TRABAJO de HIDROLOGIA Cuenca Hidrologica y Conceptos Generales

HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE ING. CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

Hidrología y Cuenca hidrológica

CURSO: -

HIDROLOGÍA

-

Ing. Omar Coronado Zuloeta.

-

Bravo Dávila Yhair Oliva Mera Jesús Miguel Guevara Barrera Jorge

DOCENTE:

ALUMNOS:

Lambayeque, 17 de enero del 2014 Firekaizer

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

I.

INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................3

II.

EL AGUA.- .............................................................................................................................................................3 a.

Problemática de Disponibilidad Futura y Uso en el Perú y el Mundo.- ............................................................4 i.

Problemática en el Mundo...........................................................................................................................4

ii.

Problemática en el Perú ...............................................................................................................................7

III.

CONCEPTOS BÁSICOS.- ..................................................................................................................................12 a)

HIDROLOGÍA: DEFINICIÓN ..............................................................................................................................12

b)

HIDROLOGÍA: IMPORTANCIA.- .......................................................................................................................13

IV.

Aplicaciones de la Hidrología. .......................................................................................................................18

V.

GEOMORFOLOGIA DE LA CUENCA .....................................................................................................................21 1.- DEFINICIONES ....................................................................................................................................................21 1.

Parteaguas o divisoria de aguas .....................................................................................................................21

2.

Área de la cuenca ...........................................................................................................................................21

3.

Cauce principal de una cuenca .......................................................................................................................22

VII.

DELIMITACION ...............................................................................................................................................23

1.

Trazado línea divisoria o parte aguas .............................................................................................................23

VIII.

CARACTERISTICAS FISICAS DE LAS CUENCAS ................................................................................................24

a)

Área de la cuenca (A): ....................................................................................................................................24

b)

Perímetro de la cuenca (P) .............................................................................................................................25

c)

Curva Hipsométrica ........................................................................................................................................26

IX.

Índices Representativos ................................................................................................................................29 A.

Factor de Forma .............................................................................................................................................29

B.

Índice de Compacidad ....................................................................................................................................29

C.

Relación de Elongación (Re) ...........................................................................................................................30

D.

Relación de circularidad (Rci) .........................................................................................................................31

E.

Rectángulo equivalente o rectángulo de Gravelius ........................................................................................31

F.

Pendiente de la cuenca ..................................................................................................................................34

X.

Pendiente del Cauce ..........................................................................................................................................34 a)

Pendiente del cauce principal (Sm) ................................................................................................................34

b)

Componentes de la red de drenaje ................................................................................................................35 i.

Numero de Orden de un cauce ..................................................................................................................35

ii.

Densidad de drenaje (Dd) ..........................................................................................................................36

iii.

Coeficiente de torrencialidad.....................................................................................................................36

iv.

Frecuencia de cauces (Fc) ..........................................................................................................................36

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

I.

INTRODUCCIÓN

Una de las ramas importantes que comprende la Ingeniería Civil, es la que está enfocada al estudio del fluido líquido más abundante en la tierra, El Agua.

Antes de aprender a Diseñar estructuras que interactúan con este elemento, debemos estudiar y aprender todo lo relacionado a la distribución, circulación, y otras características importantes de este fluido y el contexto que lo rodea, es por eso que llevamos el curso de Hidrología en el cual se integran todos los contenidos que permiten a un profesional de Ingeniería Civil, conocer e interpretar el comportamiento de las fuentes de este fluido así como del mismo.

Siendo esta la primera exposición del curso, los temas que se desarrollarán, comprenden a definiciones importantes para tener una idea del desarrollo del curso y el elemento en estudio, así como también las principales propiedades de una de las importantes superficies como son las cuencas.

Se espera entonces que al final del desarrollo, lectura y exposición del contenido del presente trabajo, se tengan claros los conceptos básicos de Hidrología y el enfoque del curso para el correcto avance de los temas siguientes.

II.

EL AGUA.-

El agua es la sustancia más abundante en la tierra, es una fuerza importante que constantemente está cambiando la superficie de la tierra, también es un factor clave en la climatización de nuestro planeta.

El agua es uno de los cuatro elementos que el filósofo griego Aristóteles definió como constituyente del universo, junto con el aire, la tierra y el fuego.

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA Además la climatización del planeta, constituye un factor decisivo para la existencia humana, la formación de paisajes y en el progreso de los pueblos. Es un bien esencial para la vida y el desarrollo económico social de las naciones. Se trata de un recurso natural renovable que puede tornarse escaso con el crecimiento y desarrollo de la población, las industrias y la agricultura. Es por esto que no siempre es posible satisfacer las necesidades humanas y con frecuencia su escasez no permite disponer de la cantidad necesaria, otras veces su exceso ocasiona graves daños materiales, y pérdidas de vidas humanas.

