CAPITULO 3

ESCORRENTIA SUPERFICIAL

La escorrentía es aquella parte de la precipitación que se manifiesta más tarde como corriente de superficie en un río permanente o intermitente

régimen natural

embalse

trasvase

La estadística que se registre en el punto de salida debe corregirse con la operación del embalse (balance) y los caudales de trasvase

Clasificación de la Escorrentía

Precipitación directa sobre los cauces y sus afluentes

Flujo superficial

Escorrentía Subterránea

Escorrentía total

Escorrentía subsuperficial

La escorrentía superficial está constituida por aquella parte de la precipitación que escurre superficialmente sobre el cauce principal de la cuenca. Antes de que esta parte de la precipitación se incorpore a un cauce natural de cualquier magnitud, la lámina de agua que escurre superficialmente se denomina

usualmente flujo superficial.

E. Superficial= precipitación - infiltración - intercepción - almacenamiento superficial

Durante una lluvia, se manifiesta más pronto en los cauces y constituye el principal componente en el hidrograma de la crecida producida por la lluvia.

La escorrentía subsuperficial o flujo intermedio es aquella parte de la escorrentía total que se debe a la precipitación que se infiltra, y que luego escurre lateralmente a través de los primeros horizontes de suelo por encima de la napa subterránea, hasta incorporarse eventualmente a los cauces superficiales de drenaje.

La estructura geológica de la cuenca condiciona la magnitud y distribución en el tiempo de este componente. La presencia de un horizonte relativamente impermeable y cercano a la superficie, favorece extraordinariamente la existencia del flujo subsuperficial.

flujo subsuperficial "rápido"

flujo subsuperficial "lento".

La escorrentía subterránea es aquella parte de la escorrentía total debida a la percolación profunda de la lluvia o del agua de derretimiento de la nieve, que se incorpora de este manera al agua subterránea.

Se manifiesta con mucha mayor lentitud que los otros componentes y su efecto es también más prolongado debido a la lentitud de los escurrimientos subterráneos. En una crecida por lo tanto, el efecto de la escorrentía subterránea no es de gran importancia.

geología de la cuenca desfase en el tiempo y la magnitud del aporte

escorrentía total =escorrentía directa + flujo base

aquella que se incorpora rápidamente al río poco después de la lluvia o del derretimiento de nieves

escorrentía superficial, el flujo intermedio rápido y la precipitación sobre los cauces.

queda condicionado principalmente por el aporte del agua subterránea al río. Se mantiene durante el período sin lluvias. También el flujo intermedio lento puede o no formar parte del flujo base.

precipitación o (lluvia) en exceso: aquella parte de la precipitación total que contribuye directamente a la escorrentía superficial

precipitación total menos abstracción inicial (intercepción, almacenamiento superficial) evapotranspiración e infiltración.

Aquella parte de la precipitación que contribuye enteramente a la escorrentía directa se denomina precipitación (o lluvia) efectiva.

precipitación en exceso y aquella parte de la precipitación que se convierte rápidamente en escorrentía superficial.

Precipitación total

Abstracción Inicial+

Evapotranspiración Infiltración

Precipitación en Exceso

Escorrentía Superficial

Escorrentía Subsuperficial

Percolación Profunda

Percolación Profunda

Escorrentía Subsuperficial

Escorrentía Superficial

Escorrentía Subterránea

Flujo IntermedioRápido

Flujo IntermedioLento

Flujo baseEscorrentía

Directa

EscorrentíaTotal

Factores que afectan la Escorrentía

factores climáticos

factores fisiográficos

factores de vegetación

precipitación, evaporación y transpiración

forma (lluvia, nieve, helada, etc.) tipo (convectiva, orográfica, ciclónica), intensidad, duración, distribución espacial y temporal, frecuencia, y dirección del movimiento de la tormenta

régimen de temperaturas, vientos, humedad, presión atmosférica, calidad del agua y naturaleza de la superficie evaporante

Régimen de

temperatura,

radiación solar,

vientos, humedad

del aire y del

suelo y tipos de

vegetación.

propiedades geométricas (tamaño, forma, y densidad de

drenaje), propiedades físicas (uso de la tierra, condiciones

de infiltración, tipos de suelos, características geológicas

(permeabilidad, rendimiento y retención específica) y topográficas

(pendiente, orientación, elevación, etc.).

características de la cuenca

características de los cauces

propiedades hidráulicas (tamaño y forma de las secciones, pendientes, rugosidades) longitud de los tributarios y efectos de remansos y torrentes.

procesos de detención, intercepción y transpiración. Intervienen el tipo de vegetación, su composición, edad, densidad, época del año, etc.

