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Universidad Nacional Federico Villarreal
FIGAE
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FLUCTUACIONES
DEL CAUDAL
PROFESOR: WALTER GOMEZ LORA
CURSO: HIDROLOGIA I
GRUPO: Nº 3
ALUMNOS:
CISNEROS VILLACORTA LUIS DANIEL DE JESUS GUZMAN MORAN MILAGRITOS M. GUZMAN MORAN ROCIO C.
FACULTAD DE INGENIERIA GEOGRAFICA AMBIENTAL Y ECOTURISMO
2012
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
FLUCTUACION DEL CAUDAL
Cisneros Villacorta Luis Daniel de Jesús
Guzmán Morán Milagritos M.
Guzmán Morán Rocío C.
Universidad Nacional Federico Villarreal
Facultad de Ingeniería Geográfica, Ambiental y Ecoturismo
Escuela de Ingeniería Ambiental2
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
INTRODUCCIÓN
Las variaciones del caudal definen el régimen hidrológico de un río. Las
variaciones temporales se dan durante o después de las tormentas. En casos
extremos se puede producir la crecida cuando el aporte de agua es mayor
que la capacidad del río para evacuarla, desbordándose y cubriendo las
zonas llanas próximas. El agua que circula bajo tierra (caudal basal) tarda
mucho más en alimentar el caudal del río y puede llegar a él días, semanas
o meses después de la lluvia que generó la escorrentía.
Si no llueve en absoluto o la media de las precipitaciones es inferior a lo
normal durante largos periodos de tiempo, el río puede llegar a secarse
cuando el aporte de agua de lluvia acumulada en el suelo y el subsuelo
reduzca el caudal basal a cero. Esto puede tener consecuencias desastrosas
para la vida del río y sus riberas y para la gente que dependa de éste para su
suministro de agua.
La variación espacial se da porque el caudal del río aumenta aguas abajo, a
medida que se van recogiendo las aguas de la cuenca de drenaje y los
aportes de las cuencas de otros ríos que se unen a él como afluentes.
Debido a esto, el río suele ser pequeño en las montañas, cerca de su
nacimiento, y mucho mayor en las tierras bajas, próximas a su
desembocadura.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
La excepción son los desiertos, en los que la cantidad de agua que se pierde
por la filtración o evaporación en la atmósfera supera la cantidad que
aportan las corrientes superficiales. Por ejemplo, el caudal del Nilo, que es
el río más largo del mundo, disminuye notablemente cuando desciende
desde las montañas del Sudán y Etiopía, a través del desierto de Nubia y de
Sahara, hasta el mar Mediterráneo.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Determinar qué es la fluctuación del caudal.
OBJETIVOS ESPECÍFICO
Determinar Caudal de Estiaje
Determinar Caudal de Avenida
Determinar que es un Hidrograma
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
FLUCTUACIÓN DEL CAUDAL
Es la diferencia entre los máximos y mínimos valores con respecto
del valor promedio del caudal de un río, a lo largo de un año.
Se refiere a variaciones del caudal que suelen quedar registradas en los
lugares de aforo. Se denomina registro fluviométrico a las variaciones
momentáneas del caudal de un río que quedan grabadas de manera
automática en una cinta impresa. El régimen fluvial constituye, a su vez, el
promedio de los aforos diarios, mensuales y anuales durante un largo
período de años. El proceso es relativamente complejo: diariamente, se
registran el caudal máximo y el mínimo y se obtiene un promedio. Se hace
lo mismo con los promedios diarios en cada mes. Por último, se toman los
promedios mensuales durante una secuencia de un cierto número de años
para obtener los promedios mensuales que incluyan los datos de todos los
años en la secuencia, en el entendido de que el régimen fluvial quedará
mejor definido cuanto mayor sea la serie empleada de años de registro. Por
eso es preciso conocer el caudal de estiaje y el caudal de avenida.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
CAUDAL DE ESTIAJE
Es el nivel de caudal mínimo que alcanza un río o laguna en algunas
épocas del año, debido principalmente a la sequía. El término se deriva de
estío o verano, debido a que en la región del Mediterráneo, el estío es la
época de menor caudal de los ríos debido a la relativa escasez de
precipitaciones en esta estación. Cuando nos referimos al régimen de un
río, el estiaje es el período de aguas bajas. El estiaje de un río no depende
solamente de la escasez de precipitaciones, sino que también se debe a la
mayor insolación y, por ende, al mayor potencial de evapotranspiración (de
las plantas) y de la evaporación más intensa de los cursos de agua.
