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HIDROLOGIA
Es la ciencia que tiene por objeto de estudio la ocurrencia,
circulacin, distribucin, propiedades fsico-qumicas y su influencia
sobre el medio ambiente, del agua en la Tierra. En la Ingeniera se
utiliza principalmente en relacin con el diseo y ejecucin de
estructuras hidrulicas.
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CUENCA HIDROLGICALa cuenca de drenaje de una corriente, se
define como el rea que contribuye al escurrimiento y que
proporciona parte o todo el flujo de la corriente principal y sus
tributarios.La cuenca est limitada por su parteaguas, que es una
lnea imaginaria que divide a las cuencas adyacentes y est formada
por los puntos de mayor nivel topogrfico (relativamente), cruzando
a las corrientes en los puntos de salida.
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En la figura A, se ve que el canal del ro corre a travs de una
amplia y relativamente llana planicie de inundacin. Durante el
periodo de avenidas, cuando el cauce no tiene cupo para la descarga
en aumento, se derrama la corriente sobre sus bordos e inunda esta
rea. Se levantan a cada lado de la planicie de inundacin unas
paredes de valle como copetes, llamadas parte-aguas, que son las
separaciones entre el valle central y los valles laterales.
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En la figura B, no est presente la planicie de inundacin, pues
las paredes del valle descienden directamente a los bordos del ro,
ilustra tambin dos diferentes formas de parte-aguas: uno es amplio
y plano, mientras que el otro es estrecho.
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TIPOS DE CUENCAS(Dependiendo de la salida de la corriente
principal)ENDORREICAS.- El punto de salida de la corriente
principal est dentro de los lmites de la cuenca y generalmente es
un lago.EXORREICAS.- El punto de salida se encuentra en los lmites
de la cuenca y est en otra corriente o en el mar
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El escurrimiento del agua en una cuenca, depende de diversos
factores, siendo uno de los ms importantes las caractersticas
fisiogrficas de la cuenca. Entre estas se pueden mencionar
principalmente:rea.Pendiente.Elevacin.Pendiente del cauce
principal.Tipo de suelo.Cobertura vegetal.Forma de la cuenca.Red de
drenaje.REA DE LA CUENCAEl rea drenada de una cuenca es el rea en
proyeccin horizontal encerrada por el parte-aguas. Generalmente
esta rea se determina con un planmetro y se expresa en km2.TAMAO DE
LAS CUENCAS.- De acuerdo al criterio de Rolando Springall se pueden
clasificar en funcin de su rea..rea de la cuenca (km2)Tamao de la
cuencaMenos de 25muy
pequea25-250pequea250-500intermedia-pequea500-2500intermedia-grande2500-5000grande>5000muy
grande
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PENDIENTE DE LA CUENCASe puede definir como la representacin de
uno de los factores fsicos que explican la relacin del tiempo del
flujo sobre el terreno y su influencia directa sobre la magnitud de
las avenidas o crecidas. Resume una compleja relacin entre el
escurrimiento superficial, la infiltracin, la humedad del suelo y
la contribucin del agua subterrnea al flujo de los cauces.Existen
diversos criterios para valuar la pendiente de una cuenca.FORMAS DE
LAS CUENCAS.- La forma de la cuenca se determina mediante el
coeficiente de compacidad definido por M. Gravelius como la razn
adimensional entre el permetro de la cuenca y la longitud de una
circunferencia de un circulo de rea igual a la de la cuenca
expresada en km2.P: Permetro de la cuencaPc: Permetro de un circulo
de rea igual a la de la cuencaSi Cc=1.0 indica que la cuenca tiende
a ser de forma circular y a medida que su valor se incremente
expresar que su forma tiende a ser alargada o asimtrica.
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Analizando la faja definida por las lneas medias que pasan entre
dos curvas de nivel adyacentes, se tiene que la pendiente de su rea
tributaria para una de ellas es igual a:DondeD: Desnivel entre las
lneas medias, se puede aceptar que es el desnivel entre curvas de
nivel.Si : Pendiente media de la faja referente a esa curva de
nivel.Wi: Ancho de la faja, Dondeai = rea de la faja.Li = Longitud
de la curva de nivel.
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Por lo tanto, la pendiente de la cuenca es el promedio pesado de
la pendiente de cada faja en relacin con su rea.Considerando n
fajas:DondeAt = rea total de la cuencaD = Desnivel constante entre
curvas de nivel.L = Longitud total de las curvas de nivel dentro de
la cuenca.
