HIDROLOGIA SUPERFICIAL

HIDROLOGIA SUPERFICIAL

1. LA CUENCA Y EL CICLO LLUVIA‐ESCORRENTÍA

   • CUENCA HIDROGRÁFICA
     • ELEMENTOS DE LA CUENCA
       • Ladera
       • Acuífero
       • Cauce
     • ALMACENAMIENTOS
       • En ladera:
       • En cauce:
     • FLUJOS EN LA LADERA
       • Precipitación (P)
       • Infiltración (F) y exfiltración
       • Evapotranspiración (ET)
       • Percolación (R)
       • Flujo subsuperficial (FS)
       • Escorrentía directa (ED)
     • FLUJOS EN EL ACUÍFERO
       • Flujo de base (FB)
       • Pérdidas subterráneas (S)
     • FLUJOS EN EL CAUCE
       • Propagación en cauces
       • Posibilidad de reinfiltración y pérdidas por transmisión
     • LA ECUACIÓN DE BALANCE
       • Plantear el principio de Conservación de Masa de agua en una parte del Ciclo Hidrológico
       • A largo plazo, las variaciones de S son despreciables frente a la acumulación de flujo:
     • BALANCE EN UNA CUENCA HIDROGEOLÓGICAMENTE CERRADA
       • Flujos de entrada
       • Flujos de salida:
       • Balance
       • Máximo recurso aprovechable

2. ANALISIS DE LA PRECIPITACION

   • CALCULO DE CUANTILES Y RIESGO
     • PROBABILIDAD ACUMULADA Y DE EXCEDENCIA
       • Probabilidad acumulada de una v.a.:
       • Probabilidad de excedencia de una v.a.
       • Percentil (en %) o cuantil (en ‰):
     • PERÍODO DE RETORNO
       • Sea X v.a. continua = Q máx anual en E.A. de un río.
       • Sea M v.a. discreta = intervalo de recurrencia entre años en que X>xa
       • Intervalo de recurrencia promedio
       • Es el valor esperado del período entre excedencias (en años)
       • No confundir con período exacto de recurrencia
       • Sólo si v.a. X es anual => FX(x) tiene dimensiones de año‐1
     • RIESGO
       • «Fallo» de una infraestructura hidráulica = situación en que su capacidad se ve superada (excedencia).
       • Si el caudal de diseño es XT => probabilidad de fallo un año cualquiera es p = 1/T (probabilidad de excedencia)
       • V.a. Z = nº fallos durante N años => Z ~ Binomial (N,p)
       • Riesgo durante un período de N años
   • VARIABLES EMPLEADAS
     • ALTURA DE PRECIPITACIÓN ACUMULADA
       • Volumen de precipitación acumulado hasta un instante dado
         • Unidades en el S.I.: mm.
       • Pluviograma: función que representa la altura de precipitación acumulada en el tiempo.
     • INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN
       • Derivada de la precipitación acumulada respecto del tiempo
         • i = dP/dT Unidades en el S.I.: mm/h.
       • Hietograma: función que representa la intensidad de precipitación en el tiempo.
         • En realidad la derivada se discretiza:i=ΔP/Δt
     • PRECIPITACIÓN DIARIA
       • Se registra con un pluviómetro
         • Lectura a las 08:00 horas.
       • P diaria no es = P en 24 horas
         • Sólo si tormenta de duración 24 h coincide con la lectura.
       • Variable muy utilizada por
         • Densidad red pluviométrica
         • Factor en curva IDF Témez (P diaria máxima anual)
   • DISTRIBUCION TEMPORAL
     • CURVAS IDF: DEFINICIÓN
       • Se deducen por tratamiento estadístico de la v.a. intensidad media en un intervalo de tiempo t máxima anual.
       • Relacionan la intensidad media máxima anual (I) con su duración (D) y su probabilidad de no excedencia (F), en una zona.
     • CURVAS IDF: TIPOLOGÍAS
       • Genérica a nivel mundial: función potencial de 3 parámetros
       • De aplicación regional: Témez (estándar en España)
         • iT(d): i media diaria de retorno T
           • Factor de zona y de frecuencia
         • α: factor de torrencialidad
           • Factor de zona.
       • Específicas: Valencia (IIAMA)
     • HIETOGRAMAS DE DISEÑO: DEFINICIÓN
       • Forma temporal sintética (resumida y artificial) de las tormentas de una zona para un determinado T.
       • Habitualmente se emplean las curvas IDF para:
         • Asignación de T.
         • Reproducción del patrón de distribución temporal de la precipitación
       • Utilidad:
         • Diseño hidrológico
         • Problema en la asignación de T a tormentas registradas
     • HIETOGRAMAS DE DISEÑO: PARÁMETROS DESCRIPTORES
       • Período de retorno T: impuesto
       • Duración td : criterio de diseño
       • Altura de precipitación P(td): definida por IDF
       • Forma temporal (criterio de diseño)
         • Varios estándares:
     • HIETOGRAMA RECTANGULAR
       • Intensidad constante en toda su duración
       • Según IDF
         • Intensidad media de la tormenta
           • i=it(d)
         • Altura de precipitación de la tormenta
           • P=it(td).td
       • Por tanto
         • P=it(td).td=i.td ;i=it(td)
     • HIETOGRAMA TRIANGULAR
       • Definido por intensidad pico y tiempo al pico
       • Según IDF
         • Intensidad media de la tormenta
           • i=it(td)
         • Altura de precipitación de la tormenta
           • P=it(td).td
       • Por tanto
         • Intensidad pico
           • ip=2.it(td)
       • El triángulo se discretiza en bloques de duración Δt
       • Para un T, pico depende de la duración (td) y la discretización (Δt)
     • HIETOGRAMA POR BLOQUES ALTERNOS
       • Definido por n bloques de intensidad bk y duración Δt tal que n∙Δt=td
       • Para cualquier intervalo de tiempo máximo intenso, la intensidad media cumple la curva IDF => si Δt es constante, la intensidad de bloque
       • Secuencia temporal de bloques predefinida
       • Para un T, pico depende sólo de Δt
   • DISTRIBUCION ESPACIAL
     • INTERPOLACIÓN ESPACIAL
       • Problema: variable espacial observada en unos pocos puntos (estaciones pluviométricas)
       • Necesidad de conocer su valor en
         • Otros puntos donde no se mide
         • Promediación areal a nivel de subcuenca
     • MÉTODOS BASADOS EN LA DISTANCIA
       • Thiessen
       • Inverso de distancia
       • No tienen en cuenta influencia de: altitud, orografía, etc.
     • REDUCCIÓN AREAL
       • Problema: extrapolar cuantil de precipitación puntual a un área (cuenca).
       • No es probable que llueva con igual T en toda la cuenca durante la misma tormenta => precipitación areal tiene que se menor que puntual
       • Propuestas semiempíricas para Ka en función de
         • Superficie de la cuenca
         • Tipo de tormenta y/o duración de tormenta

