Cap. 3 Balance Hidrico
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DRENAJE
CAPITULO III:
BALANCE HIDRICO Docent Doc ente: e: Ing GOR GORKI KI F ASCUE SAL SALAS, AS, Mag. Mag.
1. ECUACION DE BALANCE HIDRICO
Se parte de la ecuación de continuidad, expresada como
∆V = Cambio Cambio en el volumen almacenado en el tiempo.
E = Entradas al sistema (generalmente la precipitación pluvial) S = Salidas del sistema (sistema hidrológico, cuenca, lago, embalse, etc)
Velásquez Mazariegos, Sergio. Cu Curs rso o In Inte tern rnac acio iona nal: l: Hi Hidr drol olog ogía ía y Ge Gest stió ión n de Cu Cuen enca cas. s. Costa Rica 2006.
1. ECUACION DE BALANCE HIDRICO
La ecuación de balance de agua superficial, tomando como unidad de análisis y plano de referencia a la cuenca es:
ΔV
V ll Rt B V man Et In Inter Uc f A b cuenca)
Cambio de almacenamiento Volumen de lluvia lluvia o precipitación en la cuenca Retornos de agua desde los diversos usos Extracciones por bombeo de los acuíferos Volumen aportado por los manantiales manantiales Evapotranspiración Infiltración de la lluvia a las capas profundas del suelo Intercepción de lluvia por la vegetación Usos (consuntivos o no) del agua (demanda) Pérdidas por fugas (sistemas de agua y alcantarillado) Volumen de escurrimiento aguas aguas abajo (salida de de
2. PRECIPITACION
Precipitación es la fuente primaria del agua de la superficie terrestre Formas Llovizna o garúa
Gotas con diám.: 0.1 a 0.5 mm. Veloc. de caída baja: 1 a 3 m/s
–
–
Lluvia Gotas con diám.: 0.5 a 3 mm. Veloc. de caída media: 3 a 7 m/s Chubasco: Gotas grandes y dispersas con diám.: > 3 mm Velocidad de caída: > 7 m/s Escarcha: Capa de hielo con bolsas de aire Nieve: Cristales complejos de hielo Granizo: Precipitación en forma bolas o irregulares de hielo Diámetro entre 5 a 125 mm
2.1 Clasificación de la precipitación
Atendiendo al factor que provoca la elevación del aire en la atmósfera, la precipitación se clasifica en: 1. Convectiva
Propias de tiempo caluroso y de regiones tropicales Son acompañadas de rayos y truenos La precipitación se da por los siguientes procesos: Evaporación Elevación por convección Enfriamiento por ascenso (gradiente) Las masas de vapor acumulado forman las llamadas Células de Convección.
2.1 Clasificación de la precipitación 2. Orográfica
La precipitación se da por los siguientes procesos: Evaporación Empuje del vapor hacia las montañas Enfriamiento por ascenso a lo largo de la montaña Condensación y Precipitación
2.1 Clasificación de la precipitación 3. Ciclónica
La precipitación se da por los siguientes procesos: Choque de dos masas con diferente temperatura y humedad Nubes mas calientes impulsadas a las partes altas Condensación y Precipitación Están asociadas con el paso de ciclones o zonas de baja presión.
2.2 Medición de la precipitación
Se mide en función de la altura de la lámina de agua que cae por unidad de área. Si hp= 1mm entonces Volumen = 0.001 m 3 (igual a 1 litro) Area= 1 m2
hp
2.2 Medición de la precipitación
Pluviómetro – Aparato
destinado a medir la cantidad de agua caída, ya sea en forma de lluvia, nieve o granizo, expresada a través de la cantidad de litros o milímetros caídos por metro cuadrado. – El pluviómetro tipo Hellmann es el instrumento meteorológico más generalizado. – Se
puede utilizar cualquier recipiente de boca ancha con superficie conocida como pluviómetro y para efectuar las lecturas de cantidad de agua se
Φ 20 cm
2.2 Medición de la precipitación
Pluviógrafo Es un instrumento registrador que mide la cantidad de precipitación e indica la intensidad caída. Esta constituido por recipientes dobles de medida conocida (vaciado automático). El movimiento se transmite a una plumilla que inscribe sobre la banda registradora el número de vuelcos que se han producido. El gráfico que se genera se conoce como pluviógrama.
