Reyes Ciclo Hidrologico

I. EL CICLO HIDROLOGICO

II. CUENCA HIDROGRAFICA

Ing. M.Sc. Esteban Pedro Reyes Roque

UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS

I. Ciclo Hidrológico.

• El ciclo hidrológico es un término descriptivo aplicable a la circulación general del agua en la tierra. Con mayor precisión se puede decir que es una sucesión de etapas que atraviesa el agua al pasar de la atmósfera a la tierra y volver a la atmósfera: evaporación desde el suelo, mar o aguas continentales, condensación de nubes, precipitación, acumulación en el suelo, escurrimiento y nuevamente la evaporación."

Ciclo Hidrológico y balance de Agua.

Balance del ciclo hidrológico.

Cantidad estimada de agua en el mundo (km3).

Ítem Volumen (km3) Porcentaje de agua total

Porcentaje de agua dulce

Océanos 1338000000 96.50 Agua subterránea Dulce Salada

10530000 12870000

0.76 0.93

30.10

Humedad del suelo 16500 0.0012 0.05 Hielo polar 24023500 1.70 68.60 Hielo no polar y nieve 340600 0.025 1.00 Lagos Dulce Salado

91000 85400

0.007 0.006

0.26

Pantanos 11470 0.0008 0.03 Ríos 2120 0.0002 0.006 Agua biológica 1120 0.0001 0.003 Agua atmosférica 12900 0.001 0.04 Agua total 1385984610 100.00 Agua dulce 35029210 2.50 100.00

Aplicaciones de la Hidrología.•

Determinación del equilibrio de agua de una región.• Diseño de proyectos de restauración ribereños.• Mitigación y predicción de inundaciones, desprendimiento de

tierras y riesgo de sequía.• Pronóstico de inundaciones en tiempo real y advertencias.• Diseño de esquemas de irrigación y administración de la

productividad agrícola.• Parte del módulo de riesgo en modelado de catástrofes.• Suministro de agua potable.• Diseño de presas para abastecimiento de agua o generación de

energía hidroeléctrica.

II. Cuenca Hidrográfica.

• Es el área definida topográficamente que vierte sus aguas de escorrentía a un único río, en el interior de las cuencas se pueden delimitar subcuencas o cuencas de orden inferior.

• Máximo Villón, clasifica a las cuencas atendiendo a su tamaño en:– Cuenca grande: donde las características fisiográficas son

las misma, el área es mayor de 250 km2.

– Cuenca pequeña: donde las características físicas son más importantes, el área es menor de 250 km2.

Cuenca Hidrográfica.

• El proceso de delimitación, es válido si se utiliza tanto en el método tradicional delimitación sobre cartas topográficas, así como en el método digital con ingreso directo sobre la pantalla de un ordenador, utilizando algún software AUTOCAD, SIG como herramienta de digitalización.

Delimitación de una cuenca:

• Consiste en limitar el área de la cuenca siguiendo las líneas del divortium acuarum o línea divisoria, es decir consiste en definir el perímetro de la cuenca.

• Existen 2 tipos de divisorias:– Divisoria topográfica o superficial.

– Divisoria freática o subterránea.

Figura 1. Se identifica la red de drenaje o corrientes superficiales.

Figura 2. Se realiza un esbozo muy general de la posible delimitación.

Figura 3. La divisoria corta perpendicularmente a las curvas de nivel.

Figura 4. La divisoria corta a las curvas de nivel por su parte convexa, tal como muestra

las flechas negras.

Figura 5. La divisoria corta a las curvas de nivel por su parte cóncava, tal como muestra

las flechas negras.

Figura 6. La divisoria no debe cortar ningún flujo de agua natural, excepto en el punto de salida de la

cuenca.