3. PRODUCCIÓN DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

   • Introducción.
     • COMPONENTES DEL HIDROGRAMA OBSERVADO
       • Escorrentía superficial
         • Escorrentía directa (superficie).
         • Interflujo (suelo).
       • Flujo de base (FB):
     • ESCORRENTÍA EN LA CUENCA EN TIEMPO SECO
     • ESCORRENTÍA EN LA CUENCA CON TORMENTA
     • SITUACIÓN DE CRECIDA
       • Formación de escorrentía superficial => crecida en el río.
       • No todas las tormentas generan E.
       • Lluvia neta = parte de P que genera E.
     • DETERMINACIÓN DE LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL
   • Abstracciones hidrológicas iniciales.
     • CARACTERÍSTICAS
       • Intercepción en cubierta vegetal:
       • Almacenamiento de depresión:
     • MODELOS DE ABSTRACCIONES INICIALES
       • Error habitual: medirlo como % de lluvia.
       • Tanque de 1er llenado:
       • Horton:
   • Infiltración.
     • ASPECTOS GENERALES
       • Flujo de agua que atraviesa la superficie del terreno.
       • Infiltración realmente producida:
       • Capacidad de infiltración,
     • EVOLUCIÓN DE LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
       • Disminuye con el tiempo desde el inicio de la tormenta:
     • FACTORES INCIDENTES EN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
   • Mecanismos de producción.
     • A LA ESCALA DEL PUNTO
     • A LA ESCALA DE LA CUENCA
       • En laderas, mecanismos de producción son híbridos de dos teóricos:
   • Modelos de producción: Horton, SCS.
     • COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA
     • FUNCIÓN DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
     • ECUACIÓN DE HORTON (1940)
     • RELACIONES PRECIPITACIÓN‐ESCORRENTÍA
     • MODELO DEL USDA‐SOIL CONSERVATION SERVICE (1972)
     • MODELO DEL USDA‐SOIL CONSERVATION SERVICE (1972)
     • MODELO DEL USDA‐SOIL CONSERVATION SERVICE (1972)
     • MODELO DEL USDA‐SOIL CONSERVATION SERVICE (1972)
     • MODELO DEL USDA‐SOIL CONSERVATION SERVICE (1972)
     • MODELO DEL USDA‐SOIL CONSERVATION SERVICE (1972)
     • MODELO DEL USDA‐SOIL CONSERVATION SERVICE (1972)
     • TIEMPO DE ENCHARCAMIENTO