Pluviograma
2.2 Medición de la precipitación
Estaciones automáticas –
– –
–
Registran parámetros hasta cada minuto Bajo costo Pueden verse los datos en tiempo real Proceso se hace mediante un programa especializado.
2.2 Medición de la precipitación
Radar Puede determinar dónde están la lluvia y el granizo. El radar rebota ondas de radio en las gotas de lluvia de las nubes. Una computadora mide cuánto tiempo le toma a las ondas reflejarse de vuelta y utiliza ese tiempo para determinar cuán lejos está la lluvia. La computadora también mide cuánta energía se refleja de vuelta hacia el radar y calcula cuanta lluvia contienen las nubes.
2.2 Medición de la precipitación
Radar Doppler No sólo puede determinar cuán lejos están las gotas de lluvia, también puede calcular si se están moviendo en dirección o lejos del radar. Los metereólogos saben que si la lluvia se está moviendo, el viento debe estar empujándola. Es así como saben hacia dónde sopla el viento dentro de las nubes.
2.3 Calculo de la precipitación media
Los métodos pueden ser utilizados para calcular precipitación media anual o de una tormenta. Metodologías: – – –
Promedio aritmético. Polígonos de Thiessen. Isoyetas.
Interpolación Procedimiento matemático utilizado para predecir el valor de un atributo en una locación precisa a partir de valores del atributo obtenidos de puntos vecinos ubicados al interior de la misma región. A la predicción del valor de un atributo en lugares fuera de la región cubierta por las observaciones se le llama extra polación.
2.3.1 Promedio aritmético
Este método consiste en el promedio aritmético de las alturas de precipitaciones registradas en las estaciones localizadas dentro de la zona. La precisión depende de: – Cantidad de estaciones. – Distribución de estaciones. – Distribución de lluvias. Es un método bueno si hay un gran número de pluviómetros.
2.3.2 Polígonos de Thiessen
Para este método es necesario conocer la localización de las estaciones dentro y fuera del área de estudio. Este método es bastante utilizado mediante el SIG.
2.3.3 Isoyetas
Se necesita de un plano de isoyetas del área de estudio.
Se necesita de un buen criterio para el trazado de isoyetas.
La precipitación orográfica sigue el patrón de curvas a nivel.
3. VOLUMEN DE RETORNO
Fracción del agua utilizada por un uso consuntivo que es retornada de nuevo al sistema. Se calcula mediante observaciones de campo o tablas: Uso Agrícola Industrial Doméstico Comercial Acuícola Pecuario
% retorno 15% 70% 70% 60% 90% 50%
4. VOLUMEN DE BOMBEO DE POZOS Y MANANTIALES
Debe hacerse un inventario de pozos y calcular la cantidad promedio diaria y/o mensual que se extrae de cada uno de ellos. Debe hacerse un inventario de los manantiales y aforarlos al menos una vez al mes durante un año para establecer el caudal promedio que rinde cada uno de ellos. A falta de datos se considera que entre los manantiales y los pozos excavados (rústicos) pueden aportar entre en 1 y 2% del total de ingreso de agua al sistema hidrológico.
5. EVAPOTRANSPIRACION
Evapotranspiración = Evaporación directa + pérdida de agua por transpiración de la vegetación.
5.1 Calculo de la Evapotranspiración
Existen diferentes metodologías y fórmulas:
5.2 Calculo de la
Evapotranspiración Potencial
Método Thornthwaite:
5.2 Calculo de la
Evapotranspiración Potencial
Método Thornthwaite:
5.2 Calculo de la
Evapotranspiración Potencial
Método Pennman – Monteith (FAO):
(
)
0.408 ∆ R - G + γ ET = o
n
(
900
U
T + 273
∆ + γ 1 + 0.34 U
2
2
)
(e
s
- ea
)
5.3 Calculo de la
Evapotranspiración Real
También se le conoce como Evapotranspiración actual o efectiva, se refiere a la ET que ocurre en situaciones reales de cultivo o cobertura en el campo. ETR = Cantidad de agua que efectivamente es utilizada por la evapotranspiración. Es difícil de calcular. Condiciones climáticas Magnitud de la reserva del suelo Requerimientos de los cultivos
Se debe corregir la ETP o ETo con un factor Kc dependiente del nivel de humedad del suelo y las características de cada cultivo.
