Hidrología Aplicada a la Ingeniería Ambiental

Universidad de la República

Facultad de Ingeniería

Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental

Maestría en Ingeniería Ambiental

Hidrología Aplicada a la

Ingeniería Ambiental

Tema 1: Sistema Hidrológico

Edición 2021

Hidrología aplicada a la IA Tema 01 – Sistema Hidrológico

Marzo 2021 Página 2

1 INTRODUCCIÓN

1.1 Definiciones

HIDROLOGÍA: “…es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y

distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el

medio ambiente…” (Chow, 1964)

Se relaciona estrechamente con otras ciencias básicas como la física, química, biología,

geología, mecánica de los fluidos, matemática y estadística; también con disciplinas aplicadas

como son la meteorología, limnología, agronomía e hidrogeología.

HIDROLOGÍA APLICADA: Incluye las áreas de la Hidrología relacionadas al diseño y

operación de proyectos de ingeniería para la gestión, uso y conservación del recurso hídrico.

APLICACIONES DE LA HIDROLOGÍA

Diseño y operación de embalses

Abastecimiento de agua a poblaciones

Irrigación

Generación de Energía Eléctrica

Obras de drenaje

Control de inundaciones

Zonificación de inundaciones

Erosión y control de sedimentos

Estudio de la calidad del recurso hídrico

Protección de los ecosistemas



1.2 Disponibilidad y Uso del agua

Figura 1.1 – Distribución del recurso por continente y por habitante (tomado de

Shiklomanov 1998)

El valor medio del recurso hídrico disponible es estimado en 42700 km3 por año según Shiklomanov

(1998), de éste volumen la mayor parte se encuentra disponible en Asia y América del Sur.



Figura 1.2 y Figura 1.3 - Distribución de consumo y extracciones por los usuarios

individuales a lo largo del tiempo. Datos comparativos en todos los continentes

(adaptado de Shiklomanov 1998)



Figura 1.4 - Distribución de consumo y extracciones por sectores de producción a lo largo

del tiempo (adaptado de Shiklomanov 1998)

Las Figuras 1.1 y 1.2, muestran la dinámica del uso de agua por continente, durante el siglo pasado

y las proyecciones para los próximos años. En el presente aproximadamente el 57% de la extracción

y el 70% del consumo de agua se localizan en Asia dónde se ubica la mayor extensión de tierras

bajo riego del mundo. Se espera que los mayores crecimientos en la extracción durante las próximas

décadas ocurra en África y América del Sur (entre 1.5 y 1.6 veces) y los menores (1.2 veces) en

Europa y América del Norte.



2 SISTEMA HIDROLÓGICO

2.1 El ciclo hidrológico

Figura 2.1 – El ciclo hidrológico con un balance de agua promedio global anual en

unidades relativas a un valor de 100 para la tasa de precipitación terrestre (tomado

de Chow, 1994)





A partir de lo que se describe en la Fig. 1.1.1 y en las Tablas 1.1.1 y 1.1.2, se destaca lo siguiente:

a) Importancia de los océanos en el ingreso de agua a la atmósfera (7 a 1 respecto al continente)

b) El balance precipitación-evapotranspiración es positivo en el continente y negativo en los

océanos, compensado por el escurrimiento desde los continentes a los océanos

c) Importancia de la dinámica de la atmósfera

¿Por qué?

• Mayor superficie de los océanos que de los continentes

• La zona ecuatorial, de mayor radiación, es ocupada en una mayor proporción por los océanos

• La evapotranspiración en los continentes está limitada por la humedad del suelo

Volumen Almacenado

Tiempo de Residencia del agua en un cuerpo: 𝑇𝑟 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

Tr Agua en la Atmósfera = 12900 km3/ 577.000 km3/año 365 días/año = 8.2 días

Tr Agua en los Océanos = 1.338.000.000 km3 / 505.000 km3/año = 2650 años



2.2 CONCEPTO DE SISTEMA (Capítulo 1.2 V.T. Chow)

El ciclo hidrológico puede representarse como un sistema cuyos componentes principales son la

precipitación, la evaporación y el escurrimiento. Para su análisis puede dividirse en subsistemas,

estudiarlos por separado y combinar luego los resultados de acuerdo a las interacciones entre

ellos.

