Modulo i hidrologia uni piura

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  • U N I V E R S I D A D D E P I U R A

    Facultad de Ingeniera

    APUNTES DE HIDROLOGA Mdulo I: Variables hidrolgicas Preparado por: Ing. Marina Faras de Reyes. Agosto, 2005. Para uso de la Universidad de Piura.

    N de pgs. 82

  • APUNTES DE HIDROLOGA

    Mdulo I: Variables hidrolgicas

    Captulo 1. Introduccin.. 3

    Captulo 2. Elementos de Climatologa... 4

    Captulo 3. Cuenca Hidrogrfica. 28

    Captulo 4. Precipitacin. 36

    Captulo 5. Evaporacin y Evapotranspiracin... 57

    Captulo 6. Agua Subterrnea.. 65

    Captulo 7. Caudal... 71

  • Universidad de Piura Facultad de Ingeniera Hidrologa

    Marina Faras de Reyes 3

    MODULO I: VARIABLES HIDROLGICAS

    CAPITULO 1: INTRODUCCIN

    El agua es la sustancia ms abundante en la Tierra, es el principal constituyente de todos los seres vivos y es una fuerza importante que constantemente est cambiando la superficie terrestre. Adems es un factor clave en la climatizacin de nuestro planeta para la existencia humana y en la influencia en el progreso de la civilizacin.

    1.1 Definicin y objetivos de la hidrologa

    La Hidrologa es una rama de la geofsica que se preocupa de estudiar el origen, distribucin, movimiento, propiedades (fsicas y qumicas) e influencia del agua en la tierra. El dominio de la Hidrologa abarca la historia completa del agua sobre la tierra.

    La Hidrologa es una ciencia porque es un estudio ordenado y sistemtico que obedece a leyes y principios. Etapas del estudio como ciencia: Observacin, clasificacin y determinacin de leyes (a travs del establecimiento del patrn de comportamiento del fenmeno.

    La Hidrologa como ciencia de la Ingeniera incluye aquellos aspectos cuantitativos, que tienen relacin con la planificacin, diseo y operacin de obras de Ingeniera y ciencias afines, para el uso de control del agua.

    Ciencias relacionadas con la Hidrologa: Meteorologa, Geografa, Fsica, Estadstica, Agronoma y Oceanografa

    Divisin de la Hidrologa:

    Descriptiva: Permite describir y controlar los fenmenos.

    Sistemtica: Se refiere a los modelos matemticos hidrolgicos.

    Estadstica: Estudia la Hidrologa desde el punto de vista numrico o de sus parmetros: cantidad, magnitud y frecuencia del fenmeno.

    Estocstica: Estudia la Hidrologa desde el punto de vista aleatorio.

    Importancia de la hidrologa: El agua es el recurso ms importante para la vida del hombre, tiene ingerencia en diversos campos: Social, cultural, econmico (agricultura, acuicultura, ganadera), poltico, etc. Cabe mencionar que el desarrollo poltico y econmico de una regin depender en muchos casos de las decisiones y de una adecuada gestin.

    1.2 Ciclo Hidrolgico

    "Todos los ros van al mar, y el mar no se llena. Al lugar de donde vienen los ros, all vuelven para correr de nuevo". Eclesiasts 1.7.

    La frase anterior resume en trminos cualitativos, la gran problemtica del origen y del movimiento del agua en la tierra, y aun cuando ella se remonta a la antigedad, transcurrieron algunos siglos antes que el hombre pudiera entenderla en su totalidad.

