Hidrología y Gestión de Cuencas Curso Internacional Por: Sergio Velásquez Mazariegos [email protected] [email protected] Tel. 558 2330 CATIE 7170-43,

HidrologíaHidrologíay Gestión de Cuencasy Gestión de CuencasCurso InternacionalCurso Internacional

Por:Por:Sergio Velásquez MazariegosSergio Velásquez Mazariegos

[email protected]@catie.ac.crTel. 558 2330Tel. 558 2330

CATIE 7170-43, Turrialba, Costa RicaCATIE 7170-43, Turrialba, Costa RicaJulio de 2006Julio de 2006

mailto:[email protected]


Capítulo 1.Capítulo 1.Concepto de HidrologíaConcepto de Hidrología

• La 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, incluyendo a los seres vivos.

Capítulo 1.Capítulo 1.Importancia de la HidrologíaImportancia de la Hidrología• Determinar caudales de

una fuente (río, nacimiento, pozo) para:– abastecimiento de agua

potable a una población– abastecimiento de agua

a una industria– satisfacer la demanda de

un proyecto de irrigación– satisfacer la demanda de

un proyecto de generación de energía eléctrica

– permitir la navegación

Capítulo 1.Capítulo 1.Importancia de la HidrologíaImportancia de la Hidrología• Diseñar obras como:

– alcantarillas– puentes– estructuras para el

control de avenidas– presas– vertedores– sistemas de drenaje

• agrícola• poblaciones• carreteras• Aeropuertos

• Se diseñan para un evento determinado: precipitación-escorrentía

Capítulo 1.Capítulo 1.Importancia de la HidrologíaImportancia de la Hidrología

• Fuente de información para otras herramientas– SIG– Modelos erosión– Modelos hidráulicos– Modelos de

evaluación de tierras

Capítulo 1.Capítulo 1.El Ciclo HidrológicoEl Ciclo Hidrológico• Conjunto de cambios que experimenta el agua en

la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido, gaseoso), como en su forma (agua superficial, agua subterránea, etc.)– Varía en el espacio– Varía en el tiempo– No tiene ni principio, ni fin

• La Hidrología solamente estudia la fase en la que la precipitación toca “tierra” hasta el retorno del agua a la atmósfera.

• La fase atmosférica corresponde a la Meteorología y el agua en los océanos a la Oceanografía.

“Irregular”

Capitulo 1Capitulo 1El Ciclo HidrológicoEl Ciclo Hidrológico

Capitulo 1Capitulo 1Enfoque de los problemas Enfoque de los problemas hidrológicoshidrológicos• Procesos naturales Procesos naturales

son sumamente son sumamente complejoscomplejos

• No siempre se No siempre se puede aplicar una puede aplicar una ley física ley física fundamental para fundamental para calcular un resultadocalcular un resultado

• Es necesario hacer Es necesario hacer análisis estadísticos análisis estadísticos (Probabilidades) (Probabilidades)

Capitulo 1Capitulo 1Instituciones compiladoras de Instituciones compiladoras de datosdatos• Instituto Costarricense de Instituto Costarricense de

Electricidad (ICE)Electricidad (ICE)– Datos en el CSEBI– Registro de 83 estaciones

hidrológicas (registro de caudales)

• 70% están automatizadas– 222 estaciones

meteorológicas (precipitaciones)

• 50 % están automatizadas• algunas miden

temperatura, humedad relativa, evaporación y velocidad del viento.

– También lleva registro de sedimentos y calidad de agua de los ríos.

– Consultar a:Consultar a:• http://www.grupohttp://www.grupoiceice.com .com

Capitulo 1Capitulo 1Instituciones compiladoras de Instituciones compiladoras de datosdatos• Instituto Meteorológico Instituto Meteorológico

Nacional (IMN)Nacional (IMN)– Encargada de recopilar

información climatológica• Precipitación• Temperatura• Humedad• Radiación solar• Presión atmosférica• Velocidad y dirección del

viento.– No se sabe cuántas

estaciones tiene en operación

– Los datos son comprados– Pueden consultar a:

• http://www.imn.ac.cr/

Capitulo 1Capitulo 1Instituciones compiladoras de Instituciones compiladoras de datosdatos• Servicio Nacional de Servicio Nacional de

Aguas Subterráneas, Aguas Subterráneas, Riego y Avenamiento Riego y Avenamiento (SENARA)(SENARA)– Encargado de Encargado de

sistematizar y mantener sistematizar y mantener actualizado el inventario actualizado el inventario de las aguas subterráneas de las aguas subterráneas y superficiales y superficiales relacionadas con estas relacionadas con estas

– 22 estaciones en 22 estaciones en operaciónoperación• 2 estaciones tipo B2 estaciones tipo B• 20 pluviométricas20 pluviométricas

– Datos de 7557 pozos en Datos de 7557 pozos en todo el paístodo el país

Capitulo 1Capitulo 1Instituciones compiladoras de Instituciones compiladoras de datosdatos• Acueductos y Acueductos y

AlcantarilladosAlcantarillados– Suple y norma todos los Suple y norma todos los

aspectos relacionados con aspectos relacionados con los servicios públicos de los servicios públicos de agua potable y agua potable y alcantarillado sanitario para alcantarillado sanitario para toda la población dentro del toda la población dentro del territorio nacionalterritorio nacional

– Integración las actividades Integración las actividades siguientes:siguientes:

• FinanciamientoFinanciamiento• Protección ambiental y Protección ambiental y

construcciónconstrucción• operación y mantenimiento operación y mantenimiento

de ambos serviciosde ambos servicios– Tiene datos de calidad de Tiene datos de calidad de

aguaagua

La Cuenca HidrográficaLa Cuenca Hidrográfica

Por:Por:Sergio Velásquez MazariegosSergio Velásquez Mazariegos

[email protected]@catie.ac.crJulio de 2006Julio de 2006



Capítulo 2.Capítulo 2.Definición de Cuenca Definición de Cuenca HidrográficaHidrográfica• Es el área de terreno donde todas las aguas caídas por

precipitación, se unen para formar un solo curso de agua• Unidad natural definida por la existencia de la divisoria de las

aguas en un territorio dado• Las cuencas hidrográficas son unidades morfológicas superficiales

– Divisoria geográfica principal= Parteaguas– Divisorias geográficas secundarias= Forman las subcuencas

Capítulo 2.Capítulo 2.Definición de Cuenca Definición de Cuenca HidrológicaHidrológica• La definición de cuenca hidrológica es más integral que la

de cuenca hidrográfica• Las cuencas hidrológicas son unidades morfológicas

integrales y además de incluir todo el concepto de cuenca hidrográfica, abarcan en su contenido, toda la estructura hidrogeológica subterránea del acuífero como un todo.

Capítulo 2.Capítulo 2.División de la cuenca como unidad de División de la cuenca como unidad de

gestióngestión • Subcuenca:Subcuenca: es toda área que es toda área que

desarrolla su drenaje desarrolla su drenaje directamente al curso directamente al curso principal de la cuenca. principal de la cuenca. – Varias subcuencas pueden Varias subcuencas pueden

conformar una cuenca.conformar una cuenca.• Microcuenca:Microcuenca: es toda área es toda área

que desarrolla su drenaje que desarrolla su drenaje directamente a la corriente directamente a la corriente principal de una subcuenca.principal de una subcuenca.– Varias microcuencas pueden Varias microcuencas pueden

conformar una subcuenca.conformar una subcuenca.• Quebradas:Quebradas: es toda área que es toda área que

desarrolla su drenaje desarrolla su drenaje directamente a la corriente directamente a la corriente principal de una microcuenca.principal de una microcuenca.– Varias quebradas pueden Varias quebradas pueden

conformar una microcuenca. conformar una microcuenca.

Capitulo 2Capitulo 2Delimitación de cuencasDelimitación de cuencas

• Las cuencas Las cuencas pueden ser pueden ser delimitadas de delimitadas de varias formas:varias formas:– Manual: Siguiendo Manual: Siguiendo

simples reglas de simples reglas de trazadotrazado

Capitulo 2Capitulo 2Delimitación de cuencasDelimitación de cuencas

– Computarizada o automáticaComputarizada o automática•Se hace a partir de las curvas a nivel y la Se hace a partir de las curvas a nivel y la

red hidrográfica digitalizadasred hidrográfica digitalizadas

•Puede presentar algunos problemas para su Puede presentar algunos problemas para su delimitación principalmente en el área delimitación principalmente en el área cercana al punto de aforo.cercana al punto de aforo.