Regímenes de Gastos en un Río

Regímenes Simples Regímenes Mixtos

Glacial

Nival

Pluvial

nivo-glacial Nivo-pluvial

Pluvio-nival

Regímenes Complejos

Presentación de datos de Escorrentía

unidades

m3/s l/s. m3/s/km2

l/s/Há

lámina de agua, cm o mm

dimensionamiento de obras

comparación de regímenes hidrológicos

el estudio de relaciones precipitación-escorrentía o en balances hidrológicos de cuencas

en una estación fluviométrica

Gastos medios diarios

altura limnimétrica media + la curva de descarga. • Si gasto durante el día varía considerablemente: 2 o

3 lecturas diarias para obtener un promedio significativo.

• Si curvatura de la curva de descarga es grande, será necesario promediar los respectivos gastos parciales.

• Si limnígrafo, será posible obtener un gasto medio diario más representativo al considerar todas las variaciones que han ocurrido en los gastos instantáneos.

Tablas o gráficos cronológicos

Gastos medios mensuales

Tablas o gráficos cronológicos

año promedio año normal año seco año húmedo

curvas de variación estacional

CURVA DE VARIACION ESTACIONAL

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Novie,vre Dicie,bre Enero Febrero Marzo

Q (

m3/

s) 5%

15%

70%

Gastos medios anuales o módulos

promedio aritmético de los gastos medios mensuales, ponderando de acuerdo al número real de días de cada mes

hidrograma Zona del máximo

Curva de concentración

Curva de recesión

Q

t

Gastos extremos

• gastos mínimos y máximos ocurridos en cada mes

• gasto mínimo y máximo ocurrido en cada año

Curva de gasto o volúmenes acumulados

dt Q(t) =Vt

0

t

v

Curvas de gastos clasificados o CURVAS DE DURACIÓN y su uso

Una curva de duración es una distribución de frecuencia acumulada que indica el porcentaje del tiempo durante el cuál los caudales han sido igualados o excedidos

gastos medios diarios

gastos medios semanales

gastos medios mensuales

gastos medios de cualquier otro intervalo de tiempo

• permiten determinar la seguridad de abastecimiento de agua potable en un intervalo de tiempo determinado

• se puede calcular, en promedio, el número de días en un año en que el caudal en un río será tal que no permita que los vehículos lo crucen por un badén; esto permite hacer estudios económicos sobre la factibilidad de construcción de un puente o de operación de un balseadero en los días de crecidas

• permite hacer estudios preliminares sobre capacidades de plantas hidroeléctricas, estudios de calidades de agua o de capacidad de absorción de determinados contaminantes en un río y también estudios preliminares de sistema de riego

• permiten determinar la seguridad de abastecimiento de agua potable en un intervalo de tiempo determinado

• se puede calcular, en promedio, el número de días en un año en que el caudal en un río será tal que no permita que los vehículos lo crucen por un badén; esto permite hacer estudios económicos sobre la factibilidad de construcción de un puente o de operación de un balseadero en los días de crecidas

• permite hacer estudios preliminares sobre capacidades de plantas hidroeléctricas, estudios de calidades de agua o de capacidad de absorción de determinados contaminantes en un río y también estudios preliminares de sistema de riego

• se ordenan los caudales de acuerdo a su magnitud

• se calcula el porcentaje de tiempo durante el cual ellos fueron igualados o excedidos

el método del año calendario

el método del período total.

se llevan a un gráfico los caudales en las ordenadas y número de orden o probabilidad de excedencia en abscisas.

#orden año 1 año 2..... año n Promedio

1 40 35 100 65

2 25 32 84 54... 365 0,2 0,01 5 1,2

Pexc= #orden/#total

Weibull

Agrupa los caudales en clases de acuerdo con su magnitud.