    Los primeros filsofos de la humanidad se preocuparon de este problema y elaboraron diversas teoras para explicar el camino que sigue el agua en su ciclo en la tierra. Hubo as, quienes pensaron que exista un conducto subterrneo que comunicaba los ocanos con el

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    centro de la tierra, y que desde all el agua volva a la superficie en las montaas, dando origen a los ros, a la nieve y a los glaciares. Uno de los primeros que public una explicacin similar a la que hoy conocemos, fue Leonardo de Vinci, quien identific el papel primordial que juega la evaporacin en este ciclo. No obstante este conocimiento cualitativo, slo en 1680, Perrault, realiz las primeras mediciones en el ro Sena, las cuales demostraron que la precipitacin que caa anualmente en la cuenca era aproximadamente seis veces superior al escurrimiento anual que se observaba. Se constat as, en forma cuantitativa, por primera vez, que la lluvia poda ser la causa del escurrimiento.

    En Hidrologa, se acostumbra a utilizar el llamado ciclo hidrolgico para describir el origen, movimiento y la distribucin del agua en la superficie de la tierra. Este enfoque explica en trminos cualitativos los distintos fenmenos y procesos que intervienen en el problema, an cuando constituye necesariamente una visin simplista y limitada. La Figura 1.1 muestra los distintos elementos que participan en el ciclo del agua en la tierra. Se puede considerar, que el ciclo se inicia con la evaporacin del agua de los ocanos, lo cual proporciona una fuente de humedad para la atmsfera. Bajo condiciones adecuadas, la humedad atmosfrica se condensa y forma nubes, las cuales pueden precipitar, dando origen a las lluvias o a la nieve en la zonas de bajas temperaturas. La lluvia que llega a la superficie de la tierra puede escurrir superficialmente, o bien, infiltrarse en el suelo, pasando a formar parte de la humedad del suelo o del agua subterrnea que existe en l. El escurrimiento forma los ros, quebradas y arroyos, iniciando su viaje hacia el mar y cerrando de esta manera el ciclo hidrolgico. Este cuadro simplificado se complica enormemente, debido a la gran variacin que experimentan los fenmenos nombrados, tanto en el espacio como en el tiempo. Sin embargo, es bastante til para formarse una idea cualitativa de los fenmenos y procesos que intervienen.

    Figura 1.1 El ciclo hidrolgico con un balance de agua promedio global anual en unidades relativas a un valor de 100 para la tasa de precipitacin terrestre.

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    1.3 Distribucin del agua en la tierra

    El agua es la sustancia ms abundante y comn que existe en la biosfera. 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 litosfera o corteza terrestre. El agua circula en la hidrosfera a travs de un laberinto de caminos que constituyen el ciclo hidrolgico.

    Se encuentra presente en la atmsfera, en los ocanos y mares, en hielos y glaciares, en lagos y ros, y en el subsuelo. En total, se estima que existen alrededor de 1500 millones de kilmetros cbicos de agua. En la Tabla 1.1 se muestra una estimacin de las cantidades de agua en sus distintas formas presentes en la tierra. Es interesante hacer notar que el 97% de ella, se concentra en los ocanos y forma una reserva de agua salada, el 2% constituye los hielos y glaciares, de manera que, slo un porcentaje inferior al 0,5%, constituye el agua fcilmente aprovechable por el hombre. Parece, a primera vista, una muy pequea proporcin del total de los recursos, pero ella es absolutamente indispensable para mantener la vida humana, y la flora y la fauna del planeta.

    Las cifras indicadas en la tabla son cantidades tan grandes que es difcil formarse una idea de lo que ellas significan. Es quizs ms claro visualizarlas, transformndolas en una altura de agua distribuida sobre toda la superficie de la tierra. En este caso, el agua salada representa entre 2.700 y 2.800 metros de altura, los glaciares e hielos quedaran representados por una columna de 50 m a 100 m de altura, el agua subterrnea por una columna de 45 m el agua superficial por 0,4 m y el valor de agua de la atmsfera por una altura de 3 cm.