5.3 Calculo de la
Evapotranspiración Real
La Evapotranspiración real se calcula en base a lo que se conoce como “balance hídrico del suelo” y se tienen varios métodos, entre ellas:
Método de Thornthwaite (Villón)
Método de Gunther
Método TM
6. INTERCEPCION DEL AGUA DE LLUVIA
La intercepción depende de:
Se reportan valores como:
Cantidad de biomasa presente. Intensidad de la lluvia. Estructura de la copa de los árboles y disposición de las hojas.
Bosques tropicales: 9 a 35% de la precipitación total. Cultivos anuales: 3 a12% de la precipitación total. Pastos: 12 a17% de la precipitación total.
Nota: En algunos trabajos se toma como
7. USOS DEL AGUA
Tipos de usos de agua:
7.1 Uso consuntivo
Usos que no devuelven inmediatamente el agua al ciclo hidrológico. Los usos consuntivos más importantes: Uso doméstico Uso agrícola Uso pecuario (incluye acuicultura) Uso Industrial Minería
Para calcular se debe consultar a los entes encargados de la concesión o distribuidoras del agua en estos usos para cuantificar la cantidad que se consume en el sistema hidrológico. En caso de no existir datos se puede calcular a través de los
8. FUGAS
Son debidos principalmente a pérdidas en sistemas de abastecimiento de agua potable. Se considera que en nuestro medio pueden tener una fuga promedio del 30% del total de agua derivado.
9. ESCORRENTIA O ESCURRIMIENTO
El escurrimiento es el componente del ciclo hidrológico que se define como el agua proveniente de la precipitación, que circula sobre o bajo la superficie terrestre, y que llega a una corriente para finalmente ser drenada hasta la salida de la cuenca (estación de aforo).
9.1 Escurrimiento de la precipitación
¿Qué pasa con la precipitación cuando llega a la superficie de la tierra? 1. Una parte de la precipitación se infiltra. Una parte de ésta, satisface la humedad del suelo, de las capas que se encuentran sobre el nivel freático del agua Una vez que estas capas se han saturado, el agua subterránea es recargada, por la parte restante del agua que se infiltra.
2. Otra parte de la precipitación, tiende a escurrir sobre la superficie terrestre La precipitación que ocasiona este escurrimiento, se llama altura de precipitación en exceso ( ).
3. Una pequeña proporción se “pierde” por percolación o
9.2 Clasificación de los escurrimientos
El escurrimiento se clasifica en 03 tipos:
Proviene de la precipitación no infiltrada y que escurre sobre la superficie del suelo. Efecto inmediato sobre el escurrimiento total existe durante la tormenta e inmediatamente después de que esta termine La parte de la precipitación total que da lugar a este escurrimiento, se denomina precipitación en exceso (hp ).
Proviene de una parte de la precipitación infiltrada. El efecto sobre el escurrimiento total, puede ser inmediato o retardado. Si es inmediato se le da el mismo tratamiento que al escurrimiento superficial, en caso contrario, como escurrimiento subterráneo.
Es aquel que proviene del agua subterránea, la cual es recargada por la parte de la precipitación que se infiltra, una vez que el suelo se ha saturado.
9.3 Movimiento de los escurrimientos
9.3 Relación precipitación escurrimiento
9.4 Factores que afectan el escurrimiento superficial
Forma, tipo, duración e intensidad de la precipitación. La dirección y la velocidad de la tormenta. La distribución de la lluvia en la cuenca.
Características físicas de la cuenca (superficie, forma, elevación, pendiente). Tipo y uso del suelo. Humedad antecedente del mismo.
9.5 Medición del escurrimiento
La hidrometría, es la rama de la hidrología que estudia la medición del escurrimiento (aforos). Métodos:
1. Directos: Se usan aparatos o procedimientos para medir directamente el caudal.
2. Indirectos o continuos: Son procedimientos que miden el nivel del agua en el cauce y a partir del nivel estiman el caudal.