•Depende de un insumo llamado Modelo de Depende de un insumo llamado Modelo de Elevación Digital (MED) o Modelo de Elevación Digital (MED) o Modelo de Elevación de Terreno (MET).Elevación de Terreno (MET).

•Un breve ejercicio en ARCVIEW……Un breve ejercicio en ARCVIEW……

Capitulo 2Capitulo 2Delimitación automatizada de Delimitación automatizada de cuencascuencas• Generación del MEDGeneración del MED

• ““Quemado” o “Marcado” de los ríosQuemado” o “Marcado” de los ríos

• MED sin depresiones locales (Fill MED sin depresiones locales (Fill sinks)sinks)

• Grid de Dirección de FlujoGrid de Dirección de Flujo

• Grid de Acumulación de FlujoGrid de Acumulación de Flujo

• Trazado automáticoTrazado automático

Capítulo 2Capítulo 2Características físicas de la Características físicas de la cuencacuenca• Superficie o áreaSuperficie o área

• PerímetroPerímetro

• Topografía (curva hipsométrica y Topografía (curva hipsométrica y curva de frecuencia de altitudes)curva de frecuencia de altitudes)

• Altitudes característicasAltitudes características

• Índices representativosÍndices representativos

Superficie o áreaSuperficie o área

• Automatizada o computarizadaAutomatizada o computarizada– Por medio de un SIG.Por medio de un SIG.– En ArcView 3.3 se aplica la extensión En ArcView 3.3 se aplica la extensión

Mila Utilities 3.2.Mila Utilities 3.2.– El proceso se hace de manera El proceso se hace de manera

automática y el área se agrega a la automática y el área se agrega a la tabla de atributos de la cuenca.tabla de atributos de la cuenca.

PerímetroPerímetro

• Automatizado o ComputarizadoAutomatizado o Computarizado– Por medio de un SIG.Por medio de un SIG.– En ArcView 3.3 se aplica la extensión En ArcView 3.3 se aplica la extensión

Mila Utilities 3.2.Mila Utilities 3.2.– El proceso se hace de manera El proceso se hace de manera

automática y el perímetro se agrega a la automática y el perímetro se agrega a la tabla de atributos de la cuenca.tabla de atributos de la cuenca.

Curva hipsométricaCurva hipsométrica

•Es la curva que puesta en coordenadas rectangulares, representa la relación entre la altitud, y la superficie de la cuenca que queda sobre esa altitud.


• Se debe calcular las Se debe calcular las áreas entre curvas a áreas entre curvas a nivelnivel

• Se calcula por medio Se calcula por medio del planímetro o por del planímetro o por medios medios gravimétricosgravimétricos

• Se puede calcular Se puede calcular por SIGpor SIG


Altitudes característicasAltitudes características

• Altitud media: es la ordenada medida de la curva hipsométrica, donde el 50 % del área de la cuenca, está situado por encima de esa altitud y el 50 % está situado por debajo de ella.

• Altitud mas frecuente: es el máximo valor en porcentaje de la curva de frecuencia de altitudes.

• Altitud de frecuencia 1/2: es la altitud correspondiente al punto de abscisa ½ de la curva de frecuencia de altitudes.

Indice o Factor de Forma (F)Indice o Factor de Forma (F)

• Expresa la relación, entre el ancho promedio de la cuenca y su longitud

Indice o Factor de Forma (F)Indice o Factor de Forma (F)

• A mayor F mayor posibilidad de tener una tormenta intensa simultánea sobre toda la extensión de la cuenca

Pendiente de la CuencaPendiente de la Cuenca

•Tiene una relación importante y compleja con la infiltración, la escorrentía superficial, la humedad del suelo, y la contribución del agua subterránea a la escorrentía– Controla el tiempo de escurrimiento y

concentración de la lluvia en los canales de drenaje

Pendiente de la CuencaPendiente de la Cuenca

•Criterios para evaluar la pendiente– Criterio de Alvord– Criterio de Horton– Criterio de Nash– Criterio del rectángulo equivalente

Criterio de AlvordCriterio de Alvord

• Este criterio está basado, en la obtención previa de las pendientes existentes entre las curvas de nivel.

Pendiente del caucePendiente del cauce

• Importante para– Aprovechamiento hidroeléctrico– Solución de problemas de inundaciones.

• La pendiente del cauce se puede considerar como el cociente, que resulta de dividir, el desnivel de los extremos del tramo, entre la longitud horizontal de dicho tramo.

• Existen varios métodos para obtener la pendiente de un cauce

Metodos para obtener Metodos para obtener pendiente del caucependiente del cauce

• Pendiente uniformePendiente uniforme

• Compensación de áreasCompensación de áreas

• Ecuación de Taylor y SchwarzEcuación de Taylor y Schwarz

Pendiente UniformePendiente Uniforme

• Considera la pendiente del cauce, como la relación entre el desnivel que hay entre los extremos del cauce y la proyección horizontal de su longitud

• El método puede utilizarse en tramos cortos del río.

Red de DrenajeRed de Drenaje

•Las características de una red de drenaje, pueden describirse principalmente de acuerdo con:– El tipo de corrientes– El orden de las corrientes– Longitud de los tributarios– Densidad de corriente– Densidad de drenaje

Tipo de CorrientesTipo de Corrientes

• Corriente efímera, es aquella que solo lleva agua cuando llueve e inmediatamente después.

• Corriente intermitente, lleva agua la mayor parte del tiempo, pero principalmente en época de lluvias; su aporte cesa cuando el nivel freático desciende por debajo del fondo del cauce.

• Corriente perenne, contiene agua todo el tiempo, ya que aún en época de sequía es abastecida continuamente, pues el nivel freático siempre permanece por arriba del fondo del cauce.

Orden de las corrientesOrden de las corrientes

• Proporciona el grado de bifurcación dentro de la cuenca.

• Se requiere de un plano de la cuenca que incluya tanto corrientes perennes como intermitentes.

• Existen dos métodos para determinarlas:– Strahler– Shreve

• Pueden trazarse mediante el uso de los SIG.

4

Strahler

Shreve

Longitud de los tributariosLongitud de los tributarios

• Indicador de la magnitud de la pendiente de la cuenca, así como del grado de drenaje.

• Areas escarpadas y bien drenadas ---> numerosos tributarios pequeños y cortos

• Areas planas (suelos son profundos y permeables) ---> tributarios largos, que generalmente son corrientes perennes

• Longitud de los tributarios se incrementa como una función de su orden.

• La medición de las corrientes, se realiza dividiendo la corriente en una serie de segmentos lineales, trazados lo más próximo posible a las trayectorias de los cauces de las corrientes.

• También puede realizarse desde un SIG.

Densidad de las corrientesDensidad de las corrientes

• Es la relación entre el número de corrientes y el área drenada• Solamente se consideran corrientes perennes e intermitentes• El cauce principal cuenta como una corriente y luego los

tributarios a este cauce desde su nacimiento hasta su unión con el cauce principal

Densidad de drenajeDensidad de drenaje

• Se expresa como la longitud de las corrientes, por unidad de área• Indica:

– La posible naturaleza de los suelos, que se encuentran en la cuenca.– El grado de cobertura que existe en la cuenca.

• Valores altos, representan zonas con poca cobertura vegetal, suelos fácilmente erosionables o impermeables

• Valores bajos, indican suelos duros, poco erosionables o muy permeables y cobertura vegetal densa.