Principalmente es causado por sequía, calentamiento global o falta de
lluvias.
Del análisis de la información se pueden obtener valores de caudales
medios y mínimos. Estos pueden presentarse como valores mensuales y
anuales, para una estación en particular o para varias estaciones. El cuadro
Nº 1 muestra una forma de presentar los valores medios mensuales y el
cuadro Nº 2 muestra valores mínimos. Cuando se cuenta con información
para varias cuencas de una región, la información puede presentarse de
forma regional para poder hacer comparaciones entre cuencas y para la
estimación de caudales. La figura Nº 1 muestra los caudales mínimos para
diferentes años. La figura Nº 2 muestra la información de caudales
mínimos para diferentes ríos dentro de la misma cuenca. La figura Nº 3
muestra las relaciones entre caudales mínimos y medios y el área de la
cuenca.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
Cuadro Nº 1 Caudales medios para el Rio San Parote, Edo. Táchira
Cuadro Nº 2 Caudales mínimos: Río Pereño y afluentes
Fig. Nº 1 Ejemplo de presentación de caudales mínimos
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
Fig. Nº 2 Presentación de caudales mínimos en varias cuencas vecinas
Fig. Nº 3 Relación entre el área de la cuenca y los caudales: Río Pereño,
Venezuela
El caudal de estiaje es de vital importancia para el desarrollo de los
ecosistemas ya que, debido a que la ocurrencia de un estiaje implica el
potencial para sobrevivir a la ausencia del recurso hídrico, por ello es
preciso definir el caudal ecológico.
Caudal Ecológico
Caudal mínimo que debe mantenerse en un curso fluvial, de tal manera que
los efectos abióticos (disminución del perímetro mojado, profundidad,
velocidad de corriente, incremento en la concentración de nutrientes y
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
otros) producidos por la reducción de caudal, no alteren las condiciones
ecológicas del cauce, que limiten o impidan el desarrollo de los
componentes bióticos del sistema (flora y fauna), como tampoco alteren la
dinámica y las funciones del ecosistema).
Posibles Problemas Con La Fluctuación de un Caudal Ecológico
Un caudal circulante por un cauce podría ser considerado como
ecológico, siempre que fuese capaz de mantener el funcionamiento,
composición y estructura del ecosistema fluvial que ese cauce contiene en
condiciones naturales. Es evidente que existe una gama amplia de caudales
circulantes que son ecológicos para un determinado cauce. Así podríamos
definir, dentro de esta gama de caudales, entre unos extremos máximos y
otros mínimos. En los casos más frecuentes, en que el agua es considerada
un recurso escaso, nos interesará especialmente ese valor mínimo. Pero
habrá casos en que será necesario vaciar muy rápidamente un embalse (ante
la amenaza de inundaciones, la necesidad de producción hidroeléctrica, o
de trasvase de aguas), y en estos casos habrá que fijar también los valores
máximos del caudal circulante por el cauce, para mantener la estabilidad de
los recursos biológicos.
Dos cuestiones significativas surgen de esta definición a la hora de
cuantificar esos caudales ecológicos:
1) ¿A qué comunidad, cuya composición, estructura y funcionamiento se
pretende mantener, se refiere?
2) Como evaluar los impactos de las diferentes detracciones al caudal
natural, y como averiguar cuál es la máxima detracción que permite el
mantenimiento del ecosistema?.10
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
Regímen de Caudales Ecológicos
Las exigencias de hábitat y de caudales circulantes por parte de los
peces y de las comunidades reófilas no son las mismas a lo largo de las
diferentes estaciones, sino que existen temporadas críticas en las cuales
estas exigencias se hacen más perentorias. Así los periodos de freza y de
desarrollo de los embriones exigen unos caudales determinados sin
crecidas, y en las épocas estivales con aguas cálidas, los salmónidos exigen
aguas más rápidas para poder tolerar la escasez de oxígeno disuelto. Por
ello los caudales ecológicos circulantes han de ser mayores en estas épocas
críticas y por lo tanto estos caudales, si deseamos que sean mínimos, han de
fluctuar de unas estaciones del año a otras.