Métodos de aforo
Aforos con flotadores (D) Aforos volumétricos (D) Aforos químicos (D) Aforos con vertederos (I) Aforos con correntómetro o molinete (D) Aforos con medidas de la sección y la pendiente (D) Limnígrafos (I)
9.5.1 Aforos con flotadores
Escoger un lugar recto del cauce de una longitud L Medir la velocidad superficial (V) El procedimiento para medir la velocidad es como sigue:
Medir la longitud ( ) del tramo . Medir con un cronómetro el tiempo ( ), que tarda en desplazarse el flotador (botella lastrada, madera, cuerpo flotante natural) en el tramo . Calcular la velocidad
Q= Caudal (m3/s) v= Velocidad (m/s) A= Área (m2)
9.5.1 Aforos con flotadores
Para el cálculo del área hacer lo siguiente:
Calcular el área en la sección ( ) Calcular el área en la sección ( ) Calcular el área promedio.
Cálculo del área en una sección
Calcular el área para cada tramo, usando el método del trapecio. Calcular el área total de una sección.
9.5.2 Aforos volumétricos
Calcular o medir el volumen del depósito o recipiente ( ). Con un cronómetro, medir el tiempo ( ), requerido para llenar el depósito. Calcular el caudal con la ecuación: Repetir 3 veces la medición y hacer un promedio. Es el método más exacto, pero se adapta a pequeñas corrientes o para calibrar otros equipos (aforadores, vertederos, etc).
9.5.3 Aforos químicos
Método de dilución, que consiste en introducir una solución instantánea de concentración conocida (cloruro de sodio) durante un intervalo de tiempo suficiente (t) en una sección de paso (A1), y en determinar, a continuación el grado de dilución resultante en otra sección aguas abajo (A2). Los aforos químicos; electroquímico y por solución radioactiva son variantes del aforo por dilución.
9.5.4 Aforos con vertederos
Los vertederos, son los dispositivos más utilizados para medir el caudal en canales abiertos, ya que ofrecen las siguientes ventajas:
Se logra precisión en los aforos. La construcción de la estructura es sencilla. No son obstruidos por los materiales que flotan en el agua. La duración del dispositivo es relativamente larga.
9.5.4 Aforos con vertederos
Calibración de los vertederos: Consiste en hallar la ecuación que relaciona la carga sobre el vertedero con el caudal . Para realizar la calibración del vertedero, se puede utilizar el método volumétrico, con el siguiente proceso: Suponer la ecuación potencial.
Medir para varios caudales y su respectiva carga y tabularlos Establecer la correlación potencial simple, de los datos y registrados, y calcular los parámetros y . Conocidos y , la ecuación, estará definida para su utilización.
9.5.4 Aforos con vertederos
9.5.4 Aforos con vertederos
9.5.4 Aforos con vertederos
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Los correntómetros son aparatos que miden la velocidad, en un punto dado del curso del agua. La velocidad es medida en los instrumentos, por medio de un órgano móvil (hélice). La hélice detecta la velocidad de la corriente y transmite una seña cuando ha dado un cierto número de vueltas sobre un contador o contómetro (impulsiones de sonido, señales luminosas, digitales, etc).
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Condiciones de la sección de aforo: Ubicación ideal
Los filetes líquidos son paralelos entre si. Las velocidades sean suficientes, para una buena utilización del correntómetro. Las velocidades son constantes para una misma altura de la escala limnimétrica.
Condiciones exigidas:
Un recorrido rectilíneo entre dos riberas o márgenes francas. Un lecho estable. Un perfil transversal relativamente constante, según el perfil en longitud
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Formas de aforo:
Curso de agua es pequeño Curso de agua poco profundo y fondo resistente res istente Colocar una cinta graduada de un margen a otro, y se va midiendo la velocidad a diferentes profundidades, a puntos equidistantes de un extremo a otro de la sección.
La sección se materializa con un cable tendido de un extremo a otro, y el aforo se hace en bote o por un funicular.
Se coloca una pasarela entre los pilones de un puente, el aforador se coloca sobre la pasarela, y realiza la medición de las velocidades desde allí.
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Procesos para realizar el aforo: Medir el ancho del río (longitud de la superficie libre de agua o espejo de agua T1 ) Dividir el espejo de agua T1 , en un número N de tramos (por lo menos N = 10), siendo el ancho de cada tramo: Se recomienda las distancia mínima entre verticales, tal como se muestra en la tabla:
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Procesos para realizar el aforo: Medir en cada vertical, la profundidad , puede suceder que en los márgenes la profundidad sea cero o diferente de cero. El área de cada tramo, se puede determinar como el área de un trapecio. Si la profundidad en algunos de los extremos es cero, se calcula como si fuera un triángulo.