• Se puede calcular mediante un SIG

PrecipitaciónPrecipitación

Capitulo 3.Capitulo 3.PrecipitaciónPrecipitación

• FormasFormas– Llovizna o garúaLlovizna o garúa– LluviaLluvia– GranizoGranizo– NieveNieve

• Precipitación es la Precipitación es la fuente primaria del fuente primaria del agua de la agua de la superficie terrestresuperficie terrestre

Capitulo 3Capitulo 33.2 Formas de precipitación3.2 Formas de precipitación• LloviznaLlovizna

– Gotas con diámetros de 0.1 a 0.5 mmGotas con diámetros de 0.1 a 0.5 mm– Velocidad de caída baja: 1 m/seg a Velocidad de caída baja: 1 m/seg a < 3 < 3

m/segm/seg• LluviaLluvia

– Gotas con diámetros Gotas con diámetros >> 0.5 mm 0.5 mm– Velocidad de caída media: 3 m/seg a Velocidad de caída media: 3 m/seg a < 7 < 7

m/segm/seg• ChubascoChubasco

– Gotas grandes y dispersas con diámetros Gotas grandes y dispersas con diámetros > > 3 mm3 mm

– Velocidad de caída Velocidad de caída > 7 m/seg> 7 m/seg• EscarchaEscarcha

– Capa de hielo con bolsas de aireCapa de hielo con bolsas de aire• NieveNieve

– Cristales complejos de hieloCristales complejos de hielo• GranizoGranizo

– Precipitación en forma bolas o formas Precipitación en forma bolas o formas irregulares de hieloirregulares de hielo

– Diámetro entre 5 y 125 mmDiámetro entre 5 y 125 mm

Capítulo 3Capítulo 33.3 Clasificación de la 3.3 Clasificación de la precipitaciónprecipitación• Atendiendo al factor

que provoca la elevación del aire en la atmósfera, la precipitación se clasifica en:– Convectiva– Orográfica– Ciclónica

Capítulo 3Capítulo 3Precipitación convectivaPrecipitación convectiva• Propias de tiempo caluroso y

de regiones tropicales• Son acompañadas de rayos y

truenos• La precipitación se da por los

siguientes procesos:– Evaporación– Elevación por convección– Enfriamiento por ascenso

(gradiente)• Adiabático seco (1° C /100m)• Adiabático húmedo o

saturado (0.5°C /100m)

• Las masas de vapor acumulado forman las llamadas Células de Convección.

Capítulo 3Capítulo 3Precipitación orográficaPrecipitación orográfica

• La precipitación se da por los siguientes procesos:– Evaporación– Empuje del vapor hacia

las montañas– Enfriamiento por

ascenso a lo largo de la montaña

– Condensación y Precipitación

Capítulo 3Capítulo 3Precipitación ciclónicaPrecipitación ciclónica• La precipitación se da

por los siguientes procesos:– Choque de dos masas

con diferente temperatura y humedad

– Nubes mas calientes impulsadas a las partes altas

– Condensación y Precipitación

• Están asociadas con el paso de ciclones o zonas de baja presión.

Capítulo 3Capítulo 33.4 Medición de la 3.4 Medición de la precipitaciónprecipitación• Se mide en función

de la altura de la lámina de agua que cae por unidad de área

Sihp= 1mm Entonces:Volumen= 0.001 m3

o igual a 1 litro

hp

Area= 1 m2

Capítulo 3Capítulo 33.4 Medición de la 3.4 Medición de la precipitaciónprecipitación• PluviómetroPluviómetro

– Aparato destinado a medir la Aparato destinado a medir la cantidad de agua caída, ya cantidad de agua caída, ya sea en forma de lluvia, nieve sea en forma de lluvia, nieve o granizo, expresada a través o granizo, expresada a través de la cantidad de litros o de la cantidad de litros o milímetros caídos por metro milímetros caídos por metro cuadrado.cuadrado.

– Cualquier recipiente de boca Cualquier recipiente de boca ancha, cuya superficie sea ancha, cuya superficie sea conocida puede servir como conocida puede servir como pluviómetro; para efectuar las pluviómetro; para efectuar las medidas, se utilizará una medidas, se utilizará una probeta graduada que dará probeta graduada que dará los cc. de precipitación caídos los cc. de precipitación caídos en el pluviómetro.en el pluviómetro.

– El pluviómetro tipo Hellmann El pluviómetro tipo Hellmann es el instrumento es el instrumento meteorológico más meteorológico más generalizado.generalizado.

20 cm Φ

Capítulo 3Capítulo 33.4 Medición de la 3.4 Medición de la precipitaciónprecipitación• PluviógrafoPluviógrafo

– Es un instrumento Es un instrumento registrador que mide la registrador que mide la cantidad de precipitación e cantidad de precipitación e indica la intensidad caída.indica la intensidad caída.

– Constituidos por Constituidos por recipientes dobles de recipientes dobles de medida conocida (vaciado medida conocida (vaciado automático)automático)

– El movimiento se transmite El movimiento se transmite a una plumilla que inscribe a una plumilla que inscribe sobre la banda sobre la banda registradora el número de registradora el número de vuelcos que se han vuelcos que se han producidoproducido

– El gráfico que se genera se El gráfico que se genera se conoce como pluviograma.conoce como pluviograma.

Pluviograma

Capítulo 3Capítulo 33.4 Medición de la 3.4 Medición de la precipitaciónprecipitación• Estaciones automáticasEstaciones automáticas

– Registran parámetros Registran parámetros hasta cada minutohasta cada minuto

– Bajo costoBajo costo– Pueden verse los datos Pueden verse los datos

en tiempo realen tiempo real– Proceso se hace Proceso se hace

mediante un programa mediante un programa especializadoespecializado

• El CATIE acaba de El CATIE acaba de instalar dos estaciones instalar dos estaciones de este tipo.de este tipo.

Capítulo 3Capítulo 33.4 Medición de la 3.4 Medición de la precipitaciónprecipitación• RadarRadar

– Puede determinar dónde están la Puede determinar dónde están la lluvialluvia y el y el granizo granizo ..

– El rada rebota ondas de radio en El rada rebota ondas de radio en las gotas de lluvia de las nubes.las gotas de lluvia de las nubes.

– Una computadora mide cuánto Una computadora mide cuánto tiempo le toma a las ondas tiempo le toma a las ondas reflejarse de vuelta y utiliza ese reflejarse de vuelta y utiliza ese tiempo para determinar cuán lejos tiempo para determinar cuán lejos está la lluvia.está la lluvia.

– La computadora también mide La computadora también mide cuánta energía se cuánta energía se refleja de refleja de vuelta vuelta hacia el radar y calcula hacia el radar y calcula cuanta lluvia contienen las nubes. cuanta lluvia contienen las nubes.

• Radar DopplerRadar Doppler– No sólo puede determinar cuán No sólo puede determinar cuán

lejos están las gotas de lluvia, lejos están las gotas de lluvia, también puede calcular si se también puede calcular si se están moviendo en dirección o están moviendo en dirección o lejos del radar. lejos del radar.

– Los metereólogos saben que si la Los metereólogos saben que si la lluvia se está moviendo, el lluvia se está moviendo, el viento viento debe estar empujándola. Es así debe estar empujándola. Es así como saben hacia dónde sopla el como saben hacia dónde sopla el viento dentro de las nubes. viento dentro de las nubes.

http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Atmosphere/precipitation/rain.sp.html

http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Atmosphere/precipitation/hail.sp.html

http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/Atmosphere/wind.sp.html

Capítulo 3Capítulo 33.5 Cálculo de la precipitación 3.5 Cálculo de la precipitación mediamedia• Los métodos pueden ser utilizados Los métodos pueden ser utilizados

para calcular precipitación media para calcular precipitación media anual o de una tormentaanual o de una tormenta

• Metodologías:Metodologías:– Promedio aritméticoPromedio aritmético– Polígonos de ThiessenPolígonos de Thiessen– IsoyetasIsoyetas

3.5.1 Promedio aritmético3.5.1 Promedio aritmético

• Promedio aritmético, de las alturas de precipitaciones registradas, de las estaciones localizadas dentro de la zona

• Precisión depende de:– Cantidad de estaciones– Distribución de

estaciones– Distribución de lluvias

• Es un método bueno si hay un gran número de pluviómetros

3.5.2 Polígonos de Thiessen3.5.2 Polígonos de Thiessen

• Se necesita conocer la localización de las estaciones dentro y fuera del área de estudio.

• Este método lo utilizaremos en el laboratorio utilizando SIG.