4. PROPAGACIÓN DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

   • Introducción
     • FASES DE LA CRECIDA
       • PRECIPITACIÓN
         • Abstracciones iniciales
         • Infiltración
         • C.C. del suelo
     • HIDROGRAMA DE CRECIDA
       • Crecidas son episodios de escorrentía superficial
         • Río perenne
         • Río efímero
     • HIDOGRAMA DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL
       • Componente superficial del hidrograma de crecida
         • En cada instante de tiempo desde inicio a final de E
     • BALANCE Y DESFASE EN LA CUENCA
       • Sin considerar interacción espacial de procesos, los volúmenes son iguales
       • Sin embargo, las formas son muy distintas, especialmente debido a que los caudales presentan un retraso
     • TIEMPOS CARACTERÍSTICOS DEL DESFASE
       • Tiempo de concentración (tc)
       • Tiempo de desfase de la punta (tdp)
       • Tiempo al pico (tp)
       • Tiempo de base (tb)
     • FASES DE LA PROPAGACIÓN
       • Fase de laderas.
         • Movimiento superficial sin cauce definido (ED)
         • Movimiento subsuperficial por macroporos (FS).
       • Fase fluvial.
         • En lámina libre por la red fluvial.
         • Escorrentía Superficial + Flujo Base.
         • Incluye propagación a través de endorreísmos y embalses.
     • EFECTOS DE LA PROPAGACIÓN
       • Movimiento del agua
         • Traslación del hidrograma
       • Almacenamiento
         • Traslación y atenuación del hidrograma
       • Importancia con ∆t pequeño:
         • Crecidas siempre
         • Recursos a escala diaria y en cuencas medias y grandes
   • Propagación agregada: teoría de HU
     • Modelos hidráulicos de propagación
       • Hidráulicos: ecuaciones de Saint‐Venant y sus simplificaciones
         •  Flujo en lámina libre.  Parámetros físicos.
           • Propagación en laderas y cauces
       • Hidrológicos: conceptualizaciones simplificadas de la realidad
         • Parámetros no físicos
           • Propagación en laderas, cauces, embalses y acuíferos
       • Hidrograma unitario: teoría de sistemas lineales
         • Engloba ladera y cauce.  No considera flujo de base => se suma en el desagüe
           • Propagación agregada
     • TIEMPO DE VIAJE AL DESAGÜE
       • Caracterización de la propagación a través del tiempo de viaje al desagüe
       • Tiempo de viaje al desagüe función de
         • Velocidad de propagación varía en el espacio en función de
         • Velocidad del flujo
       • Velocidad de propagación varía en el espacio en función de
         •  Pendiente del terreno.
         • Acumulación de flujo
         • Otros factores
     • MAPA DE ISOCRONAS
       • Isocrona: puntos de la cuenca con igual tiempo de viaje al desagüe
       • El mapa de isocronas es una discretización del mapa de tiempos de viaje en intervalos de tiempo
     • ÁREA CONTRIBUYENTE
       • Área productora de la cuenca que está drenando por el desagüe en un momento dado
       • Si producción de escorrentía es homogénea, acumulando las áreas del mapa de isocronas se obtiene el área contribuyente
     • HIDROGRAMA CON LLUVIA UNIFORME
       • Supongamos una lluvia neta uniforme en el espacio y el tiempoSupongamos una lluvia neta uniforme en el espacio y el tiempo
       • Multiplicando las áreas por la intensidad de lluvia neta se obtiene caudal en el desagüe de la cuenca
       • Si duración tormenta ≥ tc: área contribuyente es máxima y Qpico = Acuenca∙e
     • HIDROGRAMA EN S
       • Respuesta de la cuenca a una lluvia neta uniforme en el espacio, de intensidad cte. 1 mm/h y duración infinita
       • Características
         • Q máximo se alcanza en el tc y es = 1 mm x superficie cuenca
         •  Rebasado el tc Q se mantiene cte. (equilibrio)
     • HIDROGRAMA UNITARIO
     • OBTENCIÓN DEL HU A PARTIR DEL H EN S
     • CONVOLUCIÓN DEL HU
     • METODOLOGÍAS
       • Por deconvolución a partir de eventos registrados
       • A partir del mapa de isocronas en la cuenca
       • HU sintéticos: asumen una forma predeterminada
     • HU POR ISOCRONAS
     • HU DE CLARK
     • HU DE CLARK
       • Velocidad de propagación del HU por isocornas (o tc).
       • Coeficiente de descarga del embalse lineal
     • HU DEