130596339 Texto Universitario Hidrologia Aplicada Docx

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<p>UNA FIA Pgina 1 1 ..CONCEPTOS BASICOS 1.1 DEFINICION DE HIDROLOGIA En 1959, El Federal Council for Science and Technology for Scientific Hydrology recomend la siguiente definicin: Hidrologa es la ciencia que trata del agua en la tierra, su ocurrencia, su circulacin y distribucin, sus propiedades fsicas y qumicas y su relacin con el medio ambiente incluyendo los seres vivientes. De esta definicin se infiere que la Hidrologa no es una ciencia exacta, que tiene una relacin muy estrecha con otras ciencias como meteorologa, geologa, ecologa, oceanografa y otros, que sus aplicaciones son muy numerosas y para enfatizar la importancia que tiene en este aspecto, se usa el trmino Hidrologa Aplicada. UNA FIA Pgina 2 Desde el punto de vista de la Ingeniera Civil, la Hidrologa incluye los mtodos para determinar el caudal como elemento de diseo de las obras que tienen relacin con el uso y proteccin del agua, tal como represas, canales, abastecimiento, drenaje, calidad del agua, manejo de cuencas, etc. 1.2 IMPORTANCIA DE LA HIDROLOGIA En una interpretacin ms aplicada, afirmaremos que la hidrologa es una parte de las ciencias ambientales que trata del origen y la distribucin de las aguas superficiales y subterrneas, estudia la evolucin de las masas de agua y cuantifica los volmenes que se mueven dentro de las diferentes fases del ciclo hidrolgico. La importancia fundamental de la hidrologa y ms precisamente de la hidrometra es proveer datos relacionados con la distribucin espacial y temporal del agua sobre la tierra; esta es la informacin que requieren los proyectos de planeamiento y manejo de los recursos hdricos, para los cuales es indispensable conocer las variaciones de cada una de las corrientes y cuerpos de agua. En el campo de los recursos hidrulicos, es de primordial importancia la estimacin de diversos aspectos relacionados con la cantidad de agua disponible. El anlisis hidrolgico es fundamental para el planeamiento, diseo y operacin de los sistemas hidrulicos. Estos sistemas varan en dimensin, desde una cuneta o alcantarilla en una va de penetracin agrcola, hasta el desarrollo integrado de un sistema de UNA FIA Pgina 3 embalses, diques y canales en una cuenca de gran tamao. Un proyectista requiere de estudios hidrolgicos para resolver problemas de: - Diseo y operacin de obras y/o estructuras hidrulicas (diques, presas, embalses, desages, etc.) - Diseo de obras viales (alcantarillas, puentes, etc.) - Abastecimiento de agua potable, tratamiento y evacuacin de aguas residuales - Irrigacin y drenaje de suelos - Generacin hidroelctrica - Estudios de disponibilidad hdrica y de sequas (escurrimientos nivales, pluviales, etc.) - Manejo integral de crecientes (aluvionales, urbanas, fluviales, etc.) - Navegacin - Erosin y control de sedimentos - Estudios de impacto ambiental (control y disminucin de la contaminacin hdrica, salinidad, metales pesados, uso consuntivo, minera, etc.) - Uso recreacional del agua - Proteccin de la vida terrestre y acutica, sistemas de alerta temprana de inundaciones y catstrofes Con el objeto de prever una disponibilidad permanente de agua a la poblacin, industria y actividades agrcolas y pecuarias, para satisfacer sus necesidades bsicas y brinde proteccin del mismo, el hidrlogo que realiza el UNA FIA Pgina 4 estudio del agua debe contestar, las siguientes preguntas: 1) Cunta agua ser requerida? La pregunta fundamental de la planificacin respecto a la evolucin de las demandas futuras de agua para la poblacin, industria, agricultura, ganadera, transporte, generacin de energa, esparcimiento y otros usos, en los prximos aos y en las prximas dcadas, es de difcil respuesta, debido a los aspectos fsicos que gobiernan la presencia y la circulacin del agua en la superficie terrestre, es necesario aadir consideraciones de tipo social y ecolgico, que deben ser tomadas en cuenta. 2) De cunta agua se dispone? Dado que la oferta de agua presenta una marcada variacin en el tiempo (sucesin de perodos hmedos y secos, por una parte, y de escurrimientos altos y bajos con extremos tambin muy variables, por otra) y en el espacio (zonas hmedas y zonas ridas), resultan necesarios profundos y variados anlisis de tipo hidrolgico, para cuantificar esta variabilidad de la oferta en una regin determinada, tanto en lo concerniente a las aguas superficiales como a las subterrneas. En tales anlisis deben determinarse no slo los valores medios, sino tambin los extremos. Mientras que las magnitudes de los caudales de crecida constituyen la base para el diseo de obras de atenuacin y UNA FIA Pgina 5 proteccin, los valores medios y los parciales acumulados en largos perodos de tiempo, se constituyen en los parmetros fundamentales para conocer las disponibilidades de agua y estudiar su regulacin. Teniendo en cuenta que los escurrimientos futuros de agua no pueden conocerse con seguridad, el empleo de la Teora de Probabilidades juega un rol importante en la hidrologa. 