3.5.3 Isoyetas3.5.3 Isoyetas

• Se necesita de un plano de isoyetas para el área de estudio

• Este solía ser el método más exacto.

• Se necesita de un buen criterio para el trazado de isoyetas

• Precipitación orográfica sigue el patrón de curvas a nivel

3.5.4 Interpolación espacial3.5.4 Interpolación espacial

• Procedimiento matemático utilizado para predecir el valor de un atributo en una locación precisa a partir de valores del atributo obtenidos de puntos vecinos ubicados al interior de la misma región. A la predicción del valor de un atributo en lugares fuera de la región cubierta por las observaciones se le llama extrapolación.

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaDefiniciónDefinición

• Tormenta: Conjunto de lluvias que Tormenta: Conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación obedecen a una misma perturbación meteorológica y de características meteorológica y de características bien definidas.bien definidas.

– Dura desde minutos, horas o díasDura desde minutos, horas o días– Abarca extensiones variables (pequeñas a Abarca extensiones variables (pequeñas a

grandes)grandes)

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaImportancia del análisisImportancia del análisis

• Importante en el diseño de obras de Importante en el diseño de obras de ingeniería hidráulicaingeniería hidráulica– DrenajesDrenajes– Q máximos para el diseño de aliviaderos Q máximos para el diseño de aliviaderos

de represas o en control de torrentesde represas o en control de torrentes– Diseño de la luz de un puenteDiseño de la luz de un puente– Conservación de suelosConservación de suelos– Diámetro de alcantarillasDiámetro de alcantarillas

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaElementos del análisisElementos del análisis

• IntensidadIntensidad– Cantidad de HCantidad de H22O caída por unidad de tiempoO caída por unidad de tiempo

– Lo más importante es la intensidad máximaLo más importante es la intensidad máxima– La intensidad se expresa así:La intensidad se expresa así:

Imax = P / tImax = P / t

donde:donde:

Imax= Intensidad máxima en mm/horaImax= Intensidad máxima en mm/hora

P = Precipitación en altura de agua, en mmP = Precipitación en altura de agua, en mm

t = tiempo, en horast = tiempo, en horas


• DuraciónDuración– Tiempo entre el comienzo y el fin de la Tiempo entre el comienzo y el fin de la

tormentatormenta– Período de duración (PD) = un determinado Período de duración (PD) = un determinado

período de tiempo, tomado en minutos u período de tiempo, tomado en minutos u horas, dentro del total de la tormentahoras, dentro del total de la tormenta

– El PD tiene importancia en la determinación de El PD tiene importancia en la determinación de intensidades máximas.intensidades máximas.

– Tanto la intensidad como la duración se Tanto la intensidad como la duración se obtienen del pluviograma.obtienen del pluviograma.


• Frecuencia (f)Frecuencia (f)– No. de veces que se repite una tormenta de No. de veces que se repite una tormenta de

características de intensidad y duración, características de intensidad y duración, definidas en un período de tiempo expresado en definidas en un período de tiempo expresado en años.años.

• Tiempo de retorno (Tr)Tiempo de retorno (Tr)– Intervalo de tiempo promedio, dentro del cual un Intervalo de tiempo promedio, dentro del cual un

evento de magnitud evento de magnitud XX puede ser igualado o puede ser igualado o excedido por lo menos una vez en promedio.excedido por lo menos una vez en promedio.• Es el inverso de la frecuenciaEs el inverso de la frecuencia• Se representa como: Tr = 1/fSe representa como: Tr = 1/f

– Ej: Tormenta de intensidad máxima igual a 50 mm/hr, Ej: Tormenta de intensidad máxima igual a 50 mm/hr, para una duración de 30 minutos y un tiempo de retorno para una duración de 30 minutos y un tiempo de retorno de 10 años.de 10 años.

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaEl Hietograma y la curva El Hietograma y la curva

masamasa• Es necesario determinar las Es necesario determinar las

variaciones de las tormentas en el variaciones de las tormentas en el tiempotiempo– De esas variaciones depende el diseño De esas variaciones depende el diseño

de obras hidráulicasde obras hidráulicas

• Estas variaciones se estudian Estas variaciones se estudian mediante el hietograma y la curva mediante el hietograma y la curva masa de precipitación.masa de precipitación.

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaEl HietogramaEl Hietograma

• Gráfico escalonado similar al histograma Gráfico escalonado similar al histograma que representa la variación en intensidad que representa la variación en intensidad expresada en mm/hora en el transcurso de expresada en mm/hora en el transcurso de la misma expresada en minutos u horas.la misma expresada en minutos u horas.

• Nos muestra la hora a la que sucede la Nos muestra la hora a la que sucede la máxima intensidad y su respectivo valormáxima intensidad y su respectivo valor

• Matemáticamente representa:Matemáticamente representa: I = I = δδP/ P/ δδtt

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaLa curva masa acumuladaLa curva masa acumulada

• Representa la precipitación Representa la precipitación acumulada vrs el tiempo.acumulada vrs el tiempo.

• Se extrae directamente del Se extrae directamente del pluviogramapluviograma

• La pendiente de la tangente en La pendiente de la tangente en cualquier punto, representa la cualquier punto, representa la intensidad instantánea en ese tiempo.intensidad instantánea en ese tiempo.

• La curva masa es la integral del La curva masa es la integral del hietograma.hietograma.

t

0

tf(I)P

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaHietograma y curva masaHietograma y curva masa

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaIntensidad máxima para una determinada Intensidad máxima para una determinada zona de Costa Ricazona de Costa Rica

• Elaboradas por Ellio Coen París (1967)Elaboradas por Ellio Coen París (1967)

• Se recomiendan para períodos de retorno de 10 Se recomiendan para períodos de retorno de 10 años o menos años o menos

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaEjemplo de Imax para Ejemplo de Imax para

diseñodiseño• Se desea realizar el diseño de una Se desea realizar el diseño de una

alcantarilla en Cartago, para lo cual, alcantarilla en Cartago, para lo cual, se requiere calcular la intensidad se requiere calcular la intensidad máxima de diseño, para una máxima de diseño, para una duración de 20 min (esto se calcula duración de 20 min (esto se calcula con el tiempo de concentración), y con el tiempo de concentración), y un período de retorno de 10 años.un período de retorno de 10 años.


diseñodiseño

Corresponde una intensidadCorresponde una intensidadmáxima de 40 mm para unamáxima de 40 mm para unahora de duración y un períodohora de duración y un períodode retorno de un añode retorno de un año


diseñodiseño

Para un período de retorno dePara un período de retorno de10 años y una lluvia de 40 mm10 años y una lluvia de 40 mmpara una duración de 1 horapara una duración de 1 horacorresponde una lluvia máximacorresponde una lluvia máximade 76 mm. de 76 mm.


diseñodiseño

Para una duración de 20 minPara una duración de 20 miny una lluvia máxima de 76y una lluvia máxima de 76mm (interpolar entre dos líneas)mm (interpolar entre dos líneas)se obtiene una intensidad dese obtiene una intensidad de135 mm/hora 135 mm/hora

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaCurvas IDP para CRCurvas IDP para CR

• En general, las curvas IDF se En general, las curvas IDF se ajustan a ecuaciones que ajustan a ecuaciones que tienen la siguiente expresión:tienen la siguiente expresión:

• Donde:Donde:– Cr es un coeficiente que Cr es un coeficiente que

depende de la Frecuencia del depende de la Frecuencia del eventoevento

– b y n son parámetros propios b y n son parámetros propios de la cuenca que se está de la cuenca que se está analizandoanalizando

– i es la intensidad del i es la intensidad del aguaceroaguacero

– t es la duración del mismot es la duración del mismo• La ecuación es aceptable La ecuación es aceptable

para Duraciones menores de para Duraciones menores de 2 horas y Frecuencias 2 horas y Frecuencias menores de una vez en 100 menores de una vez en 100 años.años.

3.6 Estudio de una tormenta3.6 Estudio de una tormentaCurvas IDP para CRCurvas IDP para CR

• Desarrolladas por W. Varson y A. Marvin (1992)

• Se hizo para las principales ciudades de CR.

• Períodos de registro de 21 años, duraciones de 5 a 720 minutos y períodos de retorno de 2 hasta 200 años.