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Calcular la velocidad
La velocidad en una sección de una corriente varía tanto transversalmente como con la profundidad Las velocidades, se miden en distintos puntos en una vertical La cantidad de puntos, depende de las profundidades del cauce y del tamaño del correntómetro.
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Calcular la velocidad promedio en una vertical
La distribución de velocidades en una vertical, tiene la forma de una parábola, como se muestra en la figura. En la figura se observa: vs = velocidad superficial vmáx = ubicada a 0.2 de la profundidad, medido con respecto a la superficie del agua vm = velocidad media en la vertical, la cual tiene varias formas de cálculo La relación entre la velocidad media y superficial es: vm = C × vs donde: C varía de 0.8 a 0.95, generalmente se adopta igual a 0.85
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Calcular la velocidad en un punto
Colocar el instrumento (correntómetro o molinete) a esa profundidad. Medir el número de revoluciones ( NR ) y el tiempo (T en segundos), para ese número de revoluciones. Calcular el número de revoluciones por segundo (n ), con la ecuación:
Medir la velocidad media en un punto
Se emplea, cuando la profundidad del agua es pequeña, o hay mucha vegetación a 0.8 de la profundidad.
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
La velocidad se mide indirectamente, ya que en la práctica lo que se mide es el tiempo que emplea la hélice, para dar un cierto número de revoluciones, y mediante una fórmula propia para cada hélice se calcula la velocidad:
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Calcular la velocidad promedio en un tramo:
Calculo del caudal: Método del área y velocidad promedio
Calcular para cada vertical la velocidad media, usando el método de uno, dos o tres puntos. Determinar la velocidad promedio de cada tramo, como el promedio de dos velocidades medias, entre dos verticales consecutivas, es decir:
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Calculo del caudal Método del área y velocidad promedio
Determinar el área que existe entre dos verticales consecutivas, utilizando la fórmula del trapecio, es decir:
Determinar el caudal que pasa por cada tramo utilizando la ecuación de continuidad, multiplicando la velocidad promedio del tramo por el área del tramo, es decir: Calcular el caudal total que pasa por la sección, sumando los caudales de cada tramo, es decir:
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Calculo del caudal Método de las parábolas
Trazar para cada vertical, la curva profundidad - velocidad (parábolas de velocidad). Calcular las áreas de las parábolas (usar el planímetro o el método de la balanza). Cada área calculada representa un caudal por unidad de ancho (m2/s). Trazar la curva vs . Calcular con un planímetro o balanza analítica el área de la curva anterior, la cual representa el caudal.
9.5.5 Aforos con correntómetro o molinete
Calculo del caudal
Método de Isotaquias
Ubicar en cada vertical las velocidades calculadas. Trazar las isotaquias interpolando las velocidades (las son líneas que unen puntos de igual velocidad), en forma similar, que la interpolación de puntos para obtener las curvas de nivel. Calcular con el planímetro, o con la balanza analítica, las áreas que quedan por encima de cada velocidad. Trazar la curva vs por encima de cada velocidad. Calcular con el planímetro, o con la balanza analítica, el área de la curva anterior, la cual representa el caudal.
9.5.6 Aforos con medidas de la sección y la pendiente
Método de la Wincha Métrica: Consiste en medir el ancho probable de la sección de la máxima avenida según las marcas de agua y posteriormente se realiza la medición de las distancias horizontales y verticales de cada tramo.
9.5.6 Aforos con medidas de la sección y la pendiente
Método del Nivel de Ingeniero: Este método tiene mas precisión que la anterior y se hace tomando las cotas de cada punto de una o mas secciones del cauce desde el punto de estación del Nivel de Ingeniero.
9.5.6 Aforos con medidas de la sección y la pendiente
Método de la Estación Total: Con este método se obtiene mayor precisión y exactitud comparado con los demás métodos y es mas sencillo para determinar las secciones de un determinado cauce, ya que se puede almacenar todo los datos del campo en el instrumento..
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