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Tipo: Apuntes
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Autores: Gutierrez Capristano Maria de Fatima López Rodriguez Yefri Edgar Ramirez Giribaldi Gonzalo Silva Montero Luis Velasques Alza Juan Zavaleta Cano Sayuri Nayeli Asesor: Ing. Edgar Gustavo Sparrow Alamo CHIMBOTE – PERÚ (2021)
Comúnmente, para el diseño de obras hidráulicas se suelen llevar a cabo estudios hidrológicos que permitan representar la respuesta de una cuenca ante eventos de crecientes; dicha representación se logra utilizando y procesando la información hidrométrica disponible, realizando análisis encaminados a definir los caudales de diseño de las obras. Debido a lo anterior, la calidad de los estudios hidrológicos se encuentra condicionada por la cantidad y precisión de la información disponible, tema sobre el cual existe una gran limitación de información de caudales en las cuencas colombianas, principalmente por la falta de instrumentación en la mayoría de ellas. Debido a esta falta de datos, en el diseño de obras hidráulicas es bastante común hacer uso de modelos lluvia escorrentía, los cuales tienen como finalidad la estimación de caudales de crecientes a partir de información de precipitaciones. En las empresas de consultoría es muy frecuente la utilización de modelos lluvia escorrentía basados en hidrogramas unitarios sintéticos para la estimación de caudales máximos cuando se tiene escasez de información, al punto tal de realizar la estimación de dichos caudales de manera mecánica, sin tener mayor control sobre los parámetros requeridos por los modelos y su incidencia en los resultados obtenidos. Debido a esto se vio la necesidad de realizar un análisis de sensibilidad que indicara el grado de influencia de cada uno de los parámetros de entrada de los modelos en los resultados de caudales máximos obtenidos, que a su vez dependen del tipo de cuenca analizada. III. OBJETIVOS
1. OBJETIVO GENERAL Llevar a cabo un análisis de sensibilidad de los modelos de hidrogramas unitarios mediante variaciones de parámetrosgeomorfométricos y climatológicos. 2. OBJETIVO ESPECIFICO Identificar las diferentes componentes de los hidrogramas. Conocer cómo se realiza un hidrograma en una cuenca, rio, etc. Saber distinguir a que nos referimos con respecto a hidrogramas y en que nos ayudaran en un futuro.
1. Definición Un hidrograma es la expresión gráfica de Q = f(t). Puede representarse a escalas muy diversas: en el eje de abscisas puede aparecer un intervalo de tiempo de 12 horas o de 2 años. El área comprendida bajo un hidrograma es el volumen de agua que ha pasado por el punto de aforo en el intervalo de tiempo considerado. Efectivamente, si multiplicamos las unidades del eje horizontal por las del eje vertical, se obtiene un volumen: En la figura adjunta, el área bajo la curva del hidrograma es el volumen de agua que ha pasado entre t1 y t2. 2. Hidrograma de una Crecida Para comprender la forma de un hidrograma y cómo esta forma es el reflejo de las precipitaciones que han generado esa escorrentía directa, supongamos un experimento de laboratorio en el que producimos unas precipitaciones constantes sobre un canal rectangular y aforamos el caudal a la salida del canal. Q (volumen/tiempo) ∙ tiempo = Volumen
Si repitiéramos la experiencia con un recipiente de forma similar a la de una cuenca real, el hidrograma obtenido sería como se muestra en la figura 3, que ya es similar a un hidrograma de crecida real. Las líneas de trazos que aparecen en la maqueta de una cuenca representan las zonas de igual tiempo de llegada a la salida, se denominan líneas isócronas. Tras el comienzo de la precipitación, en el primer t llegaría el agua caída en la primera banda, en el 2º t llegaría el agua caída en las bandas 1ª y 2ª, etc. Si la precipitación se prolonga lo suficiente, en el 9º t y sucesivos llegaría el agua caída en toda la cuenca. Al cesar la precipitación, en el primer t ya faltaría el agua que no había caído en la 1ª banda, y sí se aforarían las caídas en las bandas 2ª y siguientes en los t anteriores. En el 2º t faltarían la de la 1ª y la 2ª,... y al