• Se utilizó la distribuciónde Gumbel

• Se basó en ecuaciones de regresión (basadas en datos tabulares) con los que se elaboraron los gráficos

• A la derecha se muestran las ecuaciones para duraciones entre 5 y 120 minutos

Escorrentía IEscorrentía I

Capitulo 4. EscurrimientoCapitulo 4. Escurrimiento4.1 Aspectos Generales4.1 Aspectos Generales

• El escurrimiento es el componente El escurrimiento es el componente del ciclo hidrológico que se define del ciclo hidrológico que se define como el agua proveniente de la como el agua proveniente de la precipitación, que circula sobre o precipitación, que circula sobre o bajo la superficie terrestre, y que bajo la superficie terrestre, y que llega a una corriente para finalmente llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la ser drenada hasta la salida de la cuenca (estación de aforo).cuenca (estación de aforo).

Capitulo 4. EscurrimientoCapitulo 4. Escurrimiento4.1 Aspectos Generales4.1 Aspectos Generales• ¿Qué pasa con la precipitación cuando llega a la ¿Qué pasa con la precipitación cuando llega a la

superficie de la tierra?superficie de la tierra?• 1. Una parte de la precipitación se infiltra.1. Una parte de la precipitación se infiltra.

– Una parte de ésta, satisface la humedad del suelo, Una parte de ésta, satisface la humedad del suelo, de las capas que se encuentran sobre el nivel de las capas que se encuentran sobre el nivel freático del aguafreático del agua

– Una vez que estas capas se han saturado, el agua Una vez que estas capas se han saturado, el agua subterránea es recargada, por la parte restante del subterránea es recargada, por la parte restante del agua que se infiltra.agua que se infiltra.

• 2. Otra parte de la precipitación, tiende a escurrir 2. Otra parte de la precipitación, tiende a escurrir sobre la superficie terrestresobre la superficie terrestre– La precipitación que ocasiona este escurrimiento, se La precipitación que ocasiona este escurrimiento, se

llama altura de precipitación en exceso (llama altura de precipitación en exceso (hphp).).• 3. Una pequeña proporción se pierde.3. Una pequeña proporción se pierde.

Capítulo 4. EscurrimientoCapítulo 4. Escurrimiento4.1 Aspectos Generales4.1 Aspectos Generales• El escurrimiento se clasifica en tres tipos:El escurrimiento se clasifica en tres tipos:

– Escurrimiento superficial (Escurrimiento superficial (QQ))

– Escurrimiento subsuperficial (Escurrimiento subsuperficial (QsQs))

– Escurrimiento subterráneo (Escurrimiento subterráneo (QgQg))

Capítulo 4. EscurrimientoCapítulo 4. Escurrimiento4.1 Aspectos Generales4.1 Aspectos Generales• Escurrimiento superficialEscurrimiento superficial

– Proviene de la precipitación no infiltrada y que escurre sobre la Proviene de la precipitación no infiltrada y que escurre sobre la superficie del suelo.superficie del suelo.

– Efecto inmediato sobre el escurrimiento total existe durante la Efecto inmediato sobre el escurrimiento total existe durante la tormenta e inmediatamente después de que esta terminetormenta e inmediatamente después de que esta termine

– La parte de la precipitación total que da lugar a este escurrimiento, se La parte de la precipitación total que da lugar a este escurrimiento, se denomina precipitación en exceso (denomina precipitación en exceso (hphp).).

• Escurrimiento subsuperficialEscurrimiento subsuperficial– Proviene de una parte de la precipitación infiltrada.Proviene de una parte de la precipitación infiltrada.– El efecto sobre el escurrimiento total, puede ser inmediato o retardado.El efecto sobre el escurrimiento total, puede ser inmediato o retardado.– Si es inmediato se le da el mismo tratamiento que al escurrimiento Si es inmediato se le da el mismo tratamiento que al escurrimiento

superficial, en caso contrario, como escurrimiento subterráneo.superficial, en caso contrario, como escurrimiento subterráneo.• Escurrimiento subterráneoEscurrimiento subterráneo

– es aquel que proviene del agua subterránea, la cual es recargada por es aquel que proviene del agua subterránea, la cual es recargada por la parte de la precipitación que se infiltra, una vez que el suelo se ha la parte de la precipitación que se infiltra, una vez que el suelo se ha saturado.saturado.

Capítulo 4. EscurrimientoCapítulo 4. Escurrimiento4.1 Aspectos Generales4.1 Aspectos Generales

Capítulo 4. EscurrimientoCapítulo 4. Escurrimiento4.1 Aspectos Generales4.1 Aspectos Generales

4.2 Factores que afectan el 4.2 Factores que afectan el escurrimiento superficialescurrimiento superficial

• MeteorológicosMeteorológicos– forma, tipo, duración e intensidad de la forma, tipo, duración e intensidad de la

precipitaciónprecipitación– la dirección y la velocidad de la tormentala dirección y la velocidad de la tormenta– la distribución de la lluvia en la cuenca.la distribución de la lluvia en la cuenca.

• FisiográficosFisiográficos– Características físicas de la cuenca (superficie, Características físicas de la cuenca (superficie,

forma, elevación, pendiente)forma, elevación, pendiente)– tipo y uso del suelotipo y uso del suelo– humedad antecedente del mismo.humedad antecedente del mismo.

4.2.1 Factores 4.2.1 Factores MeteorológicosMeteorológicos• Forma y tipo de la precipitaciónForma y tipo de la precipitación

– Si la precipitación es de origen orográfico ===Si la precipitación es de origen orográfico ===> ocurre > ocurre seguramente seguramente en las zonas montañosas en la parte alta de en las zonas montañosas en la parte alta de la cuenca, por lo que los escurrimientos se regularizarán la cuenca, por lo que los escurrimientos se regularizarán notablemente durante su recorrido, y se tendrán valores notablemente durante su recorrido, y se tendrán valores relativamente bajos del caudal en la descarga.relativamente bajos del caudal en la descarga.

– El efecto de la forma de la precipitación, se manifiesta El efecto de la forma de la precipitación, se manifiesta principalmente en el tiempo de concentración de los principalmente en el tiempo de concentración de los escurrimientosescurrimientos• En forma de lluvia, con intensidad y duración suficiente, el En forma de lluvia, con intensidad y duración suficiente, el

escurrimiento superficial se presentará casi de inmediatoescurrimiento superficial se presentará casi de inmediato• Precipitación en forma de nieve el escurrimiento es Precipitación en forma de nieve el escurrimiento es

retardado, donde la respuesta de la cuenca, será más lenta retardado, donde la respuesta de la cuenca, será más lenta debido al tiempo necesario para que se produzca el deshielo.debido al tiempo necesario para que se produzca el deshielo.

4.2.1 Factores 4.2.1 Factores MeteorológicosMeteorológicos• Intensidad de precipitaciónIntensidad de precipitación

– Intensidad de lluvia excede a la Intensidad de lluvia excede a la capacidad de infiltración del suelo, se capacidad de infiltración del suelo, se presenta el escurrimiento superficialpresenta el escurrimiento superficial, , observándose para incrementos observándose para incrementos posteriores en la intensidad de lluvia, posteriores en la intensidad de lluvia, aumento en el caudal transportado por aumento en el caudal transportado por el río.el río.•Existe un retardo debido a:Existe un retardo debido a:

– tamaño de la cuencatamaño de la cuenca– almacenamiento en las depresionesalmacenamiento en las depresiones– efecto regulador de los caucesefecto regulador de los cauces

4.2.1 Factores 4.2.1 Factores MeteorológicosMeteorológicos

• Duración de la precipitaciónDuración de la precipitación– La capacidad de infiltración del suelo disminuye durante La capacidad de infiltración del suelo disminuye durante

la precipitaciónla precipitación, por lo que puede darse el caso, que , por lo que puede darse el caso, que tormentas con intensidad de lluvia relativamente baja, tormentas con intensidad de lluvia relativamente baja, produzcan un escurrimiento superficial considerable, si produzcan un escurrimiento superficial considerable, si su duración es extensa.su duración es extensa.