3) En qu estado se presenta el agua? El estado natural de los recursos hdricos constituye otro aspecto de fundamental consideracin en los estudios que hacen a su aprovechamiento. Este estado natural se ve influenciado en gran medida por las descargas en los cauces de desechos y residuos producto de la actividad humana, que incorporan a las aguas tanto sustancias orgnicas como inorgnicas, como as tambin por la carga trmica, producto del vuelco de aguas de distinta temperatura. 4) Uso de los recursos hdricos en beneficio de la sociedad? A fin de adecuar a las demandas una oferta de agua marcadamente variable tanto en el espacio y en el tiempo como en su estado de contaminacin y adems, insuficiente, y paralelamente garantizar su uso para los diversos fines a la que se destina, resulta necesario contar con numerosas instalaciones y obras de ingeniera que hagan posible tal uso, complementando UNA FIA Pgina 6 con las medidas operativas que permitan un manejo eficiente de tales instalaciones. 1.3 CICLO HIDROLOGICO El ciclo hidrolgico es el foco central de la hidrologa, no tiene principio ni fin y sus diversos procesos ocurren en forma continua. En la Tierra, el agua existe en un espacio llamado hidrosfera, que se extiende desde unos 15 km arriba en la atmsfera hasta 1 km por debajo de la litsfera o corteza terrestre. El agua circula en la hidrsfera a travs de un laberinto de caminos que constituyen el Ciclo hidrolgico. El anlisis del flujo y almacenamiento de agua en el balance global, da una visin de la dinmica del ciclo hidrolgico.se muestra en forma esquemtica, cmo el agua se evapora desde los ocanos y desde la superficie terrestre para volverse parte de la atmsfera; el vapor de agua se transporta y se eleva en la atmsfera hasta que se condensa y precipita sobre la superficie terrestre o los ocanos; el agua precipitada puede ser interceptada por la vegetacin, convertirse en flujo superficial sobre el suelo, infiltrarse en l, correr a travs del suelo como flujo subsuperficial y descargar en los ros como escurrimiento superficial. La mayor parte del agua interceptada y de escurrimiento superficial, regresa a la atmsfera mediante la evaporacin. El agua infiltrada puede percolar profundamente para recargar el agua subterrnea de donde emerge en manantiales o se UNA FIA Pgina 7 desliza hacia ros para formar el escurrimiento superficial, y finalmente fluye hacia el mar o se evapora en la atmsfera a medida que el ciclo hidrolgico contina. En la Figura 1.1 se ilustran los principales componentes del balance, en unidades relativas a un volumen anual de precipitacin terrestre de 100. Puede verse que la evaporacin desde la superficie terrestre consume el 61% de esta precipitacin, y el restante 39% conforma el escurrimiento hacia los ocanos, principalmente como agua superficial. La evaporacin desde los ocanos constituye cerca del 90% de la humedad atmosfrica. El clculo de la cantidad total de agua en la Tierra y de los numerosos procesos del ciclo hidrolgico, ha sido tema de exploracin cientfica desde la segunda mitad del siglo XIX. Figura 1.1. Datos del ciclo hidrolgico global, considerando a la precipitacin terrestre como el 100%. UNA FIA Pgina 8 Fuente: Ven Te Chow (2000) CANTIDADES DE AGUA EN EL MUNDO: En el Cuadro 1.1 se encuentran las cantidades estimadas de agua en las diferentes formas que existen en la Tierra. Cerca del 96.5% del agua del planeta se encuentran en los ocanos. Si la Tierra fuera una esfera uniforme, esta cantidad sera suficiente para cubrirla hasta una profundidad cercana a los 2.6 km. Del resto, el 1.7% se encuentra en los hielos polares, el 1.7% en UNA FIA Pgina 9 manantiales subterrneos y solamente el 0.1 % en los sistemas de agua superficial y atmosfrica. El sistema de agua atmosfrica, que es la fuerza motriz de la hidrologa del agua superficial, tiene solamente 12,900 km de agua, es decir, menos de una parte en 100 mil de toda el agua de la Tierra. Cerca de dos terceras partes del agua dulce de la Tierra son hielo polar y la mayora de la restante, es agua subterrnea que va desde 200 hasta 600 m de profundidad. La mayor parte del agua subterrnea por debajo de esta profundidad