Se necesita, pues, definir un Régimen de Caudales Ecológicos con el
fin de proteger el hábitat fluvial en todos los estados de desarrollo de las
especies acuáticas. Ciertamente las especies han evolucionado de acuerdo
con estas pautas de fluctuación y en ocasiones las utilizan para programar
sus ciclos de vida de manera más eficiente y por ello, parece lógico imitar a
la fluctuación estacional que se da en el régimen natural a la hora de
establecer el régimen de caudales ecológicos. Por tanto, deberemos
modular dicho régimen de acuerdo con las fluctuaciones naturales
haciéndolas compatibles con los mínimos determinados por los criterios de
exigencia de hábitat comentados anteriormente.
A partir de los caudales ecológicos básicos establecidos, estamos en
condiciones de elaborar unos regímenes de caudales ecológicos utilizando
la curva de caudales medios mensuales (en régimen natural), ajustando el
valor mensual mínimo de esta curva al valor de caudal ecológico básico y
calculando los caudales de los restantes meses de forma proporcional. Es
decir que elegimos el mes del año en el que el régimen natural toma un
valor medio mensual menor, y le asignamos dicho caudal ecológico básico. 11
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
El régimen caudales ecológicos debe fluctuar a lo largo del año siguiendo
la pauta similar a la del régimen natural, y para ello, disminuiremos los
valores mensuales medios de este en una proporción igual a la relación
entre el caudal ecológico y el caudal medio mensual natural mínimo.
La torrencialidad de los regímenes de los ríos mediterráneos se
refleja no solo en una fuerte oscilación estacional, sino también en una
fuerte fluctuación interanual. Este hecho debe recogerse en la propuesta de
régimen de caudales ecológico, puesto que las especies autóctonas han
evolucionado sometidas al mismo, y en dichas condiciones son las mejor
adaptadas y más competitivas (frente a otras introducidas, que son cada vez
más numerosas).
Por ello vamos a considerar diferentes regímenes de caudales
ecológicos según se trate de años húmedos, años secos, e incluso años
extremadamente secos.
Con frecuencia el cálculo del Caudal Ecológico Básico conduce a un
intervalo de indeterminación de caudales, cuyos valores extremos pueden
tomarse de referencia de base para años húmedos (caudal más alto del
intervalo) y años secos (el más bajo). El régimen ecológico en años secos o
húmedos se puede definir, análogamente, tomando respectivamente cada
caudal extremo como criterio base para el mes de menor caudal natural, y
el resto de los meses les asignamos unos caudales proporcionales a la
fluctuación natural mensual.
De esta forma tenemos un régimen de caudal ecológico menor para
los años secos, que en el caso de los húmedos. Este régimen tiene una
fluctuación similar a la que se da naturalmente durante los años secos, y en
los meses de estiaje se aseguran unos caudales capaces de mantener
suficiente hábitat para la supervivencia durante la sequía.
En ríos en que la torrencialidad es mas acusada, se observa que la
fluctuación estacional en su régimen natural sigue diferentes pautas en los 12
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
años de lluvias normales con las que se dan en aquellas de sequía. En
general, la fluctuación es menos acusada y los máximos mensuales tienden
a retrasarse de Febrero-Marzo en los años húmedos a Marzo-Abril en los
secos. Por la existencia de estas diferencias hemos adoptado en los
Regímenes de Caudales Ecológicos Secos una pauta de fluctuación
proporcional a la que ocurre naturalmente en los años secos. Para ello, se
ha definido el Régimen Natural de los Años Secos como el determinado
por el caudal medio mensual de la serie natural de los años secos,
definiéndose estos últimos como aquellos cuyo caudal medio anual es
menor que la mitad del modulo natural.
Para los años con sequía extraordinaria, se propone un régimen con
caudales en los meses de estiaje iguales a los del régimen de años secos, y
el resto del año con una fluctuación atenuada a la mitad de la fluctuación de
los años secos. Con ello se pretende en estos años extremos hacer lo más
compatible posible la demanda de agua (que resultará prioritaria puesto que
se tratará principalmente de demanda de abastecimiento a poblaciones) con
la demanda ecológica. El régimen de caudales ecológicos cede en los
máximos que son totalmente almacenables por las obras de regulación
hidráulica al encontrarse bastante vacías.