Por esta razón es muy importante su estudio, comprender el desarrollo de esta, y poder adecuarse a su dinámica para vivir en armonía con ella.

a. Problemática de Disponibilidad Futura y Uso en el Perú y el Mundo.- Primero debemos conocer en general lo que representa el agua en la Tierra.

Las dos terceras partes de la superficie del planeta están cubiertas por agua. Si la Tierra fuera una esfera uniforme, esta cantidad sería suficiente para cubrirla hasta una profundidad cercana a 2,6 km.

El 70 % del Planeta está constituido por agua. Fuente: Wikipedia Pero, aunque estos números sean muy grandes, el desglosamiento de este porcentaje es lo que causa alarma en el mundo entero y en el Perú.

i. Problemática en el Mundo

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA Aunque el agua es el elemento más frecuente en la Tierra, únicamente 2,53% del total es agua dulce y el resto es agua salada. Aproximadamente las dos terceras partes del agua dulce se encuentran inmovilizadas en glaciares y al abrigo de nieves perpetuas.

Además el agua tal como se encuentra en la naturaleza, para ser utilizada sin riesgo para el consumo humano requiere ser tratada, para eliminar las partículas y organismos que pueden ser dañinos para la salud.

Por otra parte, si tenemos en cuenta la disponibilidad hoy en día de los recursos hídricos respecto a la población mundial, podremos ver situaciones como las siguientes: Asia tiene el 60% de la población y sólo el 36% del recurso hídrico; Europa posee el 13% de población y el 8% del recurso hídrico; en África vive el 13% de la humanidad y tan sólo se dispone del 11% del agua; en cambio, en América del Norte y Central reside el 8% de la población y esta disfruta del 15% del recurso hídrico; y, finalmente, América del Sur tiene únicamente el 6% de la población del mundo, pero disfruta del 26% de los recursos hídrico, lo anterior se puede apreciar en la siguiente imagen.

Relación de Recursos Hídricos y Población Mundial. Fuente: UNESCO A través de la historia del agua se puede comprender como las civilizaciones llegaron al desarrollo de culturas hídricas muy avanzadas, que permitieron establecer conceptos tales

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA como que “el agua es amiga de la comunidad” o, en muchos otros casos, “enemiga de la comunidad”. Estas definiciones muestran que, efectivamente, el acceso al agua se ha convertido desde la más remota Antigüedad en una fuente de poder o en la manzana de la discordia que ha originado grandes conflictos.

Como puede apreciarse, el agua efectivamente fue, es y seguirá siendo una fuente de poder, así como un elemento susceptible de generar conflictos entre países, departamentos, provincias, ciudades, e incluso barrios de la misma población. También es evidente que, gracias al desarrollo del conocimiento en el área de las ciencias del agua, se puede observar con mucha claridad qué continentes están más expuestos a posibles conflictos en función de su elevada población y su disponibilidad del recurso hídrico.

Además el sector agrícola es el mayor consumidor de agua con el 65%, no sólo porque la superficie irrigada en el mundo ha tenido que quintuplicarse sino porque no se cuenta con un sistema de riego eficiente, razón principal que provoca que las pérdidas se tornen monumentales. Le siguen el sector industrial que requiere del 25% y el consumo doméstico, comercial y de otros servicios urbanos municipales que requieren el 10%. Para el año 2015 el uso industrial alcanzará el 34% a costa de reducir al 58% los volúmenes destinados para riego y al 8% los destinados para otros usos. El consumo total de agua se ha triplicado desde 1950 sobrepasando los 4,300 km3/año, cifra que equivale al 30% de la dotación renovable del mundo que se puede considerar como estable.

En términos globales, podemos afirmar que el uso del recurso hídrico está distribuido en un 75% para la agricultura, un 22% para industria y minería, y solo un 4% para el consumo doméstico en las ciudades. Ante estas circunstancias, muchas regiones del mundo han alcanzado el límite de aprovechamiento del agua, lo que los ha llevado a sobreexplotar los recursos hidráulicos superficiales y subterráneos, creando un fuerte impacto en el ambiente.

Finalmente a manera Global, en el presente año, el 76% del total de la población tiene una disponibilidad de agua de menos de 5.000 m3 por año y por persona y un 35% de esta población tiene disponibilidades muy bajas (que amenazan sus condiciones de supervivencia). Esta

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA situación continuará, y se estima que en el 2025 la mayoría de la población vivirá bajo condiciones muy bajas y casi catastróficas de agua potable. La disponibilidad potencial de agua para la población mundial disminuirá de 12,9 a 7,6 mil m3/persona/año.

Por ello, resulta fundamental desarrollar una visión sostenible del agua que posibilite la promoción y el rápido desarrollo y accesibilidad de las tecnologías, que sean altamente compatibles y respetuosas con el medio ambiente.

ii. Problemática en el Perú

En 1997 Unesco realizó un estudio de la situación de os recursos hídricos, además hizo una proyección para el 2025, clasificando los diferentes continentes y países de estos, de acuerdo al “estrés hídrico”. Definiendo a Estrés Hídrico como, cuando la demanda de agua es más importante que la cantidad disponible durante un periodo determinado o cuando su uso se ve restringido por su baja calidad. El estrés hídrico provoca un deterioro de los recursos de agua dulce en términos de cantidad (acuíferos sobreexplotados, ríos secos, etc.) y de calidad (eutrofización, contaminación de la materia orgánica, intrusión salina, etc.).

