HI ROLOGI
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HIDROL HID ROLOGI OGI
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V T tuow Late Profes fesso sorr of Hydro rosy sysstem emss Eng ngiine neeeri rin ng Univ Univers ersity ity of Il Illi linoi noiss Urban Urbana a Cham Champai paign gn DAVI DAVID D R. MA MAID IDME MENT NT As Asso soci ciat atee Pr Prof ofes esso sorr of Civi Civill Engi Engine neer erin ing g The Uni nive verrsi sity ty of Texa Texass at Au Ausstin tin LARRY W. MAYS Pr Prof ofes esso sorr of Ci Civi vill En Engi gine neer erin ing g The Uni nive verrsi sity ty of Texa Texass at Au Ausstin tin
raducci6n JU JUAN AN G. SA SALD LDAR ARRI RIAG AGA A Ing Ingeni eniero ero civil civil M.Sc M.Sc.. en In Inge geni nier eria ia hi hidr drdu duli lica ca Pr Prof ofes eso or de la Univ iver erssid idad ad de lo loss An And des
Revisi6n Revisi 6n tec tecnic nicaa GERMAN R. SANTOS G. M. M.Sc Sc.. Ph Ph..D. Escu Es cuel ela a Co Colo lomb mbia iana na de In Inge geni nier eria ia
Pro Prohib hibida ida la rep reprod roduc ucci6 ci6n n total total parci ciaal de es esta ta obr braa, po porr cu cual alqu quie ierr me medi dio o, sin au auto tori riza zaci ci6n 6n es escr crit itaa de dell ed edit itor or.. DERECHOS DERECH OS RES RESERV ERVAD ADOS. OS. Co Copyr pyrigh ightt C 1994 1994,, por McGR Mc GRAWAW-HI HILL LL INT INTERA ERAME MERIC RICAN ANA, A, S.A S.A.. Traans Tr nsve vers rsal al 42 42B B No No.. 19 19-7 -77. 7. Sa Sant ntaf afee de Bo Bogo gotta, Colombia. Traducido de la primera edici6n en Ingle Traduci less de Appliied Hy Appl Hydro drolog logy y Copyright C MCML MCMLX XXXVIII VIII,, po porr Mc McGR GRA AW-HILL W-HILL,, Inc Inc.. ISBN:: 0-07 ISBN 07--010810-2 Editora: Edito ra: Mar Marth thaa Edn Ednaa Su Suar areez R. 234567890
McGRAW-HILL Santafe de Bogot Santafe Bogota a Bueno Buenos s ires Carac Caracas as Guatemala Guatemala Lisboa Madr Madrid id Mexico Mexico Nue Nueva va Yor York k Pana Panama ma San Jua Juan n San Santia tiago go Sao Pau Paulo lo
Auckl Au cklan and, d, Ham Hambu burgo rgo,, Lon Londre dress, Mi Millan an,, Mo Mont ntre real al,, Nu Nuev evaa De Delh lhi, i, Pa Pari ris, s, San Fra Franci ncisc sco o, Sa San n Lu Luis is,, Sidney Sidney,, Si Sing ngap apur ur,, To Toki kio, o, To Toro ront nto o.
ISBN:: 958 ISBN 958-600 -600-l71 -l71-7 -7 Se i mp mp riri mi mi er er on on 1 ej emp ej empll ar ar es es e n e l me mes s d e En Ene e ro ro d el el 2 I mp mp re re so so e n Co Coll omb ombii a p ar ar: ED EDII TOR TORIIAL NO NOMO MOS S S A Prin Pr inte ted d in Col Colom ombia bia
9012356784
VIII
gua subsuperficial
4
Prefacio
Introduccion 1. 1 1. 2
El cic ciclo lo hid hidrol rol6gi 6gicco Conceept Conc pto o de si sisste temas mas 3 Mode hidrrolo olog gic ico o odello del si sisste tem ma hid 1 . 4 Clas lasiifi ficcac acii6n de modelo loss hidr dro olo logic gico osv 1 . 5 El desarrollo de la hidrologia 2
2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2.
1 2 3 4 5 6 7 8
3. 3. 3. 3. 3. )3 .
1 2 3 4 5 6
101
4. 2 4. 3 4. 4
Infi nfilltrac acii6n Meto Met odo de Gre Green en Ampt Ampt Tiemp iempo o de ench encharca arcamien miento to
110 112 120
2 5 8 9 13
6. 6. 6. 6. 6. 6.
