Hidrologia vi

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<ul><li> 1. HIDROLOGIApara estudiantes de Ingeniera civil66666Obra auspiciada porCONCYTEC-6PONllACIA UNIVERSIDAD CATOLlCA DEL PERUWendor Chereque Morn</li></ul><p> 2. ,.,~ .. - ".--,,--_.,.--", --,;"Jiltldi ,:III:"lf ""i,t :l";;;;;jt. ;", t, I1," ,., ~. ~. ! 1t, { )i : . I ~, ~ t ,~... I ,... ~, " " " i~ ......._-~ ...~ .. - .._-.. ~. __.._.._--_._--jH1 DROL OG1 Apara estudiantes de ingeniera civilAUTOR: WENDOR CHEREQUE MORANINGENIERO CIVIL CIP 4222PROFESOR PRINCIPAL DE LAPONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERULIMA - PERU 3. Obra auspiciada por el CONCYTECSegunda Impresin 4. Ami esposa YolandaAmis hijas Claudia y MnicaPRESENTAC IONComo en otras ramas del conocimiento en .Hidro10ga son muy escasas laspublicaciones peruanas. Aparte de las obras del Ing. M.S. Segundo A1i~ga y del Dr. Medardo Malina, ambos de la Universidad Nacional Agraria,no se conocen ot~as de similar envergadura y esto no obstante la slidaformacin y rica e~periencia de numerosos profesionales peruanos.Para llenar en parte este vaco es que s~ publica el presente libro.Sale a luz gracias a los auspicios del CONCYTEC y con l se intenta or-denar un poco la enS~~anza de la Hidrologa en el pas y, por qu no,motivar en algo los trabajos de investigacin en este campo.El libro desarrolla el curso que con el mismo nombre se imparte comoobligatorio a los alumnos eje ingeniera civil de la Pontificia Universldad Catlica del Per. Contiene la descripcin de los principales ele-mentos del ciclo hidrolgico y. los mtodos ordinarios de solucin a losproblemas hidrolgicos 4uese:presentan con ms fr.ecuencia ~1 ingenierocivil, No obstante que desde el principio se maneja la Estadstica co-mo importa~te herrami entade trabajo en el an1 is is y sol uin de losproblemas, el libro contiene un capitulo completo dedicado a la Hidro10ga Estadstica donde son trat~d9s con cierto detenimiento 10sm.QOe10shidrolgicos probabilsticos yen fonna somera los modelos estocsticos,Tambin se ha dedicado un captulo aparte p~ra hacer referencia a lahidrologa peruana. El tr~bajo m~simportante sobre el particular .esel r,ea1zado alrededor de 1980 p.or un equipo de ingenieros peruanos eitalianos, al amparo del Convenio de Cooperacin Tcnica suscrito porel Instituto Ita10-Latino Americano (lILA), el Servicio Nacional de Me-teorologa e Hidrologa (SENAMHI) y la Universidad Nacional de Ingenie-ra (UNI). Resultado de dicho trabajo conjunto es la Rub1icacin titu-lada Estudio de la Hidrologa del Per, que contiene una descripcin delas metodologas empleadas y las conclusiones a manera de informaclnlista a ser utilizada en la elaboracin de proyectos hidrulicos en elpas.Agradezco en primer trmino al CONCYTEC.y a sus autoridades, porJ:lue sinsu apoyo no hubiera sido posible la publicacin de este libro; Expresoigualmente mi agradecimiento aL Ing. Manuel Garda Naranjo por su valiosa contribucin bibliogrfica; asimismo a la Srta. Martha Caldern y ala Srta. E1isabeth Ramos, a ambas por su encomiable trabajo en la preparacin del original. -El autor 5. CONTENIDOCAPITULO 1 LA ATMOSFERA y LA HIDROLOGIA (3 h)1.1 Generalidades1.2 El Ciclo Hidrolgico1.3 La Atmsfera1.4 La Temperatura1.5 La Radiacin Solar1.6 La Humedad Atmosfrica1.7 Los Vientos1.8 El ClimaCAPITULO 2 LA PRECIPITACION (4 h)2.1 Introductin2.2 Medicin de la Precipitacin2.3 Anlisis de los Datos Pluviomtricos2.3.1 Estimacin de Datos Faltantes2.3.2 Anlisis de Consistencia2.3..3 Extensin del Regi stro2.4 Estudio de la Cuenca2.5 Precipitacin Media en la Cuenca2.6 ~urva Masa de la Precipitacin Media en laCuenca2.7 Curvas Intensidad-Duracin-Frecuencia2.8 ProblemasCAPITULO 3 EVAPORACION y EVAPOTRANSPIRACION (5 h)3.1 Introducci n3.2 Evaporacin en Embalses3.2.1 Balance Hdrico3.2.2 