Los totales para cada año se acumulan y se les calcula una probabilidad de excedencia

• Todos los años con registros completos se pueden utilizar para preparar curvas de duración a pesar de que esos años no sean consecutivos

• Los años con registros incompletos deben ser excluidos

• los años que se utilicen deben corresponder a condiciones similares en la cuenca en lo que se refiere a almacenamiento artificial, extracciones o cualquier otra influencia de la mano del hombre

LIM ITES DE CLASES PARA ELABORAR UNA CURVA DE DURACION

RANGO DEGASTOS M EDIOS

DIARIOS

1 ciclo 2 ciclos 3 ciclos 4 ciclos 5 ciclos

1011121314151618202224262830333640455055606570758090100

1012141720253035404550607080100120etc.

101520253040506080100150etc.

10152030405070100150etc.

101520305070100150etc.

El método del año calendario da valores menores para los caudales altos y valores mayores para los caudales bajos que el método del período total.

CURVA DE DURACION CAUDALES MEDIOS DIARIOS. MAPOCHO EN LOS ALMENDROS

0,1

1

10

100

1000

PROBABILIDAD (%)

Qm

d (

m3

/s)

0,01 1 20 50 70 90 95 99

Serie Qmax Qmin

(m3/s) (m3/s) Qmd 200 1Qmm 31 1,5 Qma 14 2,7

HIDROMETRIA

• La Hidrometría se encarga de medir, registrar, calcular y analizar los volúmenes de agua que circulan en una sección transversal de un río, canal o tubería; pertenecientes a un pequeño o gran sistema de riego en funcionamiento.

IMPORTANCIA DE LA HIDROMETRIA

• La hidrometría aparte de medir el agua, comprende también el planear, ejecutar y procesar la información que se registra de un sistema de riego, sistema de una cuenca hidrográfica, sistema urbano de distribución de agua. En el contexto del Ingeniero de conservación de Suelos y Agua, la hidrometría tiene dos propósitos generales (ver esquema anexo 01):

• Conocer el volumen de agua disponible en la fuente (hidrometría a nivel de fuente natural).

• Conocer el grado de eficiencia del aprovechamiento (hidrometría de operación).

DEFINICIONES BASICAS•Red Hidrométrica.Es el conjunto de puntos de medición del agua estratégicamente ubicados en un sistema, de tal forma que constituya una red que permita interrelacionar la información obtenida.•Puntos de Control.Son los puntos donde se registran los caudales que pasan por la sección.Los puntos de control son de gran variedad de tipos, como: estaciones hidrométricas en el río, la presa de almacenamiento, las compuertas de la estructura de captación o de toma, las obras de toma del canal principal, las caídas, vertedero, medidor Parshall, etc. •Registro.Es la colección de todos los datos que nos permiten cuantificar el caudal que pasa por la sección de un determinado punto de control.El registro de caudales y volúmenes de agua se ejecuta de acuerdo a las necesidades de información requeridas para la gestión del sistema. Los registros se efectúan en el momento de realizar el aforo o mediciones en miras o reglas, dependiendo del método de aforo.

REGISTROS

• Registro de los caudales en ríos de la cuenca hidrográfica.

• Registro de salidas de agua de los reservorios.• Registro de caudales captados y que entran al

sistema de riego.• Registro de distribución de caudales de agua en

canales del sistema de riego.• Registro de caudales entregados para el riego en

parcela.

Medición de agua.•La medición del caudal o gasto de agua que pasa por la sección transversal de un conducto (río, riachuelo, canal, tubería) de agua, se conoce como aforo o medición de caudales. Este caudal depende directamente del área de la sección transversal a la corriente y de la velocidad media del agua. •La fórmula que representa este concepto es la siguiente:Q = A x V (1)

Donde:Q = Caudal o Gasto.A = Área de la sección transversal.V = Velocidad media del agua en el punto.

Métodos de Medición

• Velocidad y sección • Estructuras Hidráulicas• Método volumétrico• Método químico• Método combinado. Calibración de

compuertas

Velocidad y sección.