– En algunos casos, particularmente en las zonas bajas de En algunos casos, particularmente en las zonas bajas de la cuenca, la cuenca, para lluvias de mucha duración el nivel para lluvias de mucha duración el nivel freático puede ascender hasta la superficie del suelofreático puede ascender hasta la superficie del suelo, , llegando a nulificar la infiltración, aumentado por lo llegando a nulificar la infiltración, aumentado por lo tanto, la magnitud del escurrimiento. tanto, la magnitud del escurrimiento.

– Los caudales de una cuenca, son máximos cuando el Los caudales de una cuenca, son máximos cuando el tiempo que tardan en concentrarse (tiempo de tiempo que tardan en concentrarse (tiempo de concentración), es similar a la duración de la tormenta concentración), es similar a la duración de la tormenta que los originaque los origina..


• Distribución de la lluvia en la cuencaDistribución de la lluvia en la cuenca– La lluvia no se distribuye uniformemente en La lluvia no se distribuye uniformemente en

cuencas grandes, ni con la misma intensidad.cuencas grandes, ni con la misma intensidad.– Si Si la precipitación se concentra en la parte baja la precipitación se concentra en la parte baja

de la cuenca produce caudales mayoresde la cuenca produce caudales mayores, que , que los que se tendrían si tuviera lugar en la parte los que se tendrían si tuviera lugar en la parte alta donde el efecto regulador de los caudales, alta donde el efecto regulador de los caudales, y el retardo en la concentración, se manifiesta y el retardo en la concentración, se manifiesta en una disminución del caudal máximo de en una disminución del caudal máximo de descarga.descarga.


• Dirección y velocidad de la tormentaDirección y velocidad de la tormenta– Tormentas que se mueven en el sentido de la Tormentas que se mueven en el sentido de la

corriente, producen caudales de descarga corriente, producen caudales de descarga mayores, que las que se desplazan hacia la mayores, que las que se desplazan hacia la parte alta de la cuenca.parte alta de la cuenca.

• Otras condiciones meteorológicasOtras condiciones meteorológicas– Condiciones meteorológicas generales que Condiciones meteorológicas generales que

influyen, aunque de una manera indirecta en el influyen, aunque de una manera indirecta en el escurrimiento superficialescurrimiento superficial• TemperaturaTemperatura• velocidad del vientovelocidad del viento• humedad relativahumedad relativa• presión barométrica, etc.presión barométrica, etc.

4.2.2 Factores Fisiográficos4.2.2 Factores Fisiográficos

• Superficie de la cuencaSuperficie de la cuenca– Relación entre el tamaño del área y el caudal de Relación entre el tamaño del área y el caudal de

descarga no es lineal.descarga no es lineal.– A igualdad de los demás factoresA igualdad de los demás factores

• cuencas mayores, se observa una disminución relativa cuencas mayores, se observa una disminución relativa en el caudal máximo de descarga, debido a que son en el caudal máximo de descarga, debido a que son mayores, el efecto de almacenaje, la distancia mayores, el efecto de almacenaje, la distancia recorrida por las aguas, y por lo tanto, el tiempo de recorrida por las aguas, y por lo tanto, el tiempo de regulación en los cauces naturales.regulación en los cauces naturales.

– Máxima intensidad de lluvia, que puede ocurrir Máxima intensidad de lluvia, que puede ocurrir con cualquier frecuencia, decrece conforme con cualquier frecuencia, decrece conforme aumenta la superficie que cubre la tormentaaumenta la superficie que cubre la tormenta• cuencas mayores, se tendrán intensidades de cuencas mayores, se tendrán intensidades de

precipitación (referidas a la superficie de la cuenca), y precipitación (referidas a la superficie de la cuenca), y caudales específicos de descarga menores.caudales específicos de descarga menores.


• Forma de la cuencaForma de la cuenca– Para cuencas muy anchas o con salidas Para cuencas muy anchas o con salidas

hacia los lados, el factor de forma puede hacia los lados, el factor de forma puede resultar mayor que la unidad.resultar mayor que la unidad.•Los factores de forma inferiores a la unidad, Los factores de forma inferiores a la unidad,

corresponden a cuencas mas bien extensas, corresponden a cuencas mas bien extensas, en el sentido de la corriente.en el sentido de la corriente.

– El coeficiente de compacidad, es El coeficiente de compacidad, es indicador de la regularidad geométrica indicador de la regularidad geométrica de la forma de la cuenca.de la forma de la cuenca.


• Elevación de la cuenca y diferencia Elevación de la cuenca y diferencia entre elevaciones extremasentre elevaciones extremas– influye en las características influye en las características

meteorológicas, que determinan formas de meteorológicas, que determinan formas de la precipitaciónla precipitación

– Por lo general, existe una buena Por lo general, existe una buena correlación, entre la precipitación y la correlación, entre la precipitación y la elevación de la cuenca, es decir, a mayor elevación de la cuenca, es decir, a mayor elevación la precipitación es también elevación la precipitación es también mayor.mayor.


• PendientePendiente– Uno de los factores que mayor influencia tiene Uno de los factores que mayor influencia tiene

en la duración del escurrimiento, sobre el suelo en la duración del escurrimiento, sobre el suelo y los cauces naturales, afectando de manera y los cauces naturales, afectando de manera notable, la magnitud de las descargasnotable, la magnitud de las descargas

– Influye en:Influye en:• la infiltraciónla infiltración• la humedad del suelola humedad del suelo• probable aparición de aguas subterráneas al probable aparición de aguas subterráneas al

escurrimiento superficialescurrimiento superficial

– Es difícil la estimación cuantitativa, del efecto Es difícil la estimación cuantitativa, del efecto que tiene la pendiente sobre el escurrimientoque tiene la pendiente sobre el escurrimiento


• Tipo y uso del sueloTipo y uso del suelo– Factores de suelo:Factores de suelo:

• El tamaño de los granos del sueloEl tamaño de los granos del suelo• Ordenamiento y compactaciónOrdenamiento y compactación• Contenido de materia orgánicaContenido de materia orgánica

– El suelo se puede ver alterado por el usoEl suelo se puede ver alterado por el uso• DeforestaciónDeforestación• CompactaciónCompactación• Erosión, etcErosión, etc

• Estado de humedad antecedente del sueloEstado de humedad antecedente del suelo– La cantidad de agua existente en las capas superiores La cantidad de agua existente en las capas superiores

del suelo, afecta el valor del coeficiente de infiltracióndel suelo, afecta el valor del coeficiente de infiltración• humedad del suelo es alta en el momento de ocurrir una humedad del suelo es alta en el momento de ocurrir una

tormenta, la cuenca generará caudales mayores debido a tormenta, la cuenca generará caudales mayores debido a la disminución de la capacidad de infiltración.la disminución de la capacidad de infiltración.

Capacidad de Infiltración yCapacidad de Infiltración yretención de humedadretención de humedad


•Otros factores– La localización y orientación de la

cuenca– La eficiencia de la red de drenaje

natural– La extensión de la red hidrográfica y

otros de menor importancia.

Caudales Máximos ICaudales Máximos I

IntroducciónIntroducción

• Importancia del análisis de caudales máximos:Importancia del análisis de caudales máximos:– Diseño:Diseño:

• Sistemas de drenajeSistemas de drenaje– AgrícolasAgrícolas– AeropuertosAeropuertos– CiudadesCiudades– CarreterasCarreteras

• Muros de encauzamiento para proteger ciudades y plantacionesMuros de encauzamiento para proteger ciudades y plantaciones• AlcantarillasAlcantarillas• Vertedores de excesosVertedores de excesos• Luz en puentesLuz en puentes

– Magnitud del Q de diseño depende de:Magnitud del Q de diseño depende de:• Importancia y costo de la obraImportancia y costo de la obra• Vida útil de la obraVida útil de la obra• Consecuencias de la falla de la obra (daños a infraestructura, vidas Consecuencias de la falla de la obra (daños a infraestructura, vidas

humanas, etc).humanas, etc).– Estos factores determinarán el período de retorno que se asuma para el Estos factores determinarán el período de retorno que se asuma para el

diseño.diseño.