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Proyección de los países que experimentarán estrés hídrico el año 2025. Fuente: UNESCO

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Proyección de los países que experimentarán estrés hídrico el año 2025. Fuente: UNESCO Es allí entonces donde ya podemos darnos cuenta de la situación actual del País. El Perú es uno de los países más ricos en recursos hídricos: no obstante que su extensión representa solamente el 0,87 de la superficie continental del planeta, posee el 4,6% del agua superficial planetaria.

Sus problemas, por lo tanto, no son de dotación sino de distribución territorial y de deficiente gestión.

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Fuente: Dirección de Conservación y Planeamiento de Recursos Hídricos – Autoridad Nacional del Agua. Uso.- Los usos del agua en el Perú comportan en general distorsiones y prácticas ineficientes que se suman a los problemas de distribución ya mencionados. Además del uso que hace la población en el ámbito doméstico para satisfacer sus necesidades cotidianas, se emplea agua también en las actividades económicas. Todos estos usos remiten a la importante función de las cuencas como proveedoras de servicios eco sistémicos y, dentro de éstos, el suministro de alimentos y otros bienes.

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Fuente: Autoridad Nacional del Agua (ANA).2002 El 92% de agua dulce en Perú es consumido por la agricultura y ganadería, este abismal porcentaje se debe al uso ineficiente, inadecuadas prácticas de riego, inexistentes estructuras de drenaje como sistema por goteo y aspersión.

Si las autoridades del control de agua no comienzan a realizar bien su trabajo, se estima que en 10 años el estrés hídrico empeorará, generando una crisis mayor en todo el país.

Algunas ideas de solución serían: o

La Elaboración de la Carta Hidrogeología Nacional

o

Generar conocimiento de los comportamientos y geometría de los acuíferos.

o

Elaborar mapas temáticos: Mapa hidro químico, Mapa inventario de fuentes

o

Elaboración de propuestas de intervención en acuíferos determinados.

o

Captación y recarga de aguas subterráneas

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III.

CONCEPTOS BÁSICOS.-

a) HIDROLOGÍA: DEFINICIÓN Existen muchas definiciones de hidrología, se recurre a la que es considerada la más completa, propuesta por U.S. Federal Council for Science and Technology (1962).

“Hidrología es la ciencia natural que estudia el agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos”. También es conveniente mencionar la definición que plantea la Organización Meteorológica Mundial, por que destaca la importancia de la hidrología en relación con los recursos hidráulicos de la tierra y su aprovechamiento.

“Hidrología es la ciencia que trata de los procesos que rigen el agotamiento y recuperación de los recursos de agua en las áreas continentales de la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrológico”

Es necesario limitar la parte de la hidrología que estudia la ingeniería, a una rama que comúnmente se llama ingeniería hidrológica.

Siendo la Ingeniería hidrológica es la ciencia aplicada, que usa principios hidrológicos en la solución de problemas de ingeniería, que surgen de la necesidad de uso y explotación de los recursos hídricos, así como para la protección contra daños ocasionados por éste. La hidrología aplicada moderna exige conocimientos avanzados de matemáticas, tales como la estadística, planteamientos y resoluciones analíticas del comportamiento del ciclo hidrológico que es muy complejo.

El grupo la define que: La hidrología es la ciencia que estudia la circulación del agua en la naturaleza (ciclo hidrológico) cualitativa y cuantitativamente. Específicamente, estudia el agua sobre la superficie de la tierra, en el suelo, en las rocas subyacentes y en la atmósfera, con referencia a la evaporación y a la precipitación.

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b) HIDROLOGÍA: IMPORTANCIA.En la actualidad la hidrología tiene un papel muy importante en el planeamiento del uso de los Recursos Hidráulicos, y ha llegado a convertirse en parte fundamental de los proyectos de ingeniería que tienen que ver con suministro de agua, disposición de aguas servidas, drenaje, protección contra la acción de ríos y recreación. Además su importancia radica en su aplicación directa en el diseño y operación de proyectos de ingeniería para el control y uso del agua:

 Vías de comunicación: redes viales, puentes alcantarillas, etc.  Ingeniería sanitaria: proyectos para uso humano  Ingeniería estructural: Influencia Sobre Las Cimentaciones  Ingeniería hidráulica: Información Indispensable En El Diseño II.

CICLO HIDROLÓGICO.“El ciclo hidrológico es el fenómeno de circulación global del agua producido fundamentalmente por la energía solar, e influenciado por las fuerzas de gravedad y la rotación de la Tierra.”