Generalmente el caudal Q se expresa en litros por segundo (L / s) o en metros cúbicos por segundo m3/s.En la ecuación si Q el caudal se expresa en m3/s, A se expresa en m2 y v en m / s, V se expresa en m3 y T que es el tiempo en seg.Es fácil convertir m3/s a L / s, sabiendo que un m3 equivale a 1,000 litros.L / s, se puede expresar también como LPS (litros por segundo).El problema principal es medir la velocidad media en los canales o causes ya que la velocidad varia en los diferentes puntos al interior de una masa de agua.Los métodos mas conocidos para medir velocidad son los siguientes:•Método del correntómetro.•Método del Flotador.•Método usando dispositivos especiales tales como: vertederos y canaletas (parshall, trapezoidal, sin cuello, orificio, etc.).

Método del Correntómetro.

• La velocidad del agua se mide por medio de un instrumento llamado correntómetro que mide la velocidad en un punto dado de la masa de agua.

• Existen varios tipos de correntómetros, siendo los mas empleados los de hélice de los cuales hay de varios tamaños; cuando más grandes sean los caudales o más altas sean las velocidades, mayor debe ser el tamaño del aparato.

• Cada correntómetro debe tener un certificado de calibración en el que figura la formula para calcular la velocidad sabiendo él numero de vueltas o revoluciones de la hélice por segundo.

Figura 2. Sección de un cauce natural

Figura 3. Molinete utilizado en la medición

de la velocidad del agua.

Figura 4. Estación de registro, limnígrafo

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LIMNÍMETROS

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LIMNÍGRAFROS

Método del Flotador El método del flotador se utiliza cuando no se tiene equipos de medición y para este fin se tiene que conocer el área de la sección y la velocidad del agua, para medir la velocidad se utiliza un flotador con el se mide la velocidad del agua de la superficie, pudiendo utilizarse como flotador cualquier cuerpo pequeño que flote: como un corcho, un pedacito de madera, una botellita lastrada, Este método se emplea en los siguientes casos:•A falta de correntómetro.•Excesiva velocidad del agua que dificulta el uso del correnmetro.•Presencia frecuente de cuerpos extraños en el curso del agua, que dificulta el uso del correntómetro.•Cuando peligra la vida del que efectúa el aforo.•Cuando peligra la integridad del correntómetro.Él calculo consiste en

Q = A x v v = e / t

v es la velocidad en m / se espacio recorrido en m del flotadort tiempo en segundos del recorrido e por el flotador A Área de la sección transversalQ Caudal

Estructuras hidrométricas.

•Orificio. •La ecuación general del orificio es

Q=CA (2gh)1/2

Q = Caudal

C = Coeficiente.

A = Área

G = gravedad

h = tirante de agua

Vertedero

Pueden ser de descarga libre o ahogada, de cresta delgada o anchaLa ecuación general de los vertederos es:

Q = K L HNdonde:Q = Caudal, K, N = coeficiente; L = Longitud de crestaH = tirante de agua

Método Volumétrico•Se emplea por lo general para caudales muy pequeños y se requiere de un recipiente para colectar el agua. El caudal resulta de dividir el volumen de agua que se recoge en el recipiente entre el tiempo que transcurre en colectar dicho volumen.

Q = V / T

Q Caudal m3 /s

V Volumen en m3

T Tiempo en segundos

Materiales y Metodología:1) Recipiente (por ejemplo: balde o tobo u otro recipiente) del cual es imprescindible saber la capacidad de contención. Dicha capacidad se estima en litros.2) Un tubo o canalete. Se recomienda que el tamaño del tubo facilite su transporte manual.3) Un reloj con segundero.