Capítulo 6Capítulo 6Período de retorno de una Período de retorno de una avenidaavenida• Período de retorno (T) para un caudal de diseñoPeríodo de retorno (T) para un caudal de diseño

– Se define, como el intervalo de tiempo dentro del cual un evento de Se define, como el intervalo de tiempo dentro del cual un evento de magnitud magnitud QQ, puede ser igualado o excedido por lo menos una vez en , puede ser igualado o excedido por lo menos una vez en promedio.promedio.

– Si un evento igual o mayor a Si un evento igual o mayor a QQ, ocurre una vez en , ocurre una vez en T T años, su probabilidad años, su probabilidad de ocurrencia de ocurrencia PP, es igual a 1 en , es igual a 1 en T T casos, es decir:casos, es decir:

– La definición anterior permite el siguiente desglose de relaciones de La definición anterior permite el siguiente desglose de relaciones de probabilidades:probabilidades:

– La probabilidad de que La probabilidad de que Q Q ocurra en cualquier año:ocurra en cualquier año:

– La probabilidad de que Q no ocurra en cualquier año; es decir, la La probabilidad de que Q no ocurra en cualquier año; es decir, la probabilidad de ocurrencia de un caudal < Q:probabilidad de ocurrencia de un caudal < Q:

Capítulo 6Capítulo 6 Período de retorno de una Período de retorno de una avenidaavenida• Si se supone que la no ocurrencia de un evento en un año cualquiera, es Si se supone que la no ocurrencia de un evento en un año cualquiera, es

independiente de la no ocurrencia del mismo, en los años anteriores y independiente de la no ocurrencia del mismo, en los años anteriores y posteriores, entonces la probabilidad de que el evento no ocurra en posteriores, entonces la probabilidad de que el evento no ocurra en nn años años sucesivos es:sucesivos es:

• La probabilidad de que el evento, ocurra al menos una vez en La probabilidad de que el evento, ocurra al menos una vez en nn años años sucesivos, es conocida como riesgo o falla sucesivos, es conocida como riesgo o falla RR, y se representa por:, y se representa por:

• Con el parámetro riesgo, es posible determinar cuáles son las Con el parámetro riesgo, es posible determinar cuáles son las implicaciones, de seleccionar un período de retorno dado de una obra, que implicaciones, de seleccionar un período de retorno dado de una obra, que tiene una vida útil de tiene una vida útil de nn años.años.

Período de retorno de una Período de retorno de una avenidaavenidaEjercicio 1Ejercicio 1• Determinar el riesgo o falla de una Determinar el riesgo o falla de una

obra que tiene una vida útil de 15 obra que tiene una vida útil de 15 años, si se diseña para un período de años, si se diseña para un período de retorno de 10 años.retorno de 10 años.

Período de retorno de una Período de retorno de una avenidaavenidaEjercicio 1: SoluciónEjercicio 1: Solución• Para el ejemplo: Para el ejemplo: T T = 10 y = 10 y n n = 15= 15

– Sustituyendo en la ecuación de riesgo:Sustituyendo en la ecuación de riesgo:

– Si el riesgo es de 79.41%, se tiene una Si el riesgo es de 79.41%, se tiene una probabilidad del 79.41% de que la obra probabilidad del 79.41% de que la obra falle durante su vida útil.falle durante su vida útil.

Períodos de retorno de diseño Períodos de retorno de diseño recomendadosrecomendados

• Esta tabla es para Esta tabla es para estructuras menores.estructuras menores.

• En la medida que se En la medida que se pueda se debe pueda se debe aplicar la fórmula aplicar la fórmula para conocer el para conocer el riesgo o bien fijar un riesgo o bien fijar un umbral de riesgo, umbral de riesgo, para determinar el para determinar el período de retorno.período de retorno.

Métodos de estimación de Métodos de estimación de avenidas máximas: Método avenidas máximas: Método directodirecto• Método de sección y pendiente:Método de sección y pendiente:

– Se estima después del paso de una avenida Se estima después del paso de una avenida recolectando datos en el campo.recolectando datos en el campo.• Selección de un tramo del río representativo, Selección de un tramo del río representativo,

suficientemente profundo, que contenga al nivel de suficientemente profundo, que contenga al nivel de las aguas máximas.las aguas máximas.

• Levantamiento de secciones transversales en cada Levantamiento de secciones transversales en cada extremo del tramo elegido, y determinar:extremo del tramo elegido, y determinar:

Métodos de estimación de Métodos de estimación de avenidas máximas: Método avenidas máximas: Método directodirecto

• Determinar la pendiente Determinar la pendiente SS, de la superficie libre , de la superficie libre de agua con las huellas de agua con las huellas de la avenida máxima de la avenida máxima en análisis.en análisis.

• Elegir el coeficiente de Elegir el coeficiente de rugosidad rugosidad n n de Manning de Manning de acuerdo a las de acuerdo a las condiciones físicas del condiciones físicas del cauce (ver tabla). cauce (ver tabla). (USGS, Barnes)(USGS, Barnes)

• En el sitio WEB del curso En el sitio WEB del curso se muestran algunas se muestran algunas fotos de rugosidades fotos de rugosidades para canales naturales. para canales naturales.

• Aplicar la fórmula de Aplicar la fórmula de ManningManning

Coeficiente de rugosidad

Formula de Manning

Métodos de estimación de Métodos de estimación de avenidas máximas: Métodos avenidas máximas: Métodos empíricosempíricos• Método racionalMétodo racional

– Tiene una antigüedad de más de 100 años, se ha generalizado en todo Tiene una antigüedad de más de 100 años, se ha generalizado en todo el mundo.el mundo.

– El método puede ser aplicado a pequeñas cuencas de drenaje agrícola, El método puede ser aplicado a pequeñas cuencas de drenaje agrícola, aproximadamente si no exceden a 1300 has ó 13 kmaproximadamente si no exceden a 1300 has ó 13 km22..

– La máxima escorrentía ocasionada por una lluvia, se produce cuando la La máxima escorrentía ocasionada por una lluvia, se produce cuando la duración de ésta es igual al tiempo de concentración (duración de ésta es igual al tiempo de concentración (tctc).).

• Toda la cuenca contribuye con el caudal en el punto de salida.Toda la cuenca contribuye con el caudal en el punto de salida.– Si la duración es mayor que el Si la duración es mayor que el tctc

• Contribuye toda la cuenca con el caudal en el punto de salida.Contribuye toda la cuenca con el caudal en el punto de salida.• La intensidad de la lluvia es menor, por ser mayor su duración y, por tanto, La intensidad de la lluvia es menor, por ser mayor su duración y, por tanto,

también es menor el caudal.también es menor el caudal.– Si la duración de la lluvia es menor que el Si la duración de la lluvia es menor que el tc tc la intensidad de la lluvia la intensidad de la lluvia

es mayor, pero en el momento en el que acaba la lluviaes mayor, pero en el momento en el que acaba la lluvia• El agua caída en los puntos mas alejados aún no ha llegado a la salidaEl agua caída en los puntos mas alejados aún no ha llegado a la salida• Sólo contribuye una parte de la cuenca a la escorrentía, por lo que el caudal Sólo contribuye una parte de la cuenca a la escorrentía, por lo que el caudal

será menor.será menor.

Métodos de estimación de Métodos de estimación de avenidas máximas: Métodos avenidas máximas: Métodos empíricosempíricos• Método racionalMétodo racional

– El caudal máximo se calcula por medio de la El caudal máximo se calcula por medio de la siguiente expresión, que representa la fórmula siguiente expresión, que representa la fórmula racional:racional:

• El 1/360 corresponde a la transformación de unidadesEl 1/360 corresponde a la transformación de unidades

Método Racional:Método Racional:Tiempo de concentración (tTiempo de concentración (tcc))

• El tiempo de concentración debe incluir los El tiempo de concentración debe incluir los escurrimientos sobre terrenos, canales, escurrimientos sobre terrenos, canales, cunetas y los recorridos sobre la misma cunetas y los recorridos sobre la misma estructura que se diseña.estructura que se diseña.

• Todas aquellas características de la Todas aquellas características de la cuenca tributaria, tales como dimensiones, cuenca tributaria, tales como dimensiones, pendientes, vegetación, y otras en menor pendientes, vegetación, y otras en menor grado, hacen variar el tiempo de grado, hacen variar el tiempo de concentración.concentración.