2
7
Teorema detra etran nsporte de Re Rey ynolds Ecu Ec uac aciion ones es decon deconttinu inuida idad d Conti Co ntinui nuid dad en tie tiem mpo discreto Ecuacio uacion nes de o ntu Flujo Fluj o en can canaales abi biertos ertos Flujo Flu jo en me med dios por porosos osos Balance de energfa Procesoss de tr Proceso traansporte
20 24 26 30 34 39 41 42
7. 7. 7. 7. 7. 7. 7. 7.
Circu ircullac acii6n atrn atrno osf sfeeric ricaa Vapo aporr de ag agua ua Precipitaci6n Lluvia Evaporacci6 Evapora i6n n Evapotranspiraci6n
gua gua su super perficia ficiall 1 2 3 4 5 6 7 8
6
Proceso ocesoss hid idrrol gicos gicos
atmosfeerica gua atmosf
3
VII
Fuente ntess de flujo supe superfic rficiial Hidrogra idrogram ma de ca caud udaal Exceso de prec recip ipitaci6 itaci6n n y esco escorren rrenttfa di direc rectta Abstr traacc cciiones ut util iliizand ando o ecua ecuacio cion nes de infiltraci6n Meto Me todo do SC SCS S pa para ra abstr tracciones acciones Profu Prof undid idad ad de f1u f1ujjoy vel elo ocida idad d Tiemp empo o de transito Redes derfos
Med edicion iciones es hid idrrol gicas gicas 1 2 3 4 5 6
Secu cuenc encia ia de la me medic dici6n i6n hidrol drol6g 6giica Medic dici6n i6n de dell agu guaa atmo atmossferi rica ca Medici6 ici6n n de dell ag agu ua sup uperf erfiicial Medicii6n de Medic dell agua subsuperfic subsuperficiial Sisstema Si temass de med medic icii6n hid idrrol6 ol6g gic icaa Med Me dici6 ici6n n de cara caracter cterfstic fsticas as fisiografi ograficcas
Hid idrrogr ogram ama a 1 2 3 4 5 6 7 8
54
54 57 65 73 82 93
1 1
Flu lujo jo no sa sattur uraado
5. 5. 5. 5. 5. 5. 5. 5.
XI
O
4. 1
5
CONTENIDO
ONT ON TENI
unit itar ario
Modelo de sist Modelo sistema ema hidr hidrol6g ol6gic ico o ge gene nera rall Funcione Func ioness resp respuest uestaa en siste sistema mass li lin neal ales es EI hidr hidrogr ograma ama unit unitario ario Deduccci6 Dedu ci6n n de dell hid hidrog rogrrama un uniitario Apl plicaci icaci6n 6n de dell hi hidr dro ogra gram ma uni unitario tario Callcul Ca ulo o ma mattricia riciall del hidrogra idrogram ma un unitar itariio Hidrogra Hi drogram ma un uniitar ariio sintetico Hidro Hi drog gramas un unitario itarioss par araa dif difeeren enttes duracio uracion nes de llu lluvia via
Transito agr grega egad do de cr creci ecien enttes 8. 8. 8. 8. 8.