es salina. Solamente el 0.006% del agua dulce est en los ros. El agua biolgica, fijada en los tejidos de plantas y animales, representa cerca del 0.003% de toda el agua dulce, equivalente a la mitad del volumen contenido en los ros. Cuadro 1.1: Cantidades estimadas de agua en el Mundo. CONCEPTO AREA (106 km) VOLUMEN (km) % AGUA TOTAL % AGUA DULCE OCEANOS 361.3 1,338,000,000 96.5 Agua subterrnea dulce 134.8 10,530,000 0.76 30.10 UNA FIA Pgina 10 Agua subterrnea salada 134.8 12,870,000 0.93 Humedad del suelo 82 16,5 0.0012 0.05 Hielo polar 16 24,023,500 1.7 68.60 Hielo no polar y nieve 0.3 340,6 0.025 1.00 Lagos dulces 1.2 91 0.007 0.26 Lagos salinos 0.8 85,4 0.006 Pantanos 2.7 11.47 0.0008 0.03 Ros 148.8 2,12 0.0002 0.006 Agua biolgica 510 1,12 0.0001 0.003 Agua atmosfrica 510 12,9 0.001 0.04 Agua total 510 1,385,984,610 100 Agua dulce 148.8 35,029,210 2.5 100 Fuente: Ven Te Chow (2000) A pesar de que el contenido de agua en los sistemas superficiales y atmosfricos es relativamente pequeo, inmensas cantidades de agua pasan anualmente a travs de ellos. En el Cuadro 1.2 se muestra el balance anual global de agua, segn estudios realizados por World Water Balance and Water Resources of the Earth Cuadro 1.2: Balance anual global de agua. Fuente Ocano Tierra rea (km) 361,300,000 148,800,000 UNA FIA Pgina 11 Precipitacin (km/ao) 458,000 119,000 Precipitacin (mm/ao) 1,270 800 Precipitacin (pulg/ao) 50 31 Evaporacin (km/ao) 505,000 72,000 Evaporacin (mm/ao) 1,400 484 Evaporacin (pulg/ao) 55 19 Escurrimiento hacia los ocanos: Ros (km/ao) ----- 44,700 Agua subterrnea (km/ao) ----- 2,200 Escurrimiento total (km/ao) ----- 47,000 Escurrimiento total (mm/ao) ----- 316 Escurrimiento total (pulg/ao) ----- 12 Fuente: Ven Te Chow (2000) A pesar de que el concepto de ciclo hidrolgico es simple, el fenmeno es enormemente complejo e intrincado. Este no es solamente un ciclo grande, sino UNA FIA Pgina 12 que est compuesto de muchos ciclos interrelacionados de extensin continental, regional y local. Aunque el volumen total de agua en el ciclo hidrolgico global permanece esencialmente constante, la distribucin de esta agua est cambiando continuamente en continentes, regiones y cuencas locales de drenaje. La hidrologa de una regin est determinada por sus patrones de clima tales como la topografa, la geologa y la vegetacin. Tambin, a medida que la civilizacin progresa, las actividades humanas invaden gradualmente el medio ambiente natural del agua, alterando el equilibrio dinmico del ciclo hidrolgico e iniciando nuevos procesos y eventos. Por ejemplo: hay teoras que afirman que debido a la quema de combustibles fsiles, la cantidad de dixido de carbono en la atmsfera se est incrementado. Esto puede llevar al calentamiento de la Tierra y tener efectos de largo alcance sobre la hidrologa global. 1.4 CONCEPTO DE SISTEMA HIDROLOGICO. Los fenmenos hidrolgicos son muy complejos, por lo que casi nunca pueden ser totalmente conocidos; sin embargo, a falta de una concepcin perfecta, se pueden representar de una manera simplificada mediante el concepto de sistema. Un sistema viene a ser un conjunto de partes que interactan como un todo. El ciclo hidrolgico podra considerarse como un sistema, cuyos componentes son: precipitacin, evaporacin, escorrenta, y las otras fases del ciclo hidrolgico. Estos componentes pueden reagruparse en subsistemas UNA FIA Pgina 13 separadamente, igualmente se pueden combinar los resultados de acuerdo con las interacciones entre ellos. En la Figura 1.2 se representa al ciclo hidrolgico global como un sistema. Las lneas punteadas dividen el sistema total en tres subsistemas: el sistema del agua atmosfrica, ubicado por sobre la corteza terrestre, que contiene los procesos de precipitacin, evaporacin, intercepcin y transpiracin; el sistema del agua superficial, ubicado en la superficie terrestre con los procesos de escorrenta superficial, flujo sobre el suelo, flujo subsuperficial y subterrneo (hacia los cauces y a los ocanos); y el sistema del agua subsuperficial, ubicado por debajo de la superficie terrestre que contiene los procesos de infiltracin, recarga del agua subterrnea, flujo subsuperficial y flujo subterrneo. El flujo subsuperficial ocurre en los estratos del perfil del suelo en la cercana de la superficie; el flujo subterrneo ocurre en los estratos ms profundos. La teora general de los sistemas es un enfoque que proporciona los elementos conceptuales, tcnicos y cientficos, en el estudio de problemas complejos, al analizarlos como una unidad en donde el carcter fundamental son las interrelaciones que se suceden en s...</p>