidenciado TRABAJO PRÁCTICO En los siguientes casos, determine el caudal que fluye por un canal. 𝟐𝐦 𝟐𝟎 𝐜𝐦 𝟏. 𝟒𝟓 𝐦 𝟐𝟎 𝐜𝐦 𝟏. 𝟐 𝐦 Descubrimiento Un hidrograma es la expresión gráfica de 𝑄 = 𝑓 𝑡 . Puede representarse en escalas muy diversas: en el eje de abscisas puede aparecer un intervalo de tiempo de 12 horas o de 2 años. El área comprendida bajo un hidrograma es el volumen de agua que ha pasado por el punto de aforo en el intervalo de tiempo considerado. 5. Hidrogramas Figura 1. Hidrograma Fuente: http://hidrologia.usal.es/temas/Hid_sup_2.pdf Descubrimiento Esto se puede cuantificar de diferentes modos, según el caso: • Si disponemos del dibujo de un hidrograma, planimetramos la superficie comprendida bajo el hidrograma. • Si el fragmento de hidrograma considerado responde a una ecuación, bastará con calcular la integral de dicha ecuación • Si disponemos de una serie de caudales tomados a incrementos de tiempo iguales, el volumen será: 𝑄1∆𝑡 + 𝑄2∆𝑡 + 𝑄3∆𝑡 + ⋯ = 𝑄1 + 𝑄2 + 𝑄3 +⋯ ∆𝑡 Descubrimiento Para comprender la forma de un hidrograma y cómo esta forma es el reflejo de las precipitaciones que han generado esa escorrentía directa, supongamos un experimento de laboratorio en el que producimos unas precipitaciones constantes sobre un canal rectangular y aforamos el caudal a la salida del canal. El hietograma será una banda homogénea, puesto que se trata de una precipitación artificial de intensidad constante. 5.1 Hidrograma de una crecida Figura 2. Hidrograma de una crecida Fuente: https://bit.ly/2IkhDZl Descubrimiento El intervalo de 𝑡0 a 𝑡1 es igual al intervalo de 𝑡2 a 𝑡3: ambos son el tiempo que tarda en llegar a la salida una gota caída en el punto más alejado de ésta. A partir de 𝑡1 , el caudal se mantendrá constante (e igual a la intensidad de precipitación que está cayendo sobre el canal). En una cuenca real se llama tiempo de concentración y es un parámetro fundamental en el estudio del comportamiento hidrológico de una cuenca. 𝑡𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑡𝑝 + 𝑡𝑐 Donde: 𝑡𝑏𝑎𝑠𝑒: tiempo base del hidrograma 𝑡𝑝: Duración de la precipitación 𝑡𝑐: Tiempo de concentración Descubrimiento Si repitiéramos la experiencia con un recipiente en forma similar a la de una cuenca real, el hidrograma obtenido sería como se muestra en la figura, lo que ya es similar a un hidrograma de crecida real. Figura 3: Hidrograma de una crecida (Cuenca) Fuente: https://bit.ly/2IkhDZl En el primer Δt llegaría el agua caída en la primera banda, en el 2º Δt llegaría el agua caída en las bandas 1ª y 2ª, etc. En el 9º Δt y sucesivos llegaría el agua caída en toda la cuenca. Descubrimiento Un hidrograma de crecida tendría esquemáticamente la forma que se presenta en la figura. En el hietograma distinguimos las precipitaciones retenidas o infiltradas (“abstracciones”) de las que producen escorrentía directa, que denominamos precipitación neta o efectiva. Figura 4. Hidrograma de crecida Fuente: https://bit.ly/2IkhDZl Descubrimiento Consiste en distinguir qué parte del caudal es debido a escorrentía básica y qué parte a escorrentía directa. 5.2 Separación de componentes Figura 5. Hidrograma de crecida Fuente: https://bit.ly/2IkhDZl En este aspecto tendrá una importancia fundamental la geología de la cuenca. Si es impermeable será proporcionalmente mayor la parte correspondiente a escorrentía directa. Descubrimiento Es la parte de un hidrograma en que el caudal procede solamente de escorrentía básica. En ese apartado nos referimos al caso de que la escorrentía básica se deba exclusivamente a escorrentía subterránea. 5.3 Curva de agotamiento de un hidrograma Figura 6. Curva de agotamiento Fuente: https://bit.ly/2IkhDZl Descubrimiento La ecuación que refleja la curva de agotamiento es: 𝑄𝑡 = 𝑄0𝑒 −𝛼𝑡 Donde: Q0: Caudal en el instante inicial 𝑡0 Q𝑡: Caudal en el instante t t: Tiempo que ha transcurrido desde 𝑡0 α: Constante, que depende del cuerpo de material poroso que estamos considerando. Descubrimiento En un hidrograma cualquiera, dicha área debe ser planimetrada. Pero en este caso, como este hidrograma tiene una ecuación, el área bajo la curva puede ser calculada analíticamente mediante su integral. 𝑉 = න 0 ∞ 𝑄0 𝑒 −𝛼𝑡𝑑𝑡 = Q0 𝛼 Un hidrograma es la expresión de Q𝑡en función de t (el tiempo). Si, en vez de eso, dibujamos el logaritmo de Q𝑡 en función de t la curva de agotamiento aparecerá como una recta, siendo ‐α log e la pendiente. Descubrimiento El valor de la constante α es constante y característico de una cuenca. El valor de Q0 variará en la misma cuenca, dependiendo de los niveles de los acuíferos de la cuenca (más o menos llenos). Figura 7. Curva de agotamiento Fuente: https://bit.ly/2IkhDZl ESTRUCTURA PPTAprendizaje evidenciado TRABAJO PRÁCTICO De manera individual, resuelva los ejercicios adjuntos en el aula virtual. Interés del curso Hidrología General ¿Por qué es útil medir la escorrentía superficial? Bibliografía • Chow, V. T. (1994). Hidrología Aplicada. Colombia: McGraw-Hill. • Villón, M. (2002). Hidrología. Perú: MaxSoft Gracias!!!!! Prof: Ing. Mg. Abel Carmona Arteaga.
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