El régimen natural de caudales en ríos que drenan cuencas áridas además
de ser bastante torrencial presenta generalmente estiajes muy acusados,
alcanzando con frecuencia la sequía completa del cauce (ríos temporales).
Debido a que la dimensión y la morfología de los cauces son perfiladas por
los caudales 'generadores del cauce' o 'bankfull discharge' (asimilables a la
'avenida ordinaria'), mientras que, los caudales ecológicos básicos se
determinan en función de esta morfología del cauce y del hábitat que
supone, puede darse el caso de que los caudales de los meses de estiajes
sean inferiores a los caudales mínimos básicos.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
En estos ríos de régimen acusadamente torrencial hemos definido su
régimen de caudales ecológicos respetando su estiaje natural, es decir en
los meses en que sus caudales naturales son inferiores a los caudales
mínimos básicos se toman los caudales naturales. En estos casos, la
fluctuación en los restantes meses se hace, no proporcionalmente al mínimo
mensual, sino proporcional al modulo de la serie.
En la figura Nº 4 se exponen los regímenes de caudales (naturales,
observados y ecológicos) en ríos mediterráneos. Si comparamos estos
diferentes tipos de regímenes podremos evaluar su significado y costes de
una gestión ambiental. Es de resaltar las grandes diferencias entre las
pautas de fluctuación observado y los que debería de ser el régimen natural
(río Genil). Acontinuación se exponen los porcentajes del régimen de
caudales naturales y del régimen observado medio, que los regímenes
ecológico, mínimo y extremo representan.
Finalmente, quedaría por definir que se entiende por año húmedo, seco y
extremadamente seco. En los ríos regulados mediante embalses podemos
realizarlo en función de las existencias de agua en los embalses de la
cuenca o subcuenca correspondiente al comienzo del año hidrológico. Se
propone el siguiente criterio:
Años Húmedos: llenado embalses > 50 %
Años Secos: llenado embalses entre 25 - 50 %
Años Extremos: llenado embalses < 25 %
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
En el caso de los ríos sin infraestructura hidráulica reguladora se propone
un criterio similar, en función de las precipitaciones habidas en la cuenca
durante los dos años anteriores, según una media ponderada, y en relación
con las precipitaciones medias de series de más de 25 años.
Fig. Nº 4: Regímenes de Caudales de medias mensuales en Memgibar(Río
Guadalquivir), atendiendo a la serie natural (simulada), natural de años
secos (media anual menor que la mitad del modulo), observados
(regulado), y regímenes ecológicos diseñados para años húmedos, secos y
extremos.
Métodos de estimación del caudal Mínimo
La estimación de los caudales mínimos de un río se puede realizar de
diversas maneras dependiendo fundamentalmente del tipo de información
disponible y de las necesidades que se tengan. Dentro de los métodos más
comunes, cuando se cuenta con información suficiente están entre otros, el
Análisis de Frecuencias, que permite conocer el caudal mínimo para un
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
período de retorno dado; la Curva de Duración de caudales, que muestra la
relación entre la magnitud y la frecuencia de las descargas de un río y el
método de la Curva de Recesión, que trata de representar, utilizando
variables geológicas y climáticas de la cuenca, la forma que toman las
hidrógrafas durante los períodos secos, las cuales se pueden representar
mediante diferentes ecuaciones, siendo las más comunes las de tipo
exponencial (Smakhtin, 2001). De otro lado, cuando no se tienen cuencas
instrumentadas se debe recurrir a otros métodos que permitan conocer, de
manera aproximada, el valor del caudal mínimo en un punto determinado.