Nomograma de Penman3.2.3 Balance Energtico de Penman3.2.4 Frmulas Empricas3.3 Medicin Directa de la Evaporacin3.4 Evapotranspiracin3.4.1 Mtodo de Thornthwaite3.4.2 Mtodo de Blaney-Cridd1e3.5 ProblemasCAPITULO 4 LA INFILTRACION (2 h)4.1 Descripcin4.2 Capacidad de Infiltracin4.3 Factores de la Infiltracin4.4 Medicin de la Infiltracini i iPgina1134559101517192126272830333539434444444752535556575961636566 6. Pgina4.5 El Ciclo de Escorrenta 664.6 Estimativos de la Escorrenta Usando Infiltracin 674.7 Problemas 71CAPITULO 5 EL AGUA SUBTERRANEA (5 h)5.1 Descripcin5.2 Tipos de Acuferos5.3 Alimentacin y Descarga5.4 Flujo de Agua Subterrnea5.5 Flujo en Pozos de Bombeo5.5.1 FlujO Permanente5.5.2 FlujO No-Permanente5.6 Asuntos Conexos5.6.1 Efectos de Contorno5.6.2, Intrusin Marina5.6.3 Potencial de un Acufero5.6.4 Recarga Artificial5.6.5 Compresibilidad5.6.6 Factor Tiempo5.7 ProblemasCAPITULO 6 EL CAUDAL (5 h)6.1 La Curva de Descarga6.2 Medicin de Caudales6.3 Curva de Descarga de Corrientes sin Aforar6.4 Anlisis ,de la Informacin Hidr,omtrica6.5 La Curva de Durad n6.6 La Curva Masa6.7 ProblemasCAPITULO 7 RELACIONES PRECIPITACION-ESCORRENTIA (2 h)7.1 Introduccin7.2 Usando los Datos de Suelos y Cubierta7.3 La Frmula Racional7.4 Correlaciones Precipitacin-Escor-renta7.5 Gasto Mximo de una Corriente7.6 ProblemasCAPITULO 8 HIDROGRAMAS DE CRECIDAS (4 h)8.1 Introduccin8.2 El Hidrograma Tpico8.3 El Hidrograma Unitario8.3.1 Definicin8.3.2 Obtencin de los H.U.8.3.3 La Curva S8.3.4 Aplicacin de los H.U.8.3~5 Hidrogramas Unitarios Sintiticos8.4 Hidrdgramas Adimensionales8.5 Hidrogramas Triangulares8.6 Problemas7374767783838592929394959595969999104106107109111115117123126128132133134136136137140141141143145149 7. CAPITULO 9 TRANSITO DE AVENIDAS (3 h)9.1 Concepto de Trnsito9.2 Trnsito en Embalses9.3 Trnsito en Cauces Naturales9.4 ProblemasCAPITULO 10 ELEMENTOS DE HIDROLOGIA ESTADISTICA (8 h)10.1 Introduccin10.2 Uso de Modelos Probabilsticos10.3 Anlisis de Frecuencia de Valores Extremos10.3.1 Pos ici ones de Trazado10.3.2 Ley de Gumbel10.3.3 Distribucin log Pearson Tipo III10.3.4 Eventos Histrico~10.3.5 Longi tl.ld de "Regi stro10.3.6 Probabilidad de Diseo10.3.7 Mtodo del Grdex10.3.8 Anlisis de Frecuencia Regionales10.3.9 Resumen del Estudio de Avenidas10.4 Anlisis de Frecuenc.ia de Valores Medios10.5 Anlisis de Frecuencia de Precipitaciones10.6 Anlisis de Frecuencia de Sequas10.7 Breve Mencin de los Procesos Estocsticos10.7.1 Introduccin10.7.2 Modelos de Series de Tiempo10.7.3 La Funcin de Autocorrelacin10.7.4 Aplicaciones del Modelaje en Hidrologa10.7.5 Reflexiones Acerca del ModelajeCAPITULO 11 ACERCADE LA HIDROLOGIA EN EL PERU (2 h)Pgina15115215415815916016116216316617017017117417517617918118318418418618919019111.1 Introduccin 193APENDICE11.2 Descripcin del ESTUDIO DE LA HIDROLOGIA DEL PERU 193PROGRAMA EN PASCAL PARA COMPLETAR INFORMACIONPLUVIOMETRICA POR EL METODO DE LA RECTA DEREGRESION 201 8. 1. Hidrologa para IngenierosLinsley-Kohler-PaulusMc Graw Hill. 1977BlB LIOGRAF lA2. Handbook of Applied HydrologyVen T ChowMc Graw Hill. 19643. Manual de HidrologaRafael HerasEscuela de Hidrologa. Madrid, 19724. HidrologaMedardo MalinaUniversidad Nacional Agraria. Lima, 19745. Tratado de Hidrologa AplicadaG. RemenierasETASA. Barcelona, 19716. Di seo de. Presas PequeasBureau of ReclamationCECSA. Mxico, 19667. Mtodos Estadsticos en HidrologaVaras-FerrerUniversidad Catlica de Chile. 