Así, a partir de la recepción de energía solar que es la fuente de generación exterior se puede comenzar a describir el ciclo del agua con la generación de vapor de agua hacia la atmósfera por

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA evaporación del agua líquida desde lagos, ríos, océanos, mares y por evapotranspiración desde suelos y vegetación. Luego, bajo determinadas condiciones meteorológicas (presión, temperatura y humedad) este vapor se condensa esto es cambiando nuevamente de estado formando micro gotas de agua líquida que se mantienen suspendidas en el aire debido a la turbulencia natural. El agrupamiento de estas micro gotas da lugar a los aerosoles y sucesivamente a la formación de nubes. Luego, través de la dinámica de las masas de aire (circulación atmosférica) se concreta la principal transferencia de agua atmosférica hacia las masas continentales en forma de precipitación.

El agua proveniente de la precipitación (en estado sólido y/o líquido) sigue distintos caminos cuando llega a la superficie terrestre en función de las características edáficas, topográficas, fitográficas, urbanas, etc. Puede ser interceptada por la vegetación, convertirse en flujo superficial sobre el terreno (escurrimiento superficial) o infiltrarse en el suelo dando lugar a la formación de acuíferos (aguas subterráneas) que, eventualmente gracias al escurrimiento subterráneo, alimentan ríos, lagos, humedales o descargan directamente en el mar. La mayor parte del agua interceptada y de escorrentía superficial regresa a la atmósfera por el proceso de evaporación.

El ingreso de agua al ambiente subterráneo se realiza por el fenómeno de infiltración. Su desplazamiento desde el suelo por las zonas de aireación y saturación, se denomina percolación.

El ciclo hidrológico no tiene principio ni fin y sus diversos procesos o fenómenos ocurren en forma continua, como se ve en la imagen anterior.  COMPONENTES: a) Precipitación: La formación de la precipitación requiere la elevación de una masa de agua en la atmósfera de tal manera que se enfríe y parte de su humedad se condense. La condensación requiere de una semilla llamada el núcleo de condensación, alrededor del cual las moléculas del agua se pueden unir. Si la temperatura se encuentra por debajo del punto del punto de congelamiento, se forman cristales de hielo.

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b) Evaporación: Se define como evaporación al proceso físico por el cual el agua pasa del estado líquido al gaseoso y representa la tasa neta de transporte de vapor hacia la atmósfera. El cambio de estado de líquido a vapor se debe a la radiación solar que brinda la energía necesaria para que las moléculas del agua cambien de estado.

c) Infiltración: Se denomina infiltración al proceso de entrada de agua a través del suelo7 proveniente de lluvia, derretimiento nivel o irrigación. Se debe tener en cuenta que el movimiento de agua en el suelo continúa aun cuando ha finalizado el proceso de la infiltración, ya que el agua infiltrada se redistribuye también lateralmente. Una vez que el agua atraviesa el suelo, el proceso se denomina percolación.

d) Escurrimiento Superficial: Un río drena un área determinada que se denomina área de captación o cuenca o cuenca hidrográfica. Los límites de esta área están definidos por zonas más elevadas del terreno que constituyen las divisorias de agua. El conjunto de todos los cursos de agua (ríos principales, afluentes, tributarios, arroyos, etc.) que confluyen en un curso de agua principal, se denomina red de drenaje superficial.

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III.

Distribución del Agua en la Tierra de acuerdo con su naturaleza.El total del agua presente en el planeta, en todas sus formas, se denomina hidrosfera. El agua cubre 3/4 partes (71%) de la superficie de la Tierra. Se puede encontrar esta sustancia en prácticamente cualquier lugar de la biosfera y en los tres estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gaseoso. El 97 por ciento es agua salada, la cual se encuentra principalmente en los océanos y mares; sólo el 3 por ciento de su volumen es dulce. De esta última, un 1 por ciento está en estado líquido. El 2% restante se encuentra en estado sólido en capas, campos y plataformas de hielo o banquisas en las latitudes próximas a los polos. Fuera de las regiones polares el agua dulce se encuentra principalmente en humedales y, subterráneamente, en acuíferos. El agua representa entre el 50 y el 90% de la masa de los seres vivos (aproximadamente el 75% del cuerpo humano es agua; en el caso de las algas, el porcentaje ronda el 90%). En la superficie de la Tierra hay unos 1.386.000.000 km3 de agua (Si la tierra fuese plana,-sin topografía- estaría completamente cubierta por una capa de unos 2.750 m), que se distribuyen de la siguiente forma:

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La mayor parte del agua terrestre, por tanto, está contenida en los mares, y presenta un elevado contenido en sales. Las aguas subterráneas se encuentran en yacimientos subterráneos llamados acuíferos y son potencialmente útiles al hombre como recursos. En estado líquido compone masas de agua como océanos, mares, lagos, ríos, arroyos, canales, manantiales y estanques.

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Distribución del Agua Terrestre. Fuente: U.S. Geological Survey

IV.

Aplicaciones de la Hidrología.