1 2 3 4 5
Transite de sis Tra sistem temas as ag agreg regado adoss Transite Tran site de emba embalses lses nive nivelado ladoss Metod etodo o de Rung Rungee Kutta Kutta Transsite hid Tran hidro rol6g l6gico ico en rio rioss Modelo de em emba balse lse lin lineeal
13
130 135 138 143 150 159 167 171 18
181 185 189 196 198 204 2 7
208 210 220 223 225 228 231 237 249
249 252 259 264 268
CONTE CONT ENTDO NTDO
IX
CONTEN ENTDO TDO
28
Transite distrib ibuid uido o de cr crecient ecientes es
4
Tormentas de disefio
455
91
Ecu Ec uacio acion nes de Saint Ve Vena nan nt
282
14 I
Profu rofun ndid idaad de preci precip pitaci6n
de disefio
455
9 2 9 3 94 9 5 9 6 9 7
Clas asif ific icac aci6 i6n n de los modelos de tra transi nsite te dis istr triibuido Movimiento de ondas Solu So luci ci6n 6n an anal alft ftiica para la on onda da ci cine nema mati tica ca Apro Ap roxi xima maci cion ones es po porr di dife fere ren nci cias as fi fin nit itas as Solu Sol uci6n numerica de la onda cin cinern ernati atica ca
290 291 29 1 297 29 7 300 30 0 304 312
14 2 14 14 3 14 14 4 14 5
Relacio elacion nes inte ten nsidad sidad duraci6n duraci6n frec frecu uencia Hietogramas de disefio utiliz izan and do an analis alisis is de eve ven nto toss de tor orm men enta ta Hie togr gram amas as de pre reci cip pit itac acii6n de di dise sefi fio o uti tili liza zan ndo las re rellac acio ione ness ID IDF F Torm To rmen enta tass lf lfrn rnit ites es es esti timadas madas
465 471 477 483
14 6
Calculo de precipitaci6n maxi axim ma probable
487
Transl slto to
10 1 10 2 10 10 3 10 10 4 10 5 10 6 10 10 7
II 1 11 2 11 3 11 4 11 5
2 12 1 12 2 12 12 3 12 12 4 12 5 12 12 6 12
13 1 13 2 13 3 13 13 4 13 5
Metodo de Muskingum Cu Cunge
de ond onda a
dina nami mica ca
Relac Rel acio ione ness di dina nami mica cass de pr prof ofun undi dida dad d caudal Modello implfcito de onda dinamica Mode Ecu Ec uaciones de de diferencias fi finitas Solu Sol uci6n por diferencias finitas Modelo DWO WOP PER Tra rans nsit itee de cr crec eciientes en rfos con mea mean ndros Transite de crecientes causa sada dass por rompimient entos os
Estadis Estadi stica
32
de presas
hidrologica
Tratamiento probabilfs ilfsttico de la la infor orma maci ci6n 6n hi hidr drol ol6 6gic icaa Funciones de fr frec ecu uenci ciaa de prob probabili abilidad dad Para aram met etrros estadfstic fstico os Aju Aj uste a una dis distri trib buc uci6 i6n n de pr prob obab abil ilid idad ad Dis istribucione tribucioness de pr prob obaabi bili lida dad d pa para ra la lass va vari riab able less hi hidr drol ol6g 6gic icas as
Analisis de fr frecuen ecuencia cia Period Per iodo o de retorno Disstribu Di tribucciones de valore valoress extremos Anallisisde fr Ana freecu cuen enccia ut util iliz izan ando do fa fact ctor ores es de fr frec ecue uenc nciia Grafiicas de probabilid Graf lidaad Metod Meto do de dell Water Reso esou urces Counc ncil il Analis isis is de co conf nfia iabi billidad
Dissefiohidrologico Di Escala del disefio hidrologico Selecci6n del nivel de disefio Analisis de incertidumbre de primer or o rden Anal An alis isis is de ri ries esgo go co comp mpue uest sto o Analisis del ri ries esgo go de ma marg rgen enes es de se segu guri rida dad d factores de se seguridad
321 324 326 331 335 336 340
36 361 365 36 5 370 37 0 374 37 4 382
39 391 396 400 40 0 406 410 417
427 427 431 438 444 448
5
Crecientes de disefio
15 1
Disefio de alcantarillado
15 2 15 15 3 15 4 15 4
Simulac aci6 i6n n de cre reci cien ente tess de dis isef efio io Analisis de planic anicie iess de inundac nundacii6n Dissefio de embalses para el con Di conttro roll de crecient entes es
de aguas lIu Iuv vias
15 5 15 6
Pro ron n6stico de crecient ecientes es Disefio para uso de agua
5 6 507 519 531 535 542 545
ndice ndic e dea eau utores
573
ndice
577
de ma mater terias ias
REFACIO
XIII
te tenc ncia ia qu quee no noss fue dada por los revisore visoress de dell ma manu nusscr crit ito o in incJ cJuy uyen endo do a Go Gonz nzal alo o Co Corrtes Rivera Rive ra de Bo Bogo gotta Colombia Colombia Douglass Jame Dougla Jamess de la Un Univ iver ersi sid dad estat tataal de Utah Jerome C. Westphal Westphal de la Univer Universsidad de Miss ssour ourii en Ro Roll llaa Ben Chie Yen de la Uniivers Un rsid idad ad de Il Illi lino nois is en Ur Urba bana na Ch Chaampai mpaig gn y a nu nues estr tro os colegas y estudiantes en la Univ Un iver ersi sida dad d de Te Tex xas en Austin. Un Ii Iib bro es una comparn rnaa a la larg rgo o de la ru ruta ta de dell ap apre rend ndiz izaj ajee. Le Less de dese seam amos os un buen bu en vi viaj aje. e.