final del hidrograma se aforaría solamente el agua caída en la 9ª banda, en el t anterior al fin de la precipitación. El hidrograma tiene una meseta horizontal debido a que el tiempo de precipitación es mayor que el tiempo de concentración de la cuenca. Si no es así, es decir, si la duración de las precipitaciones es menor que el tiempo de concentración, no se llegará a alcanzar la meseta de caudal constante, comenzando a bajar antes de alcanzar ese caudal constante. En ningún momento ha llegado a contribuir toda la superficie de la cuenca a la escorrentía; en ese caso, en la cuenca de la figura 3 se generarían los hidrogramas indicados a trazos en la figura
En una cuenca real cuyo cauce estuviera seco previamente a las precipitaciones, y con una precipitación más corta que el tiempo de concentración de la cuenca, el hidrograma generado en la desembocadura sería similar a una de las líneas de trazos de la figura 4, y se muestra en la figura 5. Arriba, en el hietograma, observamos que una parte de las precipitaciones no produce escorrentía directa, son precipitaciones retenidas superficialmente o infiltradas en el suelo, denominadas abstracciones. La parte de la precipitación que sí produce escorrentía directa se denomina lluvia neta o precipitación neta1. Por tanto, cuando más arriba se dice: “una precipitación más corta que el tiempo de concentración”, se refiere a precipitación neta. Observamos que aquí también se cumple la relación: 𝑡𝑏𝑎𝑠𝑒 = 𝑡𝑝 + 𝑡𝑐 Donde: 𝑡𝑏𝑎𝑠𝑒 = tiempo base del hidrograma 𝑡𝑝 = duración de la precipitación 𝑡𝑐 = tiempo de concentración
hidrograma (figura 8, trazo Z‐Y), y luego se continúa la curva de modo ascendente hasta el punto X, donde supongamos que se encuentra el comienzo de la curva de agotamiento posterior a la crecida (figura 8, trazo Y‐X). Consideremos el instante t1 (figura 8): la parte A‐B del caudal es debida a la escorrentía básica y la parte B‐C corresponde a la escorrentía directa. Opción 1: El procedimiento indicado más arriba es quizá el más utilizado para la separación de componentes aparece en la figura 9. Opción 2: Para una evaluación aproximada o cuando el tiempo de crecida es pequeño, puede ser suficiente trazar una línea horizontal desde el comienzo de la crecida. Opción 3 : Trazamos una recta desde el comienzo hasta el final de la crecida (desde Z hasta X). Aunque se trata de una aproximación, en muchos casos el error es aceptable. Opción 4: Cualquiera de las posibilidades indicadas podría ser adecuada en cuencas en las que se produzca una rápida respuesta de la escorrentía básica tras el comienzo de la precipitación, probablemente por la poca profundidad de la superficie freática. La separación también puede abordarse mediante métodos químicos, realizada la separación por cualquiera de los
procedimientos, para evaluar qué parte de la aportación es debida a escorrentía directa y qué parte a escorrentía básica habría que planimetría las dos partes resultantes de la separación del hidrograma. Ya hemos visto que el área bajo el hidrograma corresponde al volumen, de modo que la proporción entre esas dos zonas nos informará de la proporción entre ambas escorrentías. En este aspecto tendrá una importancia fundamental la geología de la cuenca. Si es impermeable será proporcionalmente mayor la parte correspondiente a escorrentía directa. En la figura observamos que una cuenca de geología impermeable presentará estiajes dramáticos seguidos de fuertes crecidas. La cuenca de geología permeable durante los estiajes mantiene un caudal apreciable y las crecidas son relativamente suaves. Dos cuencas iguales reciben las mismas precipitaciones. A la izquierda, la geología es granític a, a la derecha arenosa. Los hidrogramas generados tiene la misma superficie (ha pasado el mi smo volumen de agua), pero en el de la izquierda la escorrentía directa es el 81%, a la derecha el 39%.
4. CURVA DE AGOTAMIENTO DE UN HIDROGRAMA Ya hemos visto que la curva de agotamiento es la parte de un hidrograma en que el caudal procede solamente de escorrentía básica. En las figuras anteriores veíamos la curva de agotamiento como continuación de hidrogramas de crecida.
