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Fundamentos de Hidrología

Dec 18, 2015

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Notas de curso de Hidrología impartido en la carrera de Ingeniería Civil de la Universidad de Costa Rica.

  • Universidad de Costa RicaFacultad de Ingeniera

    Escuela de Ingeniera Civil

    Notas del curso IC-0808 Hidrologa

    Ing. Alberto Serrano Pacheco, Ph.D.

    Agosto, 2013

  • Nota Importante

    Las notas siguientes se presentan con el fin de ser utilizadas en el curso de Hidrologa,

    que se imparte en la Escuela de Ingeniera Civil de la Universidad de Costa Rica. Es

    por lo tanto, material didactico y solo para fines docentes.

    Por otra parte, se agradecera toda aquella recomendacion o sugerencia que el lector

    considere para mejorar la calidad y el contenido de este trabajo.

  • Indice general

    1 Ciclo hidrologico 1

    1.1 Concepto de un sistema hidrologico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.2 Balance hdrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    1.2.1 Balance hdrico en una cuenca hidrografica . . . . . . . . . . . . 5

    1.2.2 Balance hdrico de un embalse o de un lago natural . . . . . . . . 6

    2 Cuencas hidrologicas 7

    2.1 Cuenca hidrografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.1.1 Divisorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    2.1.2 Clasificacion de los cursos de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    2.2 Caractersticas fsicas o morfologicas de una cuenca hidrografica . . . . . 10

    2.2.1 Area de drenaje y permetro de la cuenca . . . . . . . . . . . . . 10

    2.2.2 Forma de la cuenca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.2.3 Sistemas de drenaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.2.4 Caractersticas del relieve de una cuenca . . . . . . . . . . . . . . 13

    2.2.5 Suelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    2.2.6 Cuencas representativas y experimentales . . . . . . . . . . . . . 29

    3 Composicion de la atmosfera 31

    3.1 Altura y estructura de la atmosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    3.2 Elementos del tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    3.3 Energa calorfica en la atmosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    3.3.1 Calor y temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    3.3.2 Procesos de transmision de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    3.3.3 Calentamiento de la atmosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    3.3.4 Insolacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    3.3.5 Radiacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    3.3.6 Transferencia turbulenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.3.7 Calor latente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.3.8 Balance termico de la atmosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.3.9 Efecto invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

  • ii Indice general

    3.4 Calentamiento irregular de la atmosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.4.1 Cantidad de insolacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    3.4.2 Composicion de la superficie de la Tierra . . . . . . . . . . . . . 42

    3.5 Temperatura del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

    3.5.1 Variaciones termicas diurnas y estacionales . . . . . . . . . . . . 43

    3.5.2 Variacion horizontal de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . 44

    3.5.3 Variacion vertical de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    3.5.4 Inversiones termicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    3.6 Efectos del movimiento vertical del aire sobre la temperatura . . . . . . 47

    3.7 Efecto termico resultante del movimiento vertical del aire - Cambios

    adiabaticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    3.8 La humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3.8.1 Punto de roco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.8.2 Humedad absoluta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.8.3 Humedad especfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.8.4 Humedad relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.8.5 Presion de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    3.9 Circulacion y estabilidad atmosferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    3.9.1 Gradiente termico y gradiente adiabatico . . . . . . . . . . . . . 52

    3.9.2 Gradiente adiabatico seco y humedo . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    3.9.3 Equilibrio estable e inestable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    3.9.4 Inestabilidad convectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    3.10 Agua precipitable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    3.11 Niebla y nubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    3.11.1 Niebla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    3.11.2 Nubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    3.11.3 Clasificacion de las nubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    3.12 Presion atmosferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    3.12.1 Variaciones de presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    3.12.2 Isobaras y gradiente de presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    3.12.3 Distribucion general de los sistemas de presion en el planeta . . . 67

    3.13 Viento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    3.13.1 Caractersticas del movimiento del viento . . . . . . . . . . . . . 69

    3.13.2 Relacion entre el viento real y aparente . . . . . . . . . . . . . . 70

    3.13.3 Factores que afectan al movimiento del viento . . . . . . . . . . . 70

    3.13.4 Gradiente horizontal de presion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    3.13.5 Fuerzas de rozamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    3.13.6 Desviacion por efecto de la rotacion terrestre - Efecto de Coriolis 71

    3.13.7 Sistema ideal de viento planetario . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    3.13.8 Los sistemas de vientos planetarios . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

  • Indice general iii

    3.14 Corrientes oceanicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    4 Cambio climatico 77

    4.1 Definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

    4.2 Cambios observados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

    4.3 Pronostico futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

    4.4 El protocolo de Kyoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    5 Precipitacion 81

    5.1 Formacion de la precipitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    5.2 Tipos de precipitacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    5.2.1 Precipitaciones convectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    5.2.2 Precipitaciones orograficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    5.2.3 Precipitacion por convergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    5.3 Distribucion geografica de la precipitacion . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    5.4 Medidas pluviometricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    5.4.1 Medidas caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

    5.4.2 Frecuencia de las lluvias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    5.5 Variacion de la precipitacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    5.5.1 Variacion geografica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    5.5.2 Variacion temporal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    5.6 Precipitacion media sobre una cuenca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    5.6.1 Metodo aritmetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    5.6.2 Metodo de polgonos de Thiessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    5.6.3 Metodo de isoyetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    5.7 Analisis de lluvias intensas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    5.7.1 Variacion de la intensidad con la duracion . . . . . . . . . . . . . 89

    5.7.2 Variacion de la intensidad con la frecuencia . . . . . . . . . . . . 90

    5.7.3 Relacion intensidad-duracion-frecuencia . . . . . . . . . . . . . . 91

    5.7.4 Estudios de intensidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    6 Extension y Relleno de registros hidrologicos 99

    6.1 Metodo basico para la extension y completar datos . . . . . . . . . . . . 99

    6.2 Otras tecnicas para la extension y completar . . . . . . . . . . . . . . . 100

    6.2.1 Proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

    6.3 Criterios para mejorar los estimados de los parametros . . . . . . . . . . 103

    6.3.1 Analisis de dobles masas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    6.4 Ejemplo de faltante de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

    7 Analisis estadstico de datos hidrologicos y analisis de frecuencias 111

    7.1 Presentacion y analisis de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

  • iv Indice general

    7.2 Distribucion normal o gaussiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

    7.2.1 Funcion densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

    7.2.2 Funcion de distribucion acumulada FDA . . . . . . . . . . . . . 116

    7.2.3 Calculo de la funcion de distribucion acumulada . . . . . . . . . 116

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