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CRITERIO DE HORTONSe requiere una malla de cuadros sobre el
plano del rea de la cuenca, procurando orientar uno de los ejes en
el sentido de la corriente principal.
Se requiere por lo menos una malla de cuatro cuadros por lado,
si la cuenca es de 250 km2 o menor; si es mayor, el nmero de
cuadros deber incrementarse, a mayor nmero de stos la precisin es
mayor.
Este mtodo consiste en medir la longitud de cada lnea de la
malla comprendida dentro de la cuenca (delimitada por el
parte-aguas) y se cuentan las intersecciones y tangencias de cada
lnea con las curvas de nivel.Las pendientes de la cuenca en cada
direccin de la malla son:Donde:D = Desnivel constante entre curvas
de nivel.Nx y Ny = Nmero total de intersecciones y tangencias de
las lneas de la malla en la direccin x e y respectivamente, con las
curvas de nivel.Lx y Ly = Longitudes totales de las lneas de la
malla en la direccin x e y respectivamente, comprendidas dentro de
la cuenca.
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Horton considera que la pendiente media de la cuenca, puede
determinarse como:Donde:L = Lx + LyN = Nx + Ny = ngulo promedio
entre las lneas de la malla y las curvas de nivel.Horton sugiere
usar un valor medio de 1.57 como sec , ya que sera muy laborioso
determinar de cada interseccin.
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CRITERIO DE NASHSe requiere trazar una malla de cuadrados sobre
el mapa topogrfico de la cuenca de modo que se obtengan
aproximadamente 100 intersecciones (entre las lneas que forman la
malla).
En cada interseccin se mide la distancia mnima, pasando por el
punto de interseccin entre dos curvas de nivel que la rodean y la
pendiente en ese punto se considera como la relacin entre el
desnivel de las curvas de nivel y la mnima distancia medida. As el
promedio de todas las pendientes de todas las intersecciones
comprendidas dentro de la cuenca, se considera como la pendiente
media de la cuenca.
La pendiente se considera nula, cuando una interseccin ocurre
entre dos curvas de nivel de la misma cota.
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ELEVACIN DE LA CUENCAEl mapa topogrfico de la cuenca se divide
en cuadros de igual tamao, considerando que por lo menos 100
intersecciones estn comprendidas dentro la cuenca (mtodo de las
intersecciones). La elevacin media est dada por el promedio de las
elevaciones de todas las intersecciones.Es conveniente calcular la
grfica de distribucin rea-elevaciones de la cuenca, dibujando los
porcentajes de rea abajo o arriba de las distintas elevaciones. La
curva rea-elevacin (curva hipsomtrica), se puede considerar como el
perfil de la cuenca y su pendiente media (en metros por kilmetros
cuadrados), es de uso estadstico en comparacin de cuencas.La
elevacin media de la cuenca se calcula de la curva rea-elevacin,
como la elevacin correspondiente al 50% del rea.
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CURVA HIPSOMTRICA Elevaciones en m.100rea (%)10
0302050407080906010501150.
Intervalo de elevacin (m) No. de intersecciones% de rea% de rea
acumulada1800-1701121700-1601101600-1501151100-100111TOTAL114
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DRENADO DE LA CUENCADentro de la cuenca, es importante observar
otras caractersticas como son las trayectorias o el arreglo de los
cauces de las corrientes naturales dentro de ella. Es de
importancia porque se manifiesta en la eficiencia del sistema de
drenaje, en el escurrimiento resultante. As como tambin, la forma
de drenaje proporciona indicios de las condiciones del suelo y de
la topografa.
Las caractersticas de la red de drenaje pueden describirse
principalmente de acuerdo con el orden de las corrientes, longitud
de tributarios, densidad de corriente y densidad de drenaje.
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CLASIFICACIN DE LAS CORRIENTESDependiendo del tipo de
escurrimiento, el cual est relacionado con las caractersticas
fsicas y condiciones climticas de la cuenca, todas las corrientes
se dividen en tres clases:
CORRIENTE PERENNE: Es aquella que contiene agua todo el tiempo,
ya que an en tiempo de sequa es abastecida continuamente, pues el
nivel fretico permanece siempre por arriba del fondo del cauce.
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CORRIENTE INTERMITENTE: Es aquella que lleva agua la mayor parte
del tiempo, pero principalmente en poca de lluvias; su aportacin
cesa cuando el nivel fretico desciende por debajo del fondo del
cauce.CORRIENTE EFIMERA: Es aquella que slo lleva agua cuando
llueve e inmediatamente despus.