La Hidrología es aplicada con mucha frecuencia para el diseño de obras civiles. El ingeniero civil que se ocupa de proyectar, construir o supervisar el funcionamiento de instalaciones hidráulicas, sanitarias y otras obras civiles debe resolver numerosos problemas prácticos. Éstos pueden ser de muy variado carácter, pero en la mayoría de los casos será necesario el conocimiento de la hidrología para su solución. Los proyectos de ingeniería civil típicos de explotación y uso de los recursos hídricos (agua) son: o

Abastecimiento de agua potable.

o

Irrigación (riego tecnificado y riego por inundación).

o

Aprovechamiento hidroeléctrico (centrales hidroeléctricas).

o

Suministro de agua para múltiples usos.

o

Navegación.

o

Recreación entre otros.

Los proyectos de ingeniería civil típicos para la protección contra los daños que ocasiona el agua son: o

Drenaje urbano (drenajes fluviales, evacuación de desechos).

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA o

Drenaje vial (dimensionamiento de puentes, alcantarillas en carreteras).

o

Drenaje agrícola (drenaje superficial, para la eliminación de aguas superficiales, innecesarias y perjudiciales a la agricultura y a los asentamientos humanos; drenaje sub superficial, para la eliminación de aguas perjudiciales para la agricultura y para las instalaciones técnicas).

o

Encauzamientos de ríos.

o

Defensa contra inundaciones.

o

Determinación de llanuras de inundación.

o

Control de la erosión en cuencas.

o

Dimensionamiento y operación de embalses.

Como base para la realización de tales tareas, el ingeniero debe conocer los elementos básicos del ciclo hidrológico, los medios y métodos de medida de los mismos, las técnicas de tratamiento de datos y su interpretación. Además, debe saber establecerse adecuadamente las relaciones cuantitativas y cualitativas entre parámetros importantes, mediante la ayuda del análisis de sistemas, la estadística matemática, etc.

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Obras civiles donde se utilizó el conocimiento de hidrología. Fuente: Paginas Varias

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V.

GEOMORFOLOGIA DE LA CUENCA

1.- DEFINICIONES Cuenca hidrográfica: espacio geográfico cuyos aportes hídricos naturales son alimentados exclusivamente por las precipitaciones y cuyos excedentes en agua o en materias sólidas transportadas por el agua forman, en un punto espacial único, una desembocadura. También se puede definir como el conjunto de terrenos que drenan sus aguas hacia un cauce común.

Figura 1. Cuenca

VI.

ELEMENTOS DE LAS CUENCAS

Las cuencas presentan los siguientes elementos: Parteaguas o divisoria de aguas, área de la cuenca y el cauce principal de la cuenca.

1. Parteaguas o divisoria de aguas Línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel topográfico, que separa la cuenca en estudio de las cuencas vecinas.

2. Área de la cuenca Superficie en proyección horizontal, delimitada por la divisoria de aguas.

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3. Cauce principal de una cuenca Corriente que pasa por la salida de la cuenca; las demás corrientes se denominan cauces secundarios (tributarios). Las cuencas correspondientes a las corrientes tributarias se llaman cuencas tributarias o subcuencas. En la Figura 2, son expuestos los elementos de una cuenca.

Figura 2. Componentes de la cuenca

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VII.

DELIMITACION

La delimitación de una cuenca, se hace sobre un plano o mapa con curvas de nivel siguiendo las líneas del Divortium Acuarum (parteaguas), formado por los puntos de mayor nivel topográfico. 1. Trazado línea divisoria o parte aguas Reglas prácticas para el trazado de la divisoria topográfica 1.- La divisoria corta ortogonalmente a las curvas de nivel y pasa por los puntos de mayor nivel

topográfico. 2.- Cuando la divisoria va aumentando su altitud, corta a las curvas de nivel por la parte convexa

(el caso cuando el trazado se dirige desde el río hacia arriba), ver Figura 3. 3.- Cuando la altitud de la divisoria va decreciendo, corta a las curvas de nivel por su parte

cóncava (el caso cuando el trazado llegue al río ya para cerrar la divisoria), ver Figura 3. 4.- Como comprobación, la divisoria nunca corta a un arroyo o río, excepto en el punto de

interés de la cuenca (salida).

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Figura 3. Trazado de la divisoria topográfica de la cuenca

VIII.

CARACTERISTICAS FISICAS DE LAS CUENCAS

Nos permitirán establecer comparaciones entre cuencas estudiadas, con otras en las que no exista la suficiente información.

a) Área de la cuenca (A): Es el área plana en proyección horizontal, de forma muy irregular, obtenida después de delimitar la cuenca; se reporta en kilómetros cuadrados, excepto las cuencas pequeñas que se expresan en hectáreas (Figura 4).

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Figura 4. Área de Cuencas

Se puede determinar directamente de un plano topográfico: - Utilizando software, como el ARGIS o el AUTO CAD - Utilizando planímetro (aparato de medición para el cálculo de áreas irregulares) - Descomposición geométrica - Por pesadas

b) Perímetro de la cuenca (P) Borde del contorno (limite exterior) de la forma irregular de la cuenca proyectada en un plano horizontal. (Figura 4), obtenida una vez delimitada la cuenca.