En cualquiera de los casos, el bidón o la cuenca, la ecuación que refleja esas curvas de agotamiento es de este tipo: 𝑄𝑡 = 𝑄 0 × 𝑒−∝𝑡 Dónde: 𝑄 0 = Caudal en el instante inicial to 𝑄𝑡= Caudal en el instante t t = Tiempo que ha transcurrido desde to e = número e (2,718...) = constante, que depende del cuerpo de material poroso que estamos considerando. Como la cuenca se comporta como un embalse (retiene agua cuando es abundante, la entrega cuando es necesaria) es muy conveniente poder evaluar el volumen de ese “embalse subterráneo” constituido por todos los acuíferos de la cuenca Ya hemos visto que el área comprendida bajo un hidrograma es el volumen de agua que ha pasado por el punto de aforo en el intervalo de tiempo expresado en el hidrograma. En un hidrograma cualquiera, dicha área debe ser planimetría. Pero en este caso, como esta parte del hidrograma tiene una ecuación, el área bajo la curva puede ser calculada analíticamente mediante su integral.
5. Elementos de un Hidrograma Curva de concentración: es la parte que corresponde al ascenso del hidrograma Pico de hidrograma: es la zona que rodea el caudal máximo Curva de descenso: es la zona correspondiente a la disminución progresiva del caudal Punto de inicio de la curva de agotamiento: es el momento en que toda escorrentía directa provocada por la precipitación neta ya ha pasado. En delante el agua aforada es escorrentía básica, proveniente de la escorrentía subterránea. Curva de agotamiento: es la parte donde el caudal procede solamente de la escorrentía básica. Tiempo de concentración (tc): es el tiempo necesario para que una gota de agua que cae en el punto hidrológicamente más alejado de aquella, llegue a la salida (estación de aforo). Tiempo de pico (tp): es el tiempo que transcurre desde que se inicia el escurrimiento directo hasta el poco del hidrograma. Tiempo base (tb): es el intervalo comprendido entre el comienzo y el fin del escurrimiento directo. Tiempo de retraso (tr): es el intervalo del tiempo comprendido entre los instantes que
7. Métodos para la separación de flujos La separación del hidrograma en escorrentía superficial directa y en escorrentía base es importante y necesaria para el estudio hidrológico de la cuenca hidrográfica. La finalidad es establecer la precipitación efectiva sobre la cuenca que se convertirá en escorrentía superficial directa. 8. Método de la línea recta Es el más elemental de todos los métodos de separación de componentes y consiste en unir con una línea recta los puntos A (comienzo de la curva de concentración) y E (comienzo de la curva de agotamiento).
El hidrograma es un gráfico que muestra la variación en el tiempo de alguna información hidrológica tal como: nivel de agua, caudal, carga de sedimentos, entre otros. Así también hay que destacar que un Hidrograma puede presentar picos múltiples debido 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 REFERENCIAS Román, Francisco Javier Sánchez San. 2017. Universidad de Salama. [En línea] Julio de 2017. [Citado el: 14 de Mayo de 2021.] https://hidrologia.usal.es/ Viessman, W. y G. L. Lewis (2003).- Introduction to Hydrology. Pearson Education Inc., 5ª ed., 612 pp. Excelente. Esta 5ª edición supera claramente a la anterior. Wanielista, M. (1997).- Hydrology and Water Quality Control , 2ª edición. Ed. Wiley Ward, A.D. y S.W. Trimble (2004).- Environmental Hydrology. CRC Lewis, 2ª ed., 475 pp. Bueno, recomendable, lleno de ejemplos Raghunath, H.M. (2006).- Hydrology. New Age International. 477pp. Shaw, E.M.; K.J. Beven; N.A. Cappell y R. Lamb (2011).- Hydrology in Practice. Chapman and Hall, 543 pp. Chow, V.T.; D.R. Maidment y L.W. Mays (1993).- Hidrología Aplicada. McGraw-Hill, 580 pp. Es bueno, fundamental, aunque la traducción al español de algunos términos hidrológicos es espantosa.