Tiempo de concentración (tTiempo de concentración (tcc))Métodos de cálculoMétodos de cálculo• Medida directa usando trazadoresMedida directa usando trazadores

– Colocar trazadores radiactivos durante tormentas intensasColocar trazadores radiactivos durante tormentas intensas– Medir el tiempo que tarda el agua en llegar al sitio de aforoMedir el tiempo que tarda el agua en llegar al sitio de aforo

• Usando características hidráulicas de la cuencaUsando características hidráulicas de la cuenca– Dividir la corriente en tramos según sus características Dividir la corriente en tramos según sus características

hidráulicashidráulicas– Obtener la capacidad máxima de descarga de cada tramo Obtener la capacidad máxima de descarga de cada tramo

utilizando el método de sección y pendiente.utilizando el método de sección y pendiente.– Calcular la velocidad media correspondiente a la descarga Calcular la velocidad media correspondiente a la descarga

máxima de cada tramo.máxima de cada tramo.– Usar la velocidad media y la longitud del tramo para Usar la velocidad media y la longitud del tramo para

calcular el tiempo de recorrido de cada tramo.calcular el tiempo de recorrido de cada tramo.– Sumar los tiempos recorridos para obtener Sumar los tiempos recorridos para obtener ttc c ..

Tiempo de concentración (tTiempo de concentración (tcc))Métodos de cálculoMétodos de cálculo• Estimando velocidadesEstimando velocidades

– Calcular la pendiente Calcular la pendiente media del curso principal, media del curso principal, dividiendo el desnivel dividiendo el desnivel total entre la longitud total entre la longitud total.total.

– De la tabla, escoger el De la tabla, escoger el valor de la velocidad valor de la velocidad media en función a la media en función a la pendiente y cobertura.pendiente y cobertura.

– Usando la velocidad Usando la velocidad media y la longitud total media y la longitud total encontrar encontrar ttcc ..

Tiempo de concentración (tTiempo de concentración (tcc))Métodos de cálculoMétodos de cálculo

• Usando fórmulas empíricasUsando fórmulas empíricas– Fórmula de KirpichFórmula de Kirpich

Tiempo de concentración (tTiempo de concentración (tcc))Métodos de cálculoMétodos de cálculo

• Usando fórmulas empíricasUsando fórmulas empíricas– Fórmula Australiana y Jorge Rivero Fórmula Australiana y Jorge Rivero

(revisarlas Uds.)(revisarlas Uds.)– Fórmula de SCSFórmula de SCS

•Cuencas menores a 10 kmCuencas menores a 10 km22

Método de Cálculo: Intensidad de lluviaMétodo de Cálculo: Intensidad de lluvia

• Este valor se determina a partir de la Este valor se determina a partir de la curva intensidad – duración – período curva intensidad – duración – período de retornode retorno– Entrando con una duración igual al Entrando con una duración igual al

tiempo de concentración y con un tiempo de concentración y con un período de retorno de 10 años, que es lo período de retorno de 10 años, que es lo frecuente en terrenos agrícolas.frecuente en terrenos agrícolas.

– El período de retorno se elige El período de retorno se elige dependiendo del tipo de estructura a dependiendo del tipo de estructura a diseñar.diseñar.

Método de Cálculo: SCS Método de Cálculo: SCS Coeficiente de EscorrentíaCoeficiente de Escorrentía• La escorrentía directa representa una La escorrentía directa representa una

fracción de la precipitación total.fracción de la precipitación total.• A esa fracción se le denomina A esa fracción se le denomina

coeficiente de escorrentía, que no coeficiente de escorrentía, que no tiene dimensiones y se representa por tiene dimensiones y se representa por la letra la letra CC..

• El valor de El valor de C C depende de factores depende de factores topográficos, edafológicos, cobertura topográficos, edafológicos, cobertura vegetal, etc.vegetal, etc.

• Cuando la cuenca se compone de Cuando la cuenca se compone de superficies de distintas características, superficies de distintas características, el valor de el valor de C C se obtiene como una se obtiene como una media ponderada, es decir:media ponderada, es decir:

Ejemplo 2Ejemplo 2Determinar caudal de diseño:Determinar caudal de diseño:• Se desea construir un canal revestido en Turrialba, que Se desea construir un canal revestido en Turrialba, que

sirva para evacuar las aguas pluviales.sirva para evacuar las aguas pluviales.• Determinar el caudal de diseño de la estructura para un Determinar el caudal de diseño de la estructura para un

período de retorno de 10 años.período de retorno de 10 años.• Se adjuntan los siguientes datos:Se adjuntan los siguientes datos:

– Superficie total = 200000 m2Superficie total = 200000 m2– Superficie ocupada por edificios = 39817 m2Superficie ocupada por edificios = 39817 m2– Superficie ocupada por parqueo y calle asfaltada = 30000 m2Superficie ocupada por parqueo y calle asfaltada = 30000 m2– Considerar que la textura del suelo es media, que el 80% de la Considerar que la textura del suelo es media, que el 80% de la

superficie sin construir está cubierto por zacate, y el 20% es superficie sin construir está cubierto por zacate, y el 20% es terreno cultivado.terreno cultivado.

• La longitud máxima de recorrido de agua es 500 m, y la La longitud máxima de recorrido de agua es 500 m, y la diferencia de altura entre el punto más remoto y el punto diferencia de altura entre el punto más remoto y el punto de desagüe es 12 m.de desagüe es 12 m.

Determinar caudal de diseño: Determinar caudal de diseño: Ejemplo 2: SoluciónEjemplo 2: Solución

• Cálculo del coeficiente de Cálculo del coeficiente de escorrentía:escorrentía:


• Cálculo de la Intensidad máxima (ICálculo de la Intensidad máxima (Imaxmax))– IImaxmax se calcula para una duración igual al tiempo de se calcula para una duración igual al tiempo de

concentración, y para un período de retorno de 10 años.concentración, y para un período de retorno de 10 años.– Cálculo del tCálculo del tc c (Kirpich)(Kirpich)

– Tiempo de duración = Tiempo de concentraciónTiempo de duración = Tiempo de concentración• En este caso la duración será aprox. de 10 minutosEn este caso la duración será aprox. de 10 minutos


• Cálculo de I Cálculo de I para para d d = 1 = 1 hr hr y y T T = 1 año:= 1 año:– De la figura 1 se De la figura 1 se

tiene:tiene:• I = 40 mmI = 40 mm

Figura 1Figura 1


• Cálculo de I Cálculo de I para para d d = 1 = 1 hr hr y y T T = 1 año:= 1 año:– De la figura 1 se De la figura 1 se


• Cálculo de I para d Cálculo de I para d = 1 hr y T= 10 años:= 1 hr y T= 10 años:– De la figura 2 se De la figura 2 se


Figura 2Figura 2


• Cálculo de Cálculo de I I para para d d = 10 min y = 10 min y T T = 10 = 10 años:años:– De la figura 3 se De la figura 3 se

tiene:tiene:• I = 177 mm para d = I = 177 mm para d =

10 min y T = 10 años.10 min y T = 10 años.

• Cálculo del caudal Cálculo del caudal máximo Q:máximo Q:– De la fórmula De la fórmula

racional, se tiene:racional, se tiene:

Figura 3Figura 3

Diseño Hidrológico de Diseño Hidrológico de Zanjas de InfiltraciónZanjas de Infiltración

IntroducciónIntroducción

Principio básicoPrincipio básico

Diseño de Zanjas de Diseño de Zanjas de InfiltraciónInfiltración






Conceptos preliminaresConceptos preliminares

Período de retornoPeríodo de retorno

Curvas IDFCurvas IDF

Velocidad de InfiltraciónVelocidad de Infiltración

Precipitación máxima de 1 Precipitación máxima de 1 horahora

Precipitación máxima de 1 Precipitación máxima de 1 horahora

Tabla de uso prácticoTabla de uso práctico


ResultadosResultados

Hidrología y Gestión de Cuencas Curso Internacional Por: Sergio Velásquez Mazariegos [email protected] [email protected] Tel. 558 2330 CATIE 7170-43,

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