Medición

Condensación y Sublimación

Evaporación durante el descenso

Vegetación y Estructuras

IntPrec

>

Infiltr

Sublima

ción

Zona no Saturada

Zona Saturada

Medición

Superficie de la

Cuenca Cauces

Figura 2.2 – Representación en diagrama de bloques del sistema hidrológico global (tomado

de Chow, 1994)



Figura 2.3 – La cuencas como un sistema hidrológico (tomado de Chow, 1994)

Figura 2.4 - Balance hídrico anual promedio en cuencas de Uruguay y del Mundo.

(*Elab. en base a “BALANCE HIDRICO EN EL URUGUAY” Genta et al., 2001)



2.3 ELEMENTOS DEL CICLO DEL AGUA QUE PARTICIPAN DEL

BALANCE HÍDRICO

El objeto de la hidrología es formular balances

de agua en regiones sobre la superficie y sub-

superficie de la tierra:

La atmósfera es una condición de borde a través de la cual realiza intercambio de agua:

Sobre el suelo precipita agua (lluvia, nieve, granizo, escarcha, rocío, etc.).

El suelo y la vegetación evapotranspira, aportando humedad a la atmósfera.

Sobre la superficie del terreno, a través de la frontera que delimita la región, se tiene un

intercambio de escurrimiento (entradas y salidas). Cuando la frontera sólo tiene un punto de

intercambio, la salida en el punto más bajo del terreno, a la región se le define como cuenca.

En la superficie del suelo se encuentra el agua almacenada en: embalses, lagos, pantanos,

bañados, charcos, ríos, arroyos, etc.

Parte del agua de la superficie del suelo se infiltra:

En la zona superior el agua se encuentra en forma no saturada constituyendo la humedad

del suelo (H).

Parte de agua infiltrada percola hacia la zona inferior en la que el suelo está saturado de agua

(formando el acuífero que es delimitado en la parte superior por la superficie freática).

Cuando el nivel freático está por encima del nivel del terreno el acuífero realiza un aporte al

escurrimiento superficial

denominado: flujo base.



2.4 CUENCA COMO SISTEMA HIDROLOGICO

DEFINICIONES

CUENCA SUPERFICIAL: Dado un punto de estudio, se entiende por cuenca hidrográfica la zona

de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) todas las gotas de lluvia que caen

sobre ella son drenadas por el sistema de corrientes hacia el mismo punto.

DIVISORIA DE AGUAS: Es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel

topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas.

TRAZADO DE DIVISORIAS

Puede hacerse a partir de un mapa con curvas de nivel de la zona de estudio o con visión

estereoscópica utilizando fotos aéreas.

El trazado de las líneas divisorias a partir de curvas de nivel debe considerar lo siguiente:

1. La línea divisoria corta ortogonalmente a las curvas de nivel.

2. Cuando la divisoria va aumentando en altitud, corta a las curvas de nivel por su parte

convexa.

3. Cuando la altitud de la divisoria va disminuyendo, ésta corta a las curvas de nivel por su

parte cóncava.

4. La línea divisoria nunca debe cortar a un curso de agua: río; arroyo o cañada, excepto en

el punto del que queremos obtener su divisoria.



Figura 2.5 - Delimitación del Parte Aguas



Figura 2.6 - Mapa con curvas de nivel



Estos criterios se mantienen válidos mientras la actividad antrópica no modifique el drenaje

natural de los escurrimientos. La existencia de caminos, urbanizaciones, represamientos u otras

formas de modificar el flujo en el territorio, generan la necesidad de incorporar otros criterios

particulares, que deben analizarse en cada caso.

2.5 CARACTERISTICAS FISICAS DE LA CUENCA

Si bien nuestro objetivo es describir las características de las cuencas con el fin de interpretar su

incidencia en las relaciones precipitación – escurrimiento, se debe tener en cuenta que es el

propio escurrimiento de las precipitaciones en la cuenca el que erosionó los pliegues geológicos.

ÁREA: Se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por la divisoria de

aguas.