• MORFOMETRÍA DE UNA CUENCA: – La morfometría hidrográfica actual tiende a centrarse en el

área, perímetro, longitud, forma, atributos del relieve y densidad de drenaje de la cuenca. Los índices principales empleados para analizar la forma y relieve de la cuenca son el cociente de alargamiento y el cociente de relieve. Es muy importante tener en cuenta esta proporción para comprender la hidrología de la cuenca y calcular los riesgos de inundación. La escorrentía suele ser más rápida en las cuencas con pendiente, lo que provoca caudales más elevados y mayor poder erosivo.


• Delimitación– Perímetro de una cuenca

• Curvas características de una cuenca– Curva hipsométrica– Curva de frecuencia de altitudes

• Índices Representativos– Índice o Factor de forma de una cuenca – Índice de compacidad.

• Rectángulo equivalente• Índice de pendientes


• Pendiente de la cuenca– Criterio de Alvord – Criterio de Horton– Criterio del rectángulo equivalente

• Perfil longitudinal del curso de agua• Pendiente del cauce

– Pendiente uniforme– Compensación de áreas– Ecuación de Taylor y Schwarz.

• Red de drenaje– Orden de las corrientes– Densidad de corriente– Densidad de drenaje

Delimitación.

• Área o Superficie de la cuencaSe refiere al área proyectada en un plano horizontal, es de forma muy irregular, se obtiene después de delimitar la cuenca. Se expresa en Km2.

• Área total de la cuenca:Se considera así a toda el área de terreno cuyas precipitaciones son evacuadas por un sistema común de cauces de agua, estando comprendida desde el punto donde se inicia esta evacuación hasta su desembocadura u otro punto elegido por interés. Puede considerarse en su delimitación el divisor topográfico por ser prácticamente fijo.

Delimitación.

• Perímetro

El perímetro de la cuenca se refiere a la longitud de la divisoria de aguas Esta característica tiene influencia en el tiempo de concentración de una cuenca que es el tiempo necesario para que una gota que cae en el punto mas alejado de dicha cuenca, llegue a la desembocadura. Es característico para cada cuenca se expresa en Km.

Curvas Características de una Cuenca.

• Curva hipsométricaRepresenta gráficamente la variación de la elevación de la hoya. Se representa a través de un gráfico que muestra el porcentaje de área de drenaje que existe por encima o por debajo de varias elevaciones. Por lo general se realiza teniendo en las ordenadas el valor de la cota; y el porcentaje de área acumulada de las abscisas.

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

4400

4600

4800

5000

5200

5400

5600

5800

6000

6200

6400

6600

6800

Alturas (m)

Po

rcen

taje

de

sup

erfi

cie

arri

ba

de

cad

a al

tura

Quitaracsa

Los Cedros

Colcas

Paron

Llanganuco

Chancos

Quillcay

Olleros

Querococha

Pachacoto

Recreta

Arteson


• Curva de frecuencia de altitudes

Representa gráficamente la distribución porcentual de las superficies ocupadas por diferentes altitudes. Generalmente complementa la curva hipsométrica.


• Altitud media Es la altitud de la cuenca a la cual el 50% del área se encuentra por debajo y el otro 50% por encima. Resulta habitualmente más elevada que la altura media. Se obtiene como la altitud correspondiente a la intersección de las curvas hipsométricas para el área acumulada por encima y el área acumulada por debajo, que ocurre exactamente al 50% del área.

50% de área

Altitud media


A

eaEm

• Altitud de frecuencia media (Em)

Se obtiene utilizando la siguiente fórmula:

Donde:

Em= Elevación media

a= área entre 2 contornos

e= elevación media entre 2 contornos

A= área total de la cuenca.

Índices Representativos.

• Factor de forma de una cuenca (F)Es la relación entre el ancho medio de la cuenca y la longitud del curso de agua más largo. Este factor es adimensional.

Una cuenca con factor de forma bajo, está sujeta a menos crecientes que otra del mismo tamaño pero con factor de forma mayor. Esto se debe a que cuanto mayor es F, existe una tendencia mayor a concentrar las intensidades de lluvia.