INTR IN TRO O U
ION
avid R Ma Maid idme ment nt Larr La rryy W May Mayss
Austin Texas dici di ciem embr bree de 19 1987 87
El agua es la sustancia mas abundante en la Tierra es es el principal constituyente de todo to doss lo loss se sere ress viv ivo os y es un unaa fue uerz rzaa impo porrta tan nte que con onssta tan nte tem mente esta cambia ian ndo la superficie terrestre. Tambien es un factor clave en la climatizacion de nuestro plaaneta para la existencia humana y en la influencia en el progreso de la civilizapl cion. La hidro rolo log gfa que cubre to tod das la lass fa fasses de dell agu guaa en la Ti Tieerr rraa es una mate teri riaa de gra ran n im imp port rtaancia para el ser hu huma mano no y su ambi bien ente te.. Apl plic icaacio ion nes pra raccti ticcas de la hidrologia se encuentran en labores tales como disefio op oper erac acio ion n de es estr truc uctu tura rass hidr hi drau auli lica cass aba abast stec ecim imie ient nto o de ag agua ua tr trat atam amie ient nto o y di disp spos osic icio ion n de ag agua uass re resi sidu duaales irrig les irrigacio acion n dren drenaje aje generaci generacion on hidr hidroele oelectric ctricaa con contro troll de inu inunda ndacio cione ness nav naveegaci cio on ero erossio ion n y co con ntr tro ol de sed edim imeento toss co con ntr trol ol de sa sali lin nid idaad dis ism min inuc ucio ion n de la cont co ntam amin inac acio ion n uso re recr crea eaci cion onal al de dell ag agua ua y pr prot otec ecci cion on de la vi vida da te terr rres estr tree y ac acua uati tica ca.. El papel de la hid idrrol olog ogffa apli liccada es ay ayu udar a anali lizzar lo loss pro rob ble lem mas rel elac acio ion nados co con n estas labores y proveer una guia para el planeamiento y el manejo de los recurs os hidraulicoss. hidraulico Las cie ien ncia iass hfd fdrric icaas est staan re rela laccio ion nad adaas co con n la lass aguas de la Ti Tieerr rraa: su dis distri tribubucion circulacion sus sus prop opie ied dades ff ffssic icaas y qui uim mic icaas su in inte terraccion con el ambiente y con los seres vivos y en particular con los seres humanos. Puede consi sid dera rars rsee que la hid idro rolo log gia abar arca ca to tod das la lass cie ienc ncia iass hid idrric icaas. En una fo form rmaa mas estric est ricta ta pu pued edee def efinir inirse se como el estudio del ciclo hidrol6gico es es decir decir la circulacio ion n in inin inte terrru rum mpid idaa de dell agu guaa entr tree la Ti Tieerr rraa la atm tmo osf sfer eraa. El conocim imie ient nto o hid idro ro-lcgico se aplica al uso y control de los recursos hidraulico licoss en los continentes del planet plan eta; a; la lass agua aguass oc ocea eani nicc as so son n de dell do domi mini nio o de la in inge geni nier eria ia oc ocea eani nica ca y de la lass ci cien enci cias as marinas. Loss ca Lo camb mbiios en la dis istribucion tribucion la circ rcul ulaaci6n la tempe mperratur aturaa de las aguas en la Tierra pueden tener efectos de largo alcance; las gla glacia ciacio cione ness par par eje ejemp mplo lo fueron una rn rnaanif ifeestacion de tales efectos. Las activid vidaades hum humaanas pueden causar algunos ca cam mbio ioss. Los se sere ress humanos ar aran an el suel elo o irr rriiga gan n cu cult ltiv ivos os fertil fertiliz izan an ti tier erra rass defor de forest estan an bos bosqu ques es bombea bombean n ag agua uass sub subter terran ranea eass co const nstruy ruyen en pre presas sas arrojan arrojan de desec secho hoss en s y la lag gos y hacen muchas otras cosas constructivas destructiva destructivass qu quee af afec ec-tan la circulacion y la calidad del agua en la naturaleza.