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ORDEN DE LAS CORRIENTESEs una clasificacin que proporciona el
grado de bifurcacin dentro de la cuenca hidrolgica. El
procedimiento ms comn para esta clasificacin, es considerar como
corrientes de orden uno, aquellas que no tienen ningn tributario;
de orden dos a las que slo tienen tributarios de orden uno; de
orden tres aquellas corrientes con dos o ms tributarios de orden
dos ,etc. As el orden de la corriente principal indicar la extensin
de la red de corrientes dentro de la cuenca.Para est clasificacin,
se requiere de un plano de la cuenca que incluya tanto corrientes
perennes e intermitentes; las efmeras no se toman en cuenta.ESQUEMA
DE DEFINICIN PARA EL NMERO DE ORDEN DE LAS CORRIENTES
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CAUCE PRINCIPAL: Es el cauce de mayor orden y mayor
longitud.
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LONGITUD DE LOS TRIBUTARIOSEs una indicacin de la pendiente y el
grado de drenaje de la cuenca. Las reas escarpadas y bien drenadas
usualmente tienen numerosos tributarios pequeos, mientras que en
regiones planas donde los suelos son permeables y profundos; se
tienen tributarios largos, que generalmente son perennes.La
longitud de las corrientes, en general, se mide a lo largo del eje
del valle y no se toman en cuenta sus meandros (curvas).
DENSIDAD DE CORRIENTESe expresa como la relacin entre el No. de
corrientes y el rea drenada:DENSIDAD DE DRENAJEProporciona una
informacin ms real que la anterior, ya que se expresa como la
longitud de las corrientes por unidad de rea, o sea:Donde A = rea
total de la cuenca en km2.L = Longitud total de las corrientes
perennes e intermitentes en la cuenca en km2.Dd = Densidad de
drenaje.
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Si la cuenca est bien drenada, la longitud del flujo sobre la
tierra es corta, por lo que el escurrimiento superficial se
concentra rpidamente y los gastos pico son altos y el gasto mnimo
es bajo.En sitios donde, los materiales del suelo son resistentes a
la erosin o muy permeables y donde el relieve es bajo, ocurren
densidades de drenaje bajas. Los valores altos de la densidad
reflejan generalmente reas con suelos fcilmente erosionables o
relativamente impermeables, con pendientes fuertes y escasa
vegetacin.
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PENDIENTE DEL CAUCEEl perfil del cauce se representa llevando en
una grfica los valores de sus distancias horizontales, medidas
sobre el cauce, contra sus cambios de elevaciones respectivas, los
perfiles tpicos de los cauces naturales son cncavos hacia arriba.En
general la pendiente de un tramo de ro se considera como el
desnivel de los extremos del tramo dividido entre la longitud
horizontal de dicho tramo.DondeH = Desnivel entre los extremos del
tramo del cauce, en m.L = Longitud horizontal del tramo de cauce,
en m.S = Pendiente del tramo de cauce.Conforme disminuya la
longitud del tramo por analizar, la definicin anterior se aproxima
ms a la pendiente real del cauce.MTODO DE LA LINEA
COMPENSADORA.Otra forma de evaluar la pendiente de un cauce, es
compensando el perfil con una recta que parta del extremo inferior
del cauce y que contenga la misma rea abajo y arriba respecto al
perfil del cauce.
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MTODO DE LA LNEA COMPENSADORALa pendiente se obtiene mediante la
expresin:A1
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Otro procedimiento que tiende a ajustarse a la pendiente real,
consiste en considerar que el ro est formado por una serie de
canales con pendiente uniforme, cuyo tiempo total de recorrido es
igual al del ro, fue propuesto por TAYLOR y SCHWARZ. Si se divide
el ro en estudio en m tramos iguales de longitud x, se tiene que el
tiempo de recorrido ti por tramo i es:EC. ADondeVi = Es la
velocidad media del tramo que de acuerdo con CHEZY es:MTODO DE
TAYLOR Y SCHWARZ
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Observando que se supone = Constante = kY Si es la pendiente del
tramo i, sustituyendo en Ec. A, tenemos:Adems, el tiempo total de
recorrido es la suma de todos los tiempos parciales ti:DondeK =
Constante ; L = Longitud total del tramo de ro en estudio ; S =
Pendiente media del tramo de ro en estudio.T = Tiempo total de
recorrido.
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De las ecuaciones B y C, se tiene que:Y como , sustituyendo:
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Elevando al cuadrado ambos miembros:Dondem = No. de segmentos
iguales, en los cuales se subdivide el tramo en estudio. S =
Pendiente media del tramo en estudio.S1, S2,,Sm = Pendiente de cada
segmento.