2*LA

LL

LB

LB

F

Índices Representativos.• Índice de Gravelious o índice de compacidad (KC)

Este parámetro constituye la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de una circunferencia cuya área es equivalente al área de la cuenca en estudio.

Donde:– Kc = Coeficiente de compacidad– P = Perímetro de la cuenca en Km.– A = Área de la cuenca Km2

Una cuenca se aproximará a una forma circular cuando el valor Kc se acerque a la unidad. Si este coeficiente fuera igual a la unidad significará que habrá mayores oportunidades de crecientes debido a que los tiempos de concentración de los diferentes puntos de la cuenca serían iguales. Generalmente en cuencas muy alargadas el valor Kc sobrepasa a dos.

A

P

A

PKc 28.0

2

Rectángulo Equivalente.Es un rectángulo que tiene la misma superficie de la cuenca, el mismo coeficiente de compacidad e identifica repartición Hipsométrica. Se trata de una transformación puramente geométrica de la cuenca en un rectángulo del mismo perímetro convirtiéndose las curvas de nivel en rectas paralelas al lado menor siendo estas la primera y la última curva de nivel respectivamente.Los lados del rectángulo equivalente están dados por las siguientes relaciones:

Donde:L= longitud del lado mayorl = Longitud del lado menorK= Índice de compacidadA= Área

212.1

1112.1 KAK

l

212.1

1112.1 KAK

L

Índice de Pendientes.

Es una ponderación que se establece entre las pendientes y el tramo recorrido por el río. Expresa en cierto modo el relieve de la cuenca y se obtiene a partir del rectángulo equivalente:

Donde:Bi= fracción de la superficie total de la cuenca comprendida entre las cotas.

ai= cotas de las n curvas de nivel (Km)

L= Longitud del lado mayor del rectángulo equivalente

LaaBiIp ii

n

i

1)( 1

2

Pendiente de la Cuenca.

• El cálculo de la pendiente de una cuenca es de mucha utilidad ya que indica la variación de la pendiente en los diferentes tramos de su recorrido. Es importante conocer la pendiente de la cuenca para estudios de proyectos agrícolas, control de erosión, erosión y transporte de sedimentos, control de avenidas, captación, etc. Dicho valor se calcula por varios criterios:

• Criterio de Alvord• Criterio de Horton• Criterio de Rectángulo Equivalente


• Criterio de Alvord Consiste en obtener las pendientes existentes entre las curvas de nivel, dividiendo el área de la cuenca en áreas parciales delimitadas por sus curvas de nivel; para luego obtener la pendiente ponderada.

Donde:• Si = pendiente parcial de cada área entre cotas• D = desnivel entre líneas medias• ai = área parcial de cada faja• Li = Longitud de cada curva de nivel

i

i

La

Wi WiD

Si


• Criterio de HortonConsiste en trazar una malla de cuadrados sobre la proyección planimetríca de la cuenca orientándola según la dirección de la corriente principal. Si se trata de una cuenca pequeña la malla llevara al menos cuatro cuadrados por lado, pero si se trata de una superficie mayor, deberá aumentarse el numero de cuadrados por lado, ya que la precisión del calculo depende de ello.Una vez construida la malla, se miden las longitudes de las líneas de la malla de la cuenca y se cuentan las intersecciones y tangencias de cada una de las curvas de nivel.

yy

Ny DS

L

x yS S S 2

x yS SS

xx

x

N DS

L


• Criterio del rectángulo equivalente

La pendiente de la cuenca se calcula tomando la pendiente media del rectángulo equivalente; esto es:

Donde:

H = cota más alta-cota más baja.

L = lado mayor del rectángulo equivalente.

LH

S

Perfil Longitudinal del Curso de Agua.

El perfil del cauce principal de la cuenca se establece con la finalidad de conocer la variación de la pendiente en los diferentes tramos de su recorrido y con el objeto de estimar la pendiente media.Es muy importante conocer el perfil longitudinal del cauce principal o de cualquier otro curso de agua, para ciertos trabajos relacionados con los proyectos de control de avenidas, captación, posibilidades de instalación de una central hidroeléctrica, etc. Para trazar el perfil longitudinal del curso de agua se considera las cotas en las ordenadas y la longitud acumulada del río en las abscisas.

Pendiente del Cauce.

Es un parámetro muy importante ya que nos permite conocer el comportamiento hídrico que puede ser muy útil para determinar zonas óptimas para algunos proyectos y para la solución de problemas de inundaciones. Ésta se calcula a través de los siguientes métodos: – Pendiente uniforme

– Compensación de áreas

– Ecuación de Taylor y Schwarz.


• Pendiente uniforme

Se considera la relación entre el desnivel existente entre los extremos del cauce y la proyección horizontal de su longitud:

Donde:• H = diferencia de cotas entre los extremos del cauce.

• L = longitud del cauce.

LH

S


• Compensación de áreas

Ésta es una manera más real de evaluar la pendiente de un cauce, consiste en encontrar una línea que apoyada en el extremo final del tramo del río, contenga la misma área tanto superior como inferior respecto al perfil del cauce.


• Ecuación de Taylor y Schwarz.Se considera un río dividido en n tramos, cada tramo con pendiente uniforme, luego se calcula la pendiente media del cauce. Se logra una mejor aproximación cuanto mayor sea el número de tramos en los cuales se subdivide el perfil longitudinal del río a analizar.Por lo general, en la práctica los tramos son de diferentes longitudes, por lo que se recomienda utilizar la siguiente ecuación:

Donde:• Li= longitud del tramo i• Si= pendiente del tramo i

2

1 2

1

1

n

i

n

i

Si

Li

LiS

Red de Drenaje.

• Orden de las corrientesEl esquema de órdenes de corrientes, el primer método cuantitativo de análisis de las redes de drenaje, fue desarrollado a principios de la década de 1940 por el ingeniero hidráulico e hidrólogo americano Robert Horton. Las corrientes fluviales son clasificadas jerárquicamente: Las que constituyen las cabeceras, sin corrientes tributarias, pertenecen al primer orden o categoría; dos corrientes de primer orden que se unen forman una de segundo orden, que discurre hacia abajo hasta encontrar otro cauce de segundo orden para constituir otro de tercera categoría y así sucesivamente.

Orden de las corrientes.

Red de Drenaje.

• La Densidad de drenaje Es una medida de la textura de la red y expresa el equilibrio entre el poder erosivo del caudal y la resistencia del suelo y rocas de la superficie. Los valores oscilan entre 5 km de cauces por km2 en piedra arenisca, permeable y resistente a la erosión y 500 km/km2 en tierras arcillosas, impermeables y muy erosionables. Representan la mayor y menor concentración del escurrimiento respecto al cauce principal. Influyen en los tiempos de concentración y en las crecidas. Mientras más alta es la densidad de drenaje de una cuenca, sus crecidas son más amortiguadas y se favorece la infiltración y retención de la cuenca.

Red de Drenaje.

• La Densidad de drenaje

Los valores fluctúan entre 0 y 1.3; valores altos de este parámetro indicaran que las precipitaciones influirán inmediatamente sobre las descargas de los ríos (tiempo de concentración cortos). La baja densidad de drenaje es favorecida en regiones donde el material del subsuelo es altamente resistente bajo una cubierta de vegetación muy densa y de relieve plano.

Red de Drenaje.

• Densidad de drenaje

La densidad de drenaje esta considerada como un índice relevante. Representa la longitud media de la red hidrográfica por km2. Se calcula dividiendo la longitud total de los cauces por el área de la cuenca.Donde:

• L = longitud total de cause.

• A = área total de la cuenca.

AL

Dd

Red de Drenaje.

• Densidad de corriente

Es la relación entre el número de corrientes y el área drenada, es decir:

Donde:• Nc = número de corrientes perennes e

intermitentes.

• A = área total de la cuenca.

ANc

Dc

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