FORMA: El índice de compacidad o de Gravelius (Ic), da una idea de la forma de la cuenca, se

define como la relación entre el perímetro de la cuenca (P) y el de un círculo de la misma

superficie (A).

𝐼𝐶 = 0.28 𝑃

𝐴1/2



k : 1 2 3 4 5 6

Ic : 1.12 1.19 1.29 1.40 1.50 1.60

Figura 2.7 Efecto de la forma de la cuenca sobre la respuesta hidrológica. (Tomado de

Musy, 2005)

La forma de la cuenca puede condicionar la respuesta hidrológica de la misma. Considerando

dos cuencas de igual superficie, pendiente, suelos y régimen de precipitación, la cuenca de forma

circular tiene una respuesta más concentrada que una cuenca de forma alargada.

PENDIENTE MEDIA DE LA CUENCA: Llamamos pendiente media de la cuenca, a la media

ponderada de todas las pendientes correspondientes a áreas elementales en las que pudiéramos

considerar constante la máxima pendiente. En términos generales indica el grado de ondulación

que tiene el suelo de la cuenca.

Cartier y Leclerc (1964) plantean una metodología para su cálculo aplicable a relieves

moderados:

101

kIC



Figura 2.8 - Pendiente media de la cuenca

Si = Superficie de la Cuenca asignada a la curva de nivel i

S = Superficie de la Cuenca = iS

Li = Longitud de la curva de nivel i

L = Longitud total de las curvas de nivel = iL

dh = Equidistancia entre curvas de nivel

pi = Pendiente media de una banda = id

dh

p = Pendiente media de la cuenca

Se define id tal que iii LdS .

La pendiente en cada curva de nivel es: ii

i

i

iLd

Ldh

d

dhp

.

. O sea:

i

ii

S

Ldhp

.

Ponderando: S

Spp

ii

Sustituyendo: S

dhL

S

SS

Ldh

p i

ii

i

.

S

dhLp .



PENDIENTE MEDIA DEL CAUCE PRINCIPAL:

Figura 2.9 – Pendiente media del cauce

Pendiente media entre extremos: La pendiente media del cauce principal es igual al cociente

entre el desnivel entre los extremos del cauce principal y su longitud en planta.

Lcp

H

Pendiente media por velocidad: Taylor y Schwarz proponen calcular la pendiente media del

cauce principal (), como la de un canal de sección transversal uniforme que tenga la misma

longitud y tiempo de recorrido que en el cauce principal.

Figura 2.10 - Pendiente media entre extremos



Figura 2.11 - Pendiente media entre extremos

Considerando los tramos de cauce entre curvas de nivel: 1, 2, ..., i, ..., n y aplicando la ecuación de

Manning (flujo uniforme), se tiene que para cada tramo la velocidad es proporcional a la

pendiente del tramo

i

ii L

H:

2

2/1

2/1

2/1

2/12/1

2/1

2/1

2/1

2/1

2/1

..

.

..

..

i

i

i

ii

i

i

ii

i

ii

i

iii

L

Lcp

L

Lcp

k

Lcp

k

L

k

Ltt

k

Lcptk

t

Lcpv

k

Lt

t

Lkv



DENSIDAD DE DRENAJE: Es la longitud acumulada de los cauces de la cuenca por unidad de

área.

ORDEN DE LA CUENCA: Parámetro que refleja el nivel de ramificación de la red de drenaje

de la cuenca. Una cuenca tiene el mismo orden que su cauce principal.

ORDEN DE CAUCE: Un cauce de orden 1 es aquel que no tiene afluentes. Dos cauces de orden

1 forman uno de orden 2, dos cauces de orden 2 forman uno de orden 3 y así sucesivamente,

siendo que en general dos cauces de orden n-1 forman un cauce de orden n.

Cuando un cauce se forma de la unión de cauces de distinto orden, el canal resultante retiene

el orden del mayor de los afluentes (uno de orden 3 y otro de orden 1 forman uno de orden 3).

Figura 2.12 - Orden del cauce y de la cuenca

Obs: El orden de la cuenca depende de la escala del mapa utilizado. Se debe ser cuidadoso al

efectuar comparaciones entre cuencas.

S

LD

i

d

Hidrología Aplicada a la Ingeniería Ambiental

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