Estos métodos pueden ser clasificados en diferentes grupos como por
ejemplo: (i) los que apuntan a la estimación de ciertos índices, tales como
la media o cuantiles específicos a partir de técnicas de regionalización,
involucrando parámetros geomorfológicos (área, pendiente de la cuenca y/o
canal, densidad de drenaje, etc), fisiográficos (porcentaje de lagos y zonas
boscosas), climáticos (precipitación y evaporación) e hidrológicos; (ii)
métodos gráficos (construcción de curvas regionales); (iii) técnicas de
interpolación espacial y (iv) los que permiten estimar ciertas características
del caudal mínimo a partir de series sintéticas de caudal. Estos últimos
requieren la aplicación de métodos de simulación que buscan la generación
de series continuas de caudal en uno o varios sitios de una cuenca, que
eventualmente pueden ser utilizados en métodos que requieran mayor
cantidad de información.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
CAUDAL DE AVENIDA
Una avenida (en algunos lugares se denomina también
como crecida, riada o aguas altas) es la elevación del nivel de un curso de
agua significativamente mayor que el flujo medio de éste. Durante la
crecida, el caudal de un curso de agua aumenta en tales proporciones que
el lecho del río puede resultar insuficiente para contenerlo. Entonces
el agua lo desborda e invade el lecho mayor, también llamado llanura
aluvial.
Particularidades y tipos
Una crecida elemental sólo afecta a uno o varios afluentes y puede
tener causas muy diferentes: pluvial, debido a las lluvias continuas sobre
una cuenca poco permeable o que ya se ha empapado de agua; nival,
provocada por la fusión de las nieves, el deshielo que provoca la ruptura
del obstáculo congelado que retenía las aguas, etc. Muchas veces dos o más
de estas causas simples suman sus efectos y el río, sobre todo después de
haber recibido las aguas de varios afluentes importantes, experimenta
una crecida compleja. Así es como loschubascos primaverales pueden
agravar considerablemente una crecida nival.
Por otra parte, las avenidas se pueden caracterizar según su variabilidad en
el tiempo, así se pueden distinguir:
Avenidas periódicas, que generalmente no causan daños, e incluso
son benéficas, como por ejemplo las del río Nilo previo a la
construcción de la presa de Asuán, donde contribuían a la fertilidad
del valle bajo del río. Este tipo de avenidas es de larga duración,
pudiendo durar semanas o meses. Son causadas por las variaciones 17
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
climáticas de vastas regiones de la cuenca hidrográfica. Son
previsibles, pudiéndose tomar medidas de protección para evitar o
minimizar los daños.
Avenidas excepcionales: Estas son causadas por precipitaciones
intensas sobre toda la cuenca o parte de esta. Son difícilmente
previsibles, para ello se requiere de una red de monitoreo operada
en tiempo real. Generalmente causan daños a las poblaciones y a la
infraestructura económica.
Combinación de ambas: Generalmente causan daños, son
difícilmente previsibles si no se cuenta con una red de
monitoreo en tiempo real.
Características
Las principales características de una avenida son:
- Su caudal máximo, o pico, fundamental para el dimensionamiento de las
obras de protección lineares o defensas ribereñas;
- El volumen de la avenida;
- La velocidad con que aumenta su caudal.
Estas características, para un mismo tipo de precipitación (es decir, misma
intensidad y tiempo de aguacero), varían en función de características
intrínsecas de la cuenca: su extensión, la pendiente y tipo del terreno, etc., y
también de características modificables por las actividades antrópicas: la
cobertura vegetal, los tipos de preparación del suelo para la agricultura, las
áreas impermeabilizadas como áreas urbanas, etc.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
Período de retorno de una avenida
– Período de retorno (T) para un caudal de diseño
– Se define, como el intervalo de tiempo dentro del cual un
evento de magnitud Q, puede ser igualado o excedido por lo
menos una vez en promedio.
– Si un evento igual o mayor a Q, ocurre una vez en T años, su
probabilidad de ocurrencia P, es igual a 1 en T casos, es decir:
– La definición anterior permite el siguiente desglose de
relaciones de probabilidades:
– La probabilidad de que Q ocurra en cualquier año:
– La probabilidad de que Q no ocurra en cualquier año; es decir,
la probabilidad de ocurrencia de un caudal < Q:
– 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 posteriores, entonces la probabilidad de
que el evento no ocurra en n años sucesivos es:
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
– La probabilidad de que el evento, ocurra al menos una vez en
n años sucesivos, es conocida como riesgo o falla R, y se
representa por:
– Con el parámetro riesgo, es posible determinar cuáles son las
implicaciones, de seleccionar un período de retorno dado de
una obra, que tiene una vida útil de n años.