Con los materiales a la mano, se escoge un punto del curso de agua donde la corriente no sea fuerte.En el lugar escogido, se hace un dique rústico para represar agua. Es posible que cerca de la corriente de agua hayan piedras, palos y hojas, de árboles. Con estos recursos naturales se puede levantar el pequeño dique.El tubo se introduce o empotra en el dique para que el agua salga por ese ducto. Hay que evitar en lo posible grandes fugas de agua por el borde del tubo adherido al dique.En la boca del tubo por donde sale agua se coloca el recipiente a llenar y al mismo instante se observa el tiempo de duración de llenado del recipiente.Es importante tener la observación aguda en este momento para dar la mayor exactitud en el registro del tiempo.Ahora prosigue la sección de cálculo numérico: la división. Se divide la capacidad del recipiente entre el tiempo que registró el llenado. El resultado o cociente de la operación indica cual es el caudal del curso de agua.En términos de notación esquemática la operación es: capacidad = C; tiempo = T; caudal = Q. Entonces: Q= C/T (C dividido entre T). Como ejemplo, resolvamos un problema ciñiéndonos a la fórmula para conocer el caudal aproximado: C= 12 litros; T= 5 minutos; Q =? Litros por segundo. El resultado de dividir 12 litros entre 5 minutos es igual a 2,4 litros por segundos. Tenemos determinado que Q es igual a 2,4 litros por segundo. Es necesario reiterar que con el Método Volumétrico se logran cifras aproximadas del aforo de un caudal de agua. Para adquirir mejor representatividad del aforo, las muestras de agua pueden registrarse de varios sectores de la corriente. Dichas muestras se promedian haciendo la suma de todas las mediciones registradas, y dividiendo la suma total entre el número de aforos realizados.Otra recomendación para indagar el comportamiento del caudal de la corriente de agua es efectuar los aforos en distintas épocas del año, tanto en sequía como en invierno.

Sección de Medición

• El lugar donde se va ha efectuar la medición se conoce como la sección transversal del curso de agua y donde se va medir la velocidad del agua, esta debe estar emplazada en un tramo del cauce o canal donde el flujo de agua tenga las siguientes características:

– Los filetes líquidos son paralelos entre sí – Las velocidades son suficientes para una buena utilización del

correntómetro, en caso de utilice este instrumento.– Las velocidades son constantes, para una misma altura del tirante de

agua.

• La primera característica exige a su vez:» Un tramo recto de cauce, que sus márgenes sean rectas y paralelas.» Un lecho estable, y » Una sección transversal de flujo relativamente constante a lo largo

del tramo recto.

Calibración de la Sección• Tanto el área de la sección como la velocidad del agua

pueden variar con los cambios de altura en el nivel del agua, si hacemos esto en una sección adecuada, esta relación es generalmente fija, circunstancia que podemos aprovechar para que, una vez conocida esta relación entre nivel del agua, sección transversal y velocidad, puedan obtenerse y registrarse los caudales mediante una escala de alturas, que indica la variación del caudal.

• Cuando una sección esta calibrada significa que se conoce la variación de la altura del nivel del agua y el caudal, para el caso de medidores y vertederos existen las formulas en función a la altura y en los casos de los ríos y canales se tienen las curvas de calibración llamadas ( h – Q.), en el grafico No 2 tenemos la relación de altura y caudal

CURVA GASTO

55

Caudales (m3/s, L/s). Aunque se trata de un dato instantáneo, pueden referirse al valor medio de distintos periodos de tiempo:

Caudales diarios: pueden corresponder a la lectura diaria de una escala limnimétrica o corresponder a la ordenada media del gráfico diario de un limnígrafo.

Caudales mensuales, mensuales medios: para un año concreto es la media de todos los días de ese mes, para una serie de años se refiere a la media de todos los “octubres”, “noviembres”, etc. de la serie estudiada.

Caudal anual, anual medio (módulo): para un año concreto es la media de todos los días de ese año, para una serie de datos se refiere a la media de todos los años de la serie considerada.

Aportación anual o mensual. Es el volumen de agua aportado por el cauce en el punto considerado durante año o un mes (Hm3).

PRESENTACIÓN DE DATOS DE AFORO

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PRESENTACIÓN DE DATOS DE AFORO

Caudal específico Caudal por unidad de superficie. Representa el caudal aportado por cada km2 de cuenca.

Permite comparar el caudal de diversas zonas, p.e. las áreas de montaña proporcionan más de 20 L/s·km2, mientras que en las partes bajas de la misma cuenca se generan sólo 4-5 L/s·km2.

Lámina de agua equivalente. Es el espesor de la lámina de agua que se obtendría repartiendo sobre toda la cuenca el volumen de la aportación anual:

Es útil para comparar la escorrentía con las precipitaciones.

)·((cuenca superficie

(anual) caudal Específico Caudal 2kmsL

);(sup

... mmmcuencaerficie

anualaportaciónEAL

(L / s · km2)

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4.1. PRESENTACIÓN DE DATOS DE AFORO