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c) Curva Hipsométrica Es la representación gráfica del relieve de una cuenca; es decir la curva hipsométrica indica el porcentaje de área de la cuenca o superficie de la cuenca en Km2 que existe por encima de una cota determinada, representado en coordenadas rectangulares.

Figura 5. Curva hipsometrica

a. Construcción Curva Hipsométrica Para construir la curva hipsométrica se utiliza un mapa con curvas de nivel, el proceso es como sigue:  Se marcan subáreas de la cuenca siguiendo las curvas de nivel, por ejemplo de 100 en 100 m. 

Con el planímetro ó software adecuado (AutoCad, Ilwis, ArcView, etc), se determinan las áreas parciales de esos contornos.



Se determinan las áreas acumuladas, de las porciones de la cuenca.



Se determina el área acumulada que queda sobre cada altitud del contorno.



Se plotean las altitudes, versus las correspondientes áreas acumuladas que quedan sobre esas altitudes. b. Utilidad de la curva Hipsométrica

De la curva hipsométrica se puede extraer una importante relación, como es la relación hipsométrica ( RH ):

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RH 

As Ab

Dónde: As : Área sobre la curva hipsométrica Ab : Área bajo la curva hipsométrica

Según Strahler, la importancia de esta relación hipsometrica reside en que es un indicador del estado de equilibrio dinámico de la cuenca. Así, cuando RH  1 , se trata de una cuenca en equilibrio morfológico. La Figura 2.17 muestra tres curvas hipsométricas correspondientes a tres cuencas hipotéticas, que tienen potenciales evolutivos distintos. La curva superior (A) refleja una cuenca con un gran potencial erosivo; la curva intermedia (B) es característica de una cuenca en equilibrio; y la curva inferior (C) es típica de una cuenca sedimentaria. Quedando así, representan distintas fases de la vida de los ríos: 

curva A: Cuenca en fase juventud



curva B: Cuenca en fase madurez



curva C: Cuenca en fase de vejez

Figura 6. Características de las Curvas hipsométricas en ciclo erosivo

A. Diagrama de frecuencias altimétricas

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Es la representación gráfica, de la distribución en porcentaje, de las superficies ocupadas por diferentes altitudes. La curva de frecuencia de altitudes se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Curva hipsométrica y curva de frecuencia

Con las curvas anteriores se puede determinar las siguientes características de la cuenca: Altitud media, es la ordenada media de la curva hipsométrica, en ella, el 50 % del área de la

cuenca, está situado por encima de esa altitud y el 50 % está situado por debajo de ella. Altitud más frecuente, es el máximo valor en porcentaje del histograma de frecuencia de

altitudes (en la Figura 7 resulta un valor aprox. de 1100 a 1000 msnm). Altitud de frecuencia media, es la altitud media correspondiente a la media de la abscisa del

histograma de frecuencia de altitudes. Gráficamente la elevación media de la cuenca se obtiene, entrando con el 50 % del área en el eje X, trazando una perpendicular por este punto hasta interceptar a la curva hipsométrica, y por éste punto trazar una horizontal hasta cortar el eje Y.

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IX.

Índices Representativos

A. Factor de Forma Horton sugirió un factor adimensional de forma (RF), como Índice de la Forma de una cuenca Fue definido por Horton, como el cociente entre el ancho promedio de la cuenca y su longitud del cauce principal:

Pero el ancho promedio de la cuenca: Entonces:

Dónde: B = Ancho Promedio de la cuenca, (Km) A = Área de la cuenca, (Km2) Lc = Longitud de la cuenca, que se define como la distancia entre la salida y el punto más alejado, cercano a la cabecera del cauce principal, medida en línea recta. Siendo L la longitud de la cuenca, que se define como la distancia entre la salida y el punto más alejado, cercano a la cabecera del cauce principal, medida en línea recta. Este índice, o su recíproco, han sido ampliamente utilizados como indicadores de la configuración del hidrógrama unitario.

B. Índice de Compacidad De las consideraciones anteriores se desprende que la relación entre el área (A) y el perímetro (P), tiene notoria influencia en la respuesta hidrográfica de una cuenca. El índice más usualmente admitido para representar esta característica es el Coeficiente de Compacidad de Gravelius o simplemente Índice de Compacidad, que queda definido por la relación entre el perímetro de la cuenca y el perímetro de un círculo de igual área (Po): ……(a) ;

A = A0

Teniendo en cuenta que:

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√

; Y reemplazando en (a):

√

A igualdad de área, el círculo es la figura de menor perímetro; por lo tanto, en cualquier caso este coeficiente será mayor que la unidad y tanto más próximo al valor “1” cuanto la cuenca se aproxime más a la forma circular, y más alejado de él cuando la cuenca tenga una forma más irregular en relación con el círculo. Es decir: Si: Lc ≈ 1 cuenca regular Lc ≠ 1 cuenca irregular; (Lc grande, menos susceptible a inundaciones). Esta ecuación muestra que las cuencas no son similares en forma. A medida que el área aumenta, su relación A/L2 disminuye, lo cual indica una tendencia al alargamiento en cuencas grandes. La forma de la cuenca afecta los hidrogramas de caudales máximos, por lo que se han hecho numerosos esfuerzos para tratar de cuantificar este efecto por medio de un valor numérico.