Las crecidas son debidas a factores como:
a) La precipitación. La existencia de frentes activos, las lluvias
orográficas, así como las tormentas pueden producir precipitaciones
excepcionales, que son la base de las crecidas. Las precipitaciones
afectan de forma distinta según el tamaño de las cuencas. En cuencas
grandes, para nuestra latitud son los frentes los que producen una
generalización de la precipitación, mientras que en cuencas medianas
o pequeñas son las lluvias convectivas u orográficas las que
producen las mayores y más peligrosas avenidas, como por ejemplo
la “gota fría” que afecta a Mediterráneo español.
b) La fusión de la nieve. Este fenómeno debido a un aumento de la
Tª, que puede acompañar a las lluvias intensas, puede ser un factor
de incremento del caudal de una avenida.
c) El estado de humedad del suelo. Como se sabe existe una
primera retención que es muy baja con suelo inicialmente saturado.
Es un factor importante en cuencas grandes.
d) Geomorfología de la cuenca. Las características geomorfológicas
de una cuenca como la pendiente o la vegetación son un factor básico
en la generación de una avenida.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
e) La actividad humana. Puede variar las características de la
avenida en una cuenca, como por ejemplo la existencia de zonas
urbanizadas facilita la escorrentía, la existencia de embalses retrasa y
lamina la avenida.
Métodos para el Cálculo de Caudales de Avenida
Método de las Fórmulas Empíricas:
Estas fórmulas son válidas para dar un primer valor de referencia u orden
de magnitud. Están basadas en la experimentación y el caudal de avenida Q
(m3/s) se da en función de la superficie S (Km2).
Gómez Quijado: Q = 17·S2/3 , para superficies menores de 2000
Km2.
Fuller: Q(T) = Q1·(1 + 0,8·log T) , donde Q(T) es el caudal para un
período de retorno T y Q1 es la media de los caudales diarios de cada
año.
Zapata: Q = 21·S0,6 .
Método Estadístico:
Están basados en grandes series de datos anuales de caudales, que permiten
hallar caudales máximos siguiendo la siguiente metodología:
a) Recopilación de datos.
b) Análisis de datos.
c) Extrapolación estadística.
d) Contraste de resultados.
Para que los estudios tengan una consistencia suficiente, es necesario una
longitud mínima de la muestra que se define como “la longitud de muestra
recomendable para un análisis de caudales, por métodos estadísticos de 40-
50 años”.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
Para series de 30-40 años de longitud de serie, el análisis de frecuencia de
caudales debe ser apoyado por otros métodos tales como comparación con
cuencas similares o por medio de métodos que estudien el caudal a partir de
precipitaciones.
En series cortas de 10-20 años, se utilizan métodos basados en el estudio de
la precipitación (hidrograma unitario, modelos...).
Método Racional
Es utilizado para la determinación de caudales de avenida en cuencas
pequeñas de una superficie de 2,5 a 3 Km2. o bien que su tiempo de
concentración sea del orden de 1 hora:
Q = (C·I·A) / 3,6
Donde C es el coeficiente de escorrentía, I es la intensidad de la tormenta y
A es el área de la cuenca.
Este método se basa en que el tiempo de aguacero, mayor o igual que el
tiempo de concentración, determina el caudal máximo.
La intensidad de la tormenta se deberá calcular para una duración igual al
tiempo de concentración y para el período de retorno T que se desea
calcular el caudal, según la ecuación I = a·Tn / (t + b)m , donde t es el
tiempo de la tormenta y a, b, n y m son parámetros que dependen de las
condiciones meteorológicas de la zona.
El coeficiente de escorrentía C, depende de la precipitación diaria y del
umbral del caudal. Los coeficientes de escorrentía más comunes son:
1. Pavimento de hormigón 0,70 – 0.95;
2. Tratamiento superficial 0,60 – 0,80;
3. Zonas boscosas 0,10 – 0,20;
4. Zonas de vegetación densa de monte bajo 0,05 – 0,5;
5. Zonas sin vegetación 0,20 – 0,80;
6. Zonas cultivadas 0,20 – 0,40;22
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
El valor de este coeficiente está en función de la intensidad de la lluvia y
por ello es necesario corregirlo en función de dicho parámetro, o bien
indirectamente a través del periodo de retorno T.