    Tabla 1.1 Distribucin del Agua en la Tierra

    Ubicacin Volumen

    Miles de millones m3

    Porcentaje

    Agua Superficial Lagos de agua dulce 123.000 0,009

    Lagos salinos y mares int. 102.400 0,008

    Canales y ro 1.229 0,0001

    Agua Subterrnea No saturada (humedad suelo) 65.500 0,005

    Agua subterrnea (hasta 800m) 4.100.000 0,31

    Agua subterrnea profunda 4.100.000 0,31

    Otras Glaciares y hielo 28.600.000 2,15

    Humedad en la atmsfera 12.700 0,001

    Ocanos 1.298.000.000 97,3

    Totales 1.335.104.829 100% Ref. : Leopold, L.B., "Water, a primer", W.H. Freeman & Co., San Francisco. 1974.

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    Figura 1.2 El agua en la hidrsfera.

    1.4 Balance Hdrico o Hidrolgico

    Viene a ser un mtodo de investigacin del ciclo hidrolgico. Analiza el equilibrio de los recursos hdricos en una regin de la tierra. Puede ser: superficial (tierra), aerolgico (aire) e isotpico (movimiento de masas: aire-agua-suelo).

    0=+++++++ suosouisi QQETEQQP

    P : Precipitacin Qsi : Caudal superficial de entrada

    Qui : Caudal subterrneo de entrada E : Evaporacin

    ET : Evapotranspiracin Qso : Caudal superficial de salida

    Quo : Caudal subterrneo de salida

    :s cambio de almacenamiento, puede ser positivo o negativo dependiendo de si el agua que ingresa es mayor que la que sale.

    : ajuste de error no debe ser mayor del 5%.

    Las unidades pueden ser expresadas en mm, Hm3, m3/s, etc.

    Ejemplo:

    La cuenca del ro Quiroz tiene un rea de 2297 Km2, una precipitacin media anual de 1093 mm, el caudal medio anual es de 22 m3/s, la ET anual es de 1700 MMC. Cul es el error de apreciacin? 4.7%.

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    Balance Global del Movimiento de Agua en la Tierra Si se desea hacer un balance global del movimiento del agua en la tierra, se tienen las siguientes cifras. Se estima que la superficie de continentes recibe una precipitacin promedio anual de 710 mm, de los cuales se evaporan a la atmsfera aproximadamente 470 mm. y se transforman en escurrimiento 240 mm. Sobre la superficie de mares y ocenos, cae una precipitacin promedio estimada de 1100 mm, de los cuales se evaporan 1200 mm, quedando un dficit de 100 mm, que equivalen a los 240 mm mencionados anteriormente. Numricamente son distintos debido a la diferencia de superficies de mares y continentes.

    1.5 Historia de la Hidrologa

    A continuacin se resumen brevemente los rasgos principales de las distintas pocas :

    3200 - 600 AC

    Se ejecutan obras de aprovechamiento de aguas sin que existan conocimientos sistemticos sobre las leyes que rigen el movimiento del agua ni su origen o distribucin.

    Principales ejemplos se encuentran en obras de regado y de conduccin realizadas en: Egipto, Grecia, Palestina, Persia, China, Siria e India.

    Adems, las grandes civilizaciones se ubican en las mrgenes de ros tales como : Nilo (Egipto), Tigris-Eufrates (Mesopotamia), Indus (India) y Huang-Ho (China).

    600 AC - 100 AC

    La preocupacin sobre el agua en este tiempo es fundamentalmente filosfica. Existe preocupacin por estudiar el agua como uno de los elementos principales de la naturaleza y conocer su origen, distribucin y movimiento. Los principales nombres son :- Tales de Mileto, Platn, Aristteles, Herodoto, Teifrastus, Kautilya (Medicin de lluvia en India para cobrar impuestos en base a lluvia).

    100 AC - 200 DC. (Civilizacin Romana)

    Se construyen grandes obras de conduccin y distribucin. Se le da importancia al abastecimiento de las ciudades (baos). Se inician mediciones de caudal. Las contribuciones principales de esta poca se deben a : Vitruvius (origen de fuentes y vertientes) Frontinus (de aquis urbis Romae) Seneca.

    200 DC. - 1500

    Se instalan redes de medicin de lluvias en Corea y China. No hay avance de importancia en esta poca. Siglo XVI

    Empieza el nacimiento del pensamiento de tipo cientfico. Cabe mencionar en forma especial a :

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    Francis Bacon Leonardo Da Vince - Ciclo hidrolgico - Mediciones de velocidad - Flujo en canales abiertos - Mquinas hidrulicas Bernard Palissy - Ciclo hidrolgico - Mareas - Meteorologa.

    Siglo XVII

    Contribuciones y avances impresionantes en el rea cientfica de : Galileo, Kepler, Newton, Descartes Castelli : Della misura dell'acque correnti Torricelli : Barmetro y ley hidrosttica Kircher : Tratado de geologa Halley : Evaporacin Wren : Medidores de caudal Hooke : Barmetros Gugliemini : Canales Perraut : mediciones cuantitativas de caudal y lluvia que demuestran la

    posibilidad que P>Q Mariotte : Movimiento de fluidos, hidrulica, hidrosttica.

    Siglo XVIII

    Vallisnieri : tratado sobre el origen de los ros Pitot : mediciones de velocidad Bernoulli : ecuacin de energa Chezy : flujo uniforme en canales Du Buat : flujo uniforme en canales Frisi : hidrometra, hidrulica Venturi

    Siglo XIX

    De Prony : maquinaria hidrulica Mulvaney : frmula racional Darcy, Bazin, Ganguillet-Kutter , Manning, Dupuit, Thiem

    Nacen las primeras instituciones dedicadas a la recopilacin de informacin hidrolgica.

    Siglo XX

    A pesar de los avances hasta la fecha, la mayor parte de la hidrologa cuantitativa parte posteriormente a 1930 cuando se introducen conceptos desarrollados por: Mead, Hortorn y Sherman.

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    CAPITULO 2: ELEMENTOS DE LA CLIMATOLOGA

    De los diversos procesos meteorolgicos que ocurren continuamente en la atmsfera, los ms importantes para la Hidrologa son los de precipitacin y evaporacin, en las cuales la atmsfera interacta con el agua superficial. La mayor parte del agua que se precipita sobre la superficie terrestre proviene de la humedad que se evapora en los ocanos y que es transportada por la circulacin atmosfrica a lo largo de grandes distancias. Las dos fuerzas bsicas para la circulacin atmosfrica resultan de la rotacin de la Tierra y de la transferencia de energa calorfica entre el ecuador y los polos. 2.1 Circulacin Atmosfrica

    2.1.1. Teora 2.1.2. Enfoque a) Suponer la tierra como una esfera inmvil con circulacin de aire debido a influencia

    trmica. Segn esto la circulacin atmosfrica sera tal como se muestra en la Figura 2.1. El aire se elevara cerca del ecuador y viajara por la atmsfera superior hacia los polos, donde, una vez enfriado, descendera hacia la baja atmsfera y retornara al ecuador. Esto se conoce con el nombre de circulacin de Hadley.

    Figura 2.1 Patrn de circulacin atmosfrica de celda nica para un planeta sin rotacin

    b) Suponer efectos de: Rotacin terrestre. El efecto de rotacin de la tierra, desde el este hacia el oeste, cambia el patrn de circulacin descrito en el punto anterior. A medida que el anillo de aire situado alrededor de la tierra se mueve hacia los polos su radio va disminuyendo. La velocidad del

    Imposibilidad de plantear un anlisis terico riguroso

    Fluido con movimiento turbulento en torno a una esfera rugosa sujeta a fuertes influencias trmicas.

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    aire se incrementa con respecto a la superficie de la tierra, con el fin de mantener el momentum angular, producindose un flujo de aire desde el oeste. Lo contrario sucede para un anillo que se mueve desde el ecuador donde se produce un flujo de aire desde el este. El efecto que producen estos cambios en la direccin y la velocidad del viento se conoce como la fuerza de Coriolis. Falta de homogeneidad. No existe una distribucin uniforme de ocano y tierra firme en la superficie del...

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