Diferentes Hidrogramas para cada tipo de cuencas

C. Relación de Elongación (Re)

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA Definido por Schumm, es la relación entre el diámetro de un círculo (D) de área igual a la cuenca y la longitud de la cuenca (Lc).

Expresando el diámetro en función del área de la cuenca (A) queda: √

Si Re varía entre 0.60 y 1.00 cuenca con amplia variedad de climas y geologías. Además está fuertemente correlacionado con el relieve de la cuenca, de manera que valores cercanos a la unidad son típicos de regiones con relieve bajo, en cambio donde Re que varía de 0.60 a 0.80 está asociado a fuertes relieves y pendientes pronunciadas del terreno. Relieves y pendientes pronunciadas del terreno por que esta entre 0.6 y 0.8.

D. Relación de circularidad (Rci) Relación de circularidad, (Rci), denominado también como radio de circularidad, es el cociente entre el área de la cuenca (A) y la del círculo cuyo perímetro (P) es igual al de la cuenca:

Dónde: A=Área de la Cuenca en Km2; P=Perímetro de la cuenca en Km. Cuando Rci=1, la cuenca es circular y si Rci=0.785, la cuenca es cuadrada.

E. Rectángulo equivalente o rectángulo de Gravelius El rectángulo equivalente es una transformación geométrica, que permite representar a la cuenca, de su forma heterogénea, con la forma de un rectángulo, que tiene la misma área y perímetro (mismo índice de compacidad), igual distribución de alturas (igual curva hipsométrica), e igual distribución de terreno, en cuanto a sus condiciones de cobertura. En este rectángulo, las curvas de nivel se convierten en rectas paralelas al lado menor, siendo estos lados, la primera y última curva de nivel.

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

Mét odo rectángulo equivalente

Cálculo rectángulo equivalente

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

Cálculo de los lados l y L del rectángulo El rectángulo equivalente es lógicamente una transformación puramente geométrica de la cuenca en un rectángulo de igual perímetro, convirtiéndose las curvas de nivel en rectas paralelas al lado menor, siendo éstos la primera y la última curva de nivel. Si L y l, son respectivamente los lados mayor y menor del rectángulo equivalente a P y A, el perímetro y el tamaño de la cuenca, en Km y Km2, entonces se tiene por las definiciones precedentes que: Área: Perímetro:

A= Lxl P= 2( L + l)

…… (1) …… (2)

El índice de Gravelius (Índice de Compacidad) es: ………..(3)

√

Sustituyendo (1) y (2) en la ecuación 3 y despejando se obtienen √

[

√

(

) ] ………(4)

√

[

√

(

) ] ………(5)

Donde: L = Longitud del lado mayor del rectángulo l = longitud del lado menor del rectángulo Ic = Índice de Compacidad o de Gravelius A = Área de la cuenca P = Perímetro de la cuenca Con los resultados de las ecuaciones 2 y 2.13 se dibuja en rectángulo de base l y de altura L, después se hallan los cocientes ,

,

,

…

Y estas magnitudes se llevan en el lado mayor del rectángulo. En el caso de dos cuencas con rectángulos equivalentes similares, se admite que poseen un comportamiento hidrológico análogo siempre que posean igual clima y que el tipo y la distribución de sus suelos, de su vegetación y de su red de drenaje sean comparables (Martínez et al, 1996).

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

F. Pendiente de la cuenca La pendiente media de la cuenca tiene una importante pero compleja relación con la infiltración, el escurrimiento superficial, la humedad del suelo y la contribución del agua subterránea al flujo en los cauces. Es uno de los factores físicos que controlan el tiempo del flujo sobre el terreno y tiene influencia directa en la magnitud de las avenidas o crecidas. Existen diversos criterios para evaluar la pendiente media de una cuenca, entre las que se destacan son: criterio de Albord y criterio de Horton. a) Criterio de J.W. Alvord Analiza la pendiente existente entre curvas de nivel, trabajando con la faja definida por las líneas medias que pasan entre las curvas de nivel, Para una de ellas la pendiente es

Sc = pendiente promedio de la cuenca, adimensional. Ln = longitud total de las curvas de nivel dentro de la cuenca, en Km. A = área o tamaño de la cuenca, en Km2.

X.

Cauce y Drenaje

a) Pendiente del cauce principal (Sm) Se pueden definir varias pendientes del cauce principal, la pendiente media, la pendiente media ponderada y la pendiente equivalente. La pendiente media (Sm): relación entre la altura total del cauce principal (cota máxima, Hmax menos cota mínima, Hmin) y la longitud del mismo, L

La pendiente media ponderada (Smp): pendiente de la hipotenusa de un triángulo cuyo vértice se encuentra en el punto de salida de la cuenca y cuya área es igual a la comprendida por el perfil longitudinal del río hasta la cota mínima del cauce principal

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

Perfil longitudinal de un cauce y líneas a considerar para el cálculo de la pendiente media y de la pendiente media ponderada.

b) Componentes de la red de drenaje La red de drenaje de una cuenca está formada por el cauce principal y los cauces tributarios

Componentes de la red de drenaje

i.

Numero de Orden de un cauce

Es un número que refleja el grado de ramificación de la red de drenaje. Existen diversos criterios para el ordenamiento de los cauces de la red de drenaje en una cuenca hidrográfica; segun: El sistema de Strahler Para evitar la subjetividad de la designación en las nacientes determina que:  Todos los cauces serán tributarios, aún cuando las nacientes sean ríos principales.  El río en este sistema no mantiene el mismo orden en toda su extensión.  El orden de una cuenca hidrográfica está dado por el número de orden del cauce principal.

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

Diversos autores coinciden en afirmar que mientras mayor sea el grado de bifurcación del sistema de drenaje de una cuenca, más rápida será la respuesta de la cuenca frente a una tormenta, evacuando el agua en menos tiempo.

ii.

Densidad de drenaje (Dd)

Horton (1945) definió la densidad de drenaje de una cuenca como el cociente entre la longitud total (Lt) de los cauces pertenecientes a su red de drenaje y la superficie de la cuenca (A):

iii.

Coeficiente de torrencialidad

Este coeficiente se emplea para estudios de máximas crecidas; y se determina por la ecuación

Donde, N1 es el número de cursos de primer orden; y A es el área de la cuenca

iv.

Frecuencia de cauces (Fc)

Horton definió la frecuencia de cauces como la relación entre el número de cauces y su área correspondiente:

∑

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

EJERCICIO Hallar todos los parámetros y delimitar cuenta “El Sauce” contenida en la carta nacional 13-e

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

A.-

Parámetro de Forma Características Perímetro Área Lcm Ancho Promedio Factor deforma Coeficiente de Compacidad

Unidades Km Km² Km Km

Valor 66.077 167.371 28.140 5.948 0.211 1.441

Parámetros de Variación altitudinales

B.-

Rectángulo equivalente De cuenca el sauce L l

27.112 6.173

Altitud Menor

Altitud Mayor

Área entre Curvas

Alturas Parciales

800.000 1000.000 1200.000 1400.000 1600.000 1800.000 2000.000 2200.000 2400.000 2600.000 2800.000 3000.000 3200.000 3400.000 3600.000 3800.000 4000.000

1000.000 1200.000 1400.000 1600.000 1800.000 2000.000 2200.000 2400.000 2600.000 2800.000 3000.000 3200.000 3400.000 3600.000 3800.000 4000.000 4200.000

1.407 4.183 8.085 10.521 11.931 13.315 15.297 17.039 19.257 16.792 12.738 11.731 11.263 7.367 4.747 1.567 0.129

0.228 0.678 1.310 1.704 1.933 2.157 2.478 2.760 3.119 2.720 2.063 1.900 1.824 1.193 0.769 0.254 0.021

Km

30.000

27.112 km 25.000

20.000

15.000

10.000

5.000

0.000

6.173 km

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

Información de Curva Hipsométrica Rango de Altura

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000

Altura Promedio 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200

800 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 2700 2900 3100 3300 3500 3700 3900 4100

Área sobre Porcentaje acumulado Altitud 167.371 100.00% 165.964 99.16% 161.781 96.66% 153.696 91.83% 143.174 85.54% 131.244 78.41% 117.928 70.46% 102.631 61.32% 85.592 51.14% 66.335 39.63% 49.543 29.60% 36.805 21.99% 25.074 14.98% 13.811 8.25% 6.444 3.85% 1.697 1.01% 0.130 0.08% 0.001 0.00%

Curva Hipsométrica 4400

m.s.n.m

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 0.00%

10.00% 20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 70.00% 80.00% 90.00% 100.00% Series1

%

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HIDROLOGÍA Y CUENCA HIDROLÓGICA

Parámetros del Sistema de Drenaje Característica Longitud total de curso de agua N° Curvas de Primer Orden N° Total de cursos de agua Longitud de Cause Principal Área de la cuenca

Valor 98.540

km 19 36

28.140 167.371

km km

A.- Densidad de Drenaje

Dd=

0.589 km

B.-Extensión media de escurrimiento superficial

Es=

0.425 km

C.-Coeficiente de Torrencialidad

Ct=

0.114 rios/km²

D.-Frecuencia de los ríos

Fc=

0.215 rios/km²

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