Método del Hidrograma Unitario
El método del hidrograma unitario desarrollado inicialmente por Sherman
en 1932, es aplicable a cuencas de tamaño mediano con una superficie de
300 a 400 Km2, cuya respuesta ante una tormenta suponga un hidrograma
complejo.
El método del hidrograma unitario se basa en la posibilidad de aplicación
del principio de linealización al proceso de escorrentía; según fue
explicado por Sherman, se puede enunciar en 3 principios:
1. Para tormentas cortas e intensas, el tiempo de punta del hidrograma
producido es constante e independiente de la duración de la tormenta.
2. Para tormentas de la misma duración e inferior al tiempo T0 del
hidrograma, el volumen de escorrentía producido es proporcional a la
intensidad de dichas tormentas:
V2 / V1 = I2 / I1 , de la misma forma que Q2 / Q1 = I2 / I1 .
3. Principio de Superposición. El hidrograma producido por una tormenta
de duración superior al tiempo T0, se puede obtener dividiendo la tormenta
en partes de tiempo igual o inferior a T0 y superponiendo los hidrogramas
obtenidos.
Por otra parte, el método de hidrograma unitario no considera las pérdidas
en la lluvia por infiltracion, evaporación, etc., por lo que a la hora de su
calibración es necesario valorar estas pérdidas y descontarlas en el
pluviograma inicial.
Método de Hidrogramas Sintéticos o Artificiales23
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
Consiste en determinar las características fundamentales de un hidrograma
cuando no se tienen datos reales, por medio de fórmulas empíricas. Destaca
el hidrograma triangular, que es un modelo que sustituye la campana de
Gauss por un triángulo, cuya altura coincide con el caudal de punta Qp que
se calcula mediante:
Qp = 2·I·t0·S / 2,67·(tp + t0/2)
Donde I es la intensidad del temporal unitario, t0 es la duración del
temporal unitario, tc es el tiempo de concentración, tp es el tiempo de punta.
Los valores de estos dos últimos parámetros se obtienen mediante las
ecuaciones:
tp = 0,6·tc + (t0 / 2) tc = 1,4·[-(L·LC)1,5 / H]0,385
Donde L (Km.) es la longitud del cauce principal, LC (Km.) es la longitud
desde el c. de g. y H es el desnivel en metros.
El Hidrograma24
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
En Hidrología se denomina Hidrograma a la representación gráfica de la
variación del caudal en relación con el tiempo en determinado punto de
una Cuenca Hidrográfica. En Esencia, el Hidrograma contiene el
comportamiento ante determinado patrón de precipitación sobre ella,
reflejando la relación entre las condiciones fisiográficas de esta Cuenca y la
relación lluvia-escorrentía en ella.
Fig. 5
La definición de los Componentes del Hidrograma, nos llevará entonces a
definir, con la ayuda de la figura anterior, el ciclo del escurrimiento
mediante una serie de fases:
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
La fase previa al Hidrograma, se inicia con un período seco que se
prolonga hasta el inicio de la lluvia (Inicio del Hidrograma de la figura). En
esta fase sólo existe la contribución que realiza el flujo subterráneo al
caudal en el cauce en el que se estudia el Hidrograma. Aquí el nivel
freático se encuentra bajo y con tendencia descendente (de no generarse la
lluvia se mantendría esta tendencia).
En los cauces permanentes la escorrentía superficial se mantiene debido al
aporte de los acuíferos únicamente. En el caso de cauces intermitentes,
cuando el caudal base (agua subterránea) se agota, éstos se secan
totalmente.
La primera fase comienza con el inicio de la lluvia (Ver el Histograma de
Precipitación en la parte Superior del Gráfico), parte del agua precipitada
es interceptada por la vegetación, otra es retenida en depresiones y otra
parte, dada las condiciones de baja humedad del suelo, se infiltrará para
suplir esta deficiencia de humedad. En esta fase no hay escurrimiento
superficial directo, salvo el que cae sobre el cauce directamente.
Si la intensidad de la lluvia es menor que la capacidad de infiltración del
suelo, parte del agua retenida retornará a la atmósfera posteriormente;
ahora, si la intensidad de la lluvia es mayor que la deficiencia de humedad
del suelo habrá un aumento gradual del contenido de humedad en su zona
de aireación. En el Hidrograma de la figura esta fase queda definida por el 26
En los cauces permanentes la escorrentía superficial se mantiene debido al
aporte de los acuíferos únicamente. En el caso de cauces intermitentes, cuando
el caudal base (agua subterránea) se agota, éstos se secan totalmente.