19728. Tratamiento de Datos HidrometeorolgicosSegundo Aliaga AraujoLima, 19839. Hidrologa EstadsticaSegundo Aliaga AraujoLima, 198510. Applied Modeling of Hydrologic Time SeriesSalas-Delleur-Yevjevich-LaneWater Resources PublicationsUSA, 198011. Estudio de la Hidrologa del PerOPublicacin del Instituto Italo-Latino Americano~enamhi - Lima, 1982 9. CAPITULO 1 LA ATMOSFERA y LA HIDROLOGIA1.1 GeneralidadesLos proyectos hidrulicos son de dos tipos: los proyectos que se refie-ren al uso del agua y los que se refieren a la defensa contra los daosque ocasiona el agua. Los proyectos tpicos de uso del agua son losde abastecimiento de agua potable, los de irrigacin y los de aprovech~miento hidroelctrico; comprenden, adems, los de navegacin, recrea-cin y otros. Los proyectos tpicos de defensa son los de drenaje urb~no, drenaje vial y drenaje agrcola; comprenden, adems, los de encausamiento de ros, los de defensa contra las inundaciones y otros.En el Per estamos bastante familiarizados con estos dos tipos de pro-blemas que se presentan con el agua, los de utilizacin y los de defen-sa.El estudio de nuestros recursos hidrolgicos corre por cuenta del Estado, siendo su objetivo proporcionar a los ingenieros los elementos parael aprovechamiento y el control del recurso agua.1.2 El Ciclo HidrolgicoSe denomina ciclo hidrolgico el conjunto de cambios que experimenta elagua en la Naturaleza, tanto en su estado (slido, lquido y gaseoso)como en su forma (agua superficial, agua subterrnea, etc).Es frecuente definir la Hidrologa como la ciencia que se ocupa del estudio del ciclo hidrolgico.Han sido sugeridos numerosos esquemas del ciclo hidrolgico, siendo lafinalidad comn la de proporcionar un grfico sencillo que muestra lasdiferentes formas y estados en que se presentael agua (fig. 1.1).El ciclo hidrolgico no es nada regular. Todo lo contrario. Una muestra de ello son los perodos de sequas yde inundaciones con los queestamos tan acostumbrados en el pas. Prctiamente todos los aos tenemas nosotros problemas de sequa en unos lugares y problemas de inun~daciones en otros. El ciclo hidrolgico es completamente irregular, yes precisamente contra estas irregularidad~s que lucha el hombre.La Hidrologa est ligada al estudio de fenmenos naturales, de maneraque los mtodos que emplea no pueden ser rgidos, quedando algunas decisiones al criterio del ingeniero. Pero es necesarip hacer notar que esta falta de precisin previsible no oc~rre nicamente en la Hidrologa~sino que es comn a toda la ingeniera, como comGn es la toma de precauciones. El empleo de la carga de fatiga y de la carga de trabajo enlos materiales es el ejemplo tpico en ingeniera.La Hidrologa, para el anlisis de algunos fenmenos, hace uso de mtodos estadsticos, como tendremos oportunidad de ver a lo largo del curso y de modo particular en los dos ltimos captulos.1 10. MAR10(la)(lb)(lc)(ld)I I II I I I I I II t1b I II I II I !1II1he1I~35 5 ~46:=------~FIG. 1.1 ESQUEMA DEL CICLO HIDROLOGICOevaporaci n desde superficies de agua (mares, ros,evaporacin desde superficies hmedas de suelo.evaporacin desde las plantas (transpiracin) .evaporacin desde la nieve.(le) evaporacin desde la precipitacin misma." I /-0-/1"8RIOlagos, etc).(2) precipitacin, en forma de lluvia, nevada o granizada.( 3) fusin.( 4) escorrent a.( 5) i nfi ltraci n( 6) capas de agua subterrnea.(7) manantiales.(8) rayos solares. 11. Para la elaboracin de proyectos, particularmente de proyectos hidruli-cos, el ingeniero requiere de datos sobre precipitacin, caudales, evaporacin, horas de sol, temperatura, vientos, etc. Est informacin bsica la recopila en el pas el Servicio Nacional de Meteorologa e Hidrologa (SENAMHI). La Hidrologa ensea el manejo que se le da a esta informacin, no siempre completa y muchas veces ausente en el lugar mismodel proyecto.Si bien en el SENAMHI se ha centralizado la atencin de la gran mayorade las estaciones instaladas en el territorio patrio, hay todava algu-nas estaciones bajo control de otras instituciones. La relacin siguiente puede ser til para quienes buscan informacin hidrolgica en el pas(referenci a 8).Servicio Nacional de Meteorologa e Hidrologa (SENAMHI).Oficina Nacional de Evaluacin de los Recursos Naturales (ONERN).Instituto Geogr~fico Nacional (IGN)Archivo Tcnico del Instituto Nacional de Ampliacin de la FronteraAgdcol a.Direccin General de Aguas, Suelos e Irrigaciones.Universidad Nacional Agraria.Direcciones Zonales y Agrarias del Ministerio de Agricultura.Ministerio de Energa y Minas.Laboratorio Nacional de Hidrulica.Oficina de Catastro Rural.Instituciones afines.1.3 La AtmsferaEl inters de su estudio en Hidrologa radica en que en ella tiene lugarparte del ciclo hidrolgico. Se define como aquella capa de aire que rodea a la tierra y donde se realiza parte del ciclo hidrolgico.La atmsfera resulta comportndose como un gran reservorio de vapor deagua, un sistema amplio de transporte de agua y un gran colector de ca1or.Composicin.- La atmsfera est compuesta de aire seco y vapor de agua.La composicn del aire seco es la siguiente, con los porcentajes en volumen:nitrgenooxgenoargnotros gases78 %210.940.06Estos porcentajes medios son ms o menos fijos hasta una altura de unos20 Km.Divisin.- Desde el punto de vista de la variacin de la temperatura laatm6sfera se divide en capas. Las que se conocen de ordinario son tres:Tropsfera.el nivel delEcuador. Lade ascenso.mosfricas.las lluvias,Es la capa inferior de la atmsfera, comprendida desdemar hasta unos 6 Km. en los polos y unos 17 Km. en eltemperatura disminuye a razn de 0.6 oC por cada 100 mSe caracteriza por ser la zona de las perturbaciones atEn ella se forman las nubes, tienen lugar los vientosetc.3 12. Estratsfera. Se extiende por encima de la tropsfera hasta una altitud de 30 a 40 Km. La temperatura permanece sensiblemente constanteen todo su espesor.La superficie que separa la tropsfera de la estratsfera es la tropopausa. Marca el lmite de la 7~msfera meteorolgica.La Ionsfera. Se ubica encima de la estratsfera y se desvanece gr~dualmente en el espacio. La temperatura aumenta con la altura.1.4 La TemperaturaLa temperatura es un factor importante del ciclo hidrolgico pue~ interviene en todas sus etapas. Desde el punto de vista prctico, la temper~tura interviene como parmetro en las frmulas para calcular la evaporacin y en las frmulaspara calcular las necesidades de agua de riego delas plantas. Como prcticamente en todas partes hay registros de temp~ratura, su empleo est plenamente justificado.Gradiente vertical de temperatura. La temperatura disminuye en la tro-psfera, en una cantidad que vara segn las condiciones locales, peroque en promedio es de alrededor de 0.6 oC por cada 100 m. de ascenso.Esto es lo que constituye el gradiente vertical de temperatura.Inversin de temperatura. Se llama as al fenmeno que se presenta bajociertas condi.ciones locales y que consiste en lo siguiente. En las primeras horas del da, la tierra se encuentra a baja temperatura d~bido aque en la noche ha perdido gran cantidad de calor; en ausencia.de ~ientos y con el cielo despejado, las capas inferiores de la tropsfera sonms fras que las inmediatas superiores; como consecuencia la temperatu-ra sube con la altura, en un espesor de algunos centenares de metros.Esta inversin de temperatura tiende a ser destrutda por la mezcla queproducen los vientos fuertes prximos al suelo, y desde luego el calentamiento que sigue a la salida del sol termina por restablecer el gradien~te normal de temperatura.Medicin de la temperatura del aire. Las estaciones meteoro16gicas disponen de vn termmetro de mxima, un termmetro de mnima. y algunas ve-ces de un termgrafo. Estos aparatos estn situados a 1.50 m. del suelo,en una cubierta de madera provista ~e persianas que permiten la librecirculacin del aire, pero que protegen los termmetros de la radiacinsolar directa.Por convencin, la temperatura .media diaria se calcula tomando la mediaaritm...</p>