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
tramo comprendido entre el inicio de la precipitación y el punto “A”,
notemos que, la tendencia descendente se mantiene hasta que las pérdidas
por infiltración e Intercepción (entre otras) son excedidas por la Intensidad
de la Precipitación. En este momento la curva tiende a ser horizontal, para
iniciar el cambio de pendiente, precisamente en el Punto A.
La segunda fase es la que sigue a una lluvia intensa. Después de saturarse
las depresiones superficiales, se da inicio a la escorrentía superficial
directa. El agua que se infiltra satura la zona de aireación del suelo, dando
inicio al escurrimiento subsuperficial y a la percolación. En esta
fase, representada en el Hidrograma por el tramo A-B (Conocida como
curva de Concentración), solamente tres componentes están contribuyendo
a la alimentación del caudal: la escorrentía superficial directa, la
precipitación sobre la corriente y el agua subterránea.
Cuando la lluvia continúa, se alcanza una tercera fase en la que se llega al
nivel de máxima recarga y toda el agua precipitada contribuye con el
aumento del caudal. Aquí el caudal en el Hidrograma aumenta hasta
alcanzar el punto máximo o Caudal Pico (Punto C), en el cual se puede
decir que toda la cuenca está contribuyendo al caudal reflejado por el
Hidrograma.
Se considera que desde el punto B hasta el punto D, además de las tres
componentes del Hidrograma que estaban contribuyendo en la fase
anterior, está contribuyendo el flujo su superficial. En este intervalo la
componente que menos interviene es la precipitación directa sobre la
corriente, la cual debió haber cesado antes del punto D.
La cuarta fase constituye la de recuperación de las condiciones referidas en
la fase previa al inicio de la precipitación.
Desde el punto D del Hidrograma hasta el E (Curva de Descenso) el caudal
registrado se compone únicamente por flujo subsuperficial y agua 27
FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
subterránea. Finalmente a partir de este punto E, la escorrentía superficial
cesa y comienza la denominada Curva de agotamiento, en la cual los
aportes al caudal del cauce provienen únicamente de las reservas de agua
subterránea. Al final esta curva de agotamiento se mantendrá hasta el inicio
de una nueva lluvia, si es el caso, para repetirse nuevamente el ciclo.
Por último, hay que destacar que un Hidrograma puede presentar picos
múltiple sdebido a posibles aumentos en la intensidad de la lluvia, a una
sucesión continua de lluvias o a una no sincronización de las componentes
del flujo, por ejemplo, con relación a la siguiente figura, podremos ver
cómo sería el Hidrograma total generado para dos lluvias consecutivas, en
los que el caudal Pico aumenta, dadas las condiciones de saturación del
suelo, cuando ocurre la segunda lluvia.
Fig. 6
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
Evidentemente en el Perú el caudal es mayor en los meses de avenida
(Enero-Mayo) y menor en los meses de estiaje (Junio-Septiembre)
Fig. 7 Hidrograma de caudales del ríos Chillón – Estación Obrajillo – Año
Hidrológico 2007 - 08
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
CONCLUSIONES
Podemos definir la fluctuación del caudal, como la diferencia entre
los máximos y mínimos valores con respecto del valor promedio del
caudal de un río, a lo largo de un año.
En los casos más frecuentes, en que el agua es considerada un
recurso escaso, nos interesará especialmente ese valor mínimo. Pero
habrá casos en que será necesario vaciar muy rápidamente un
embalse (ante la amenaza de inundaciones, la necesidad de
producción hidroeléctrica, o de trasvase de aguas), y en estos casos
habrá que fijar también los valores máximos del caudal circulante
por el cauce, para mantener la estabilidad de los recursos biológicos.
Estos son los principales problemas que implican las fluctuaciones
del caudal.
Se logró determinar los métodos de cálculo de los caudales máximos
y mínimos.
Se denomina Hidrograma a la representación gráfica de la variación
del caudal en relación con el tiempo en determinado punto de
una Cuenca Hidrográfica.
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FLUCTUACIONES DEL CAUDAL FIGAE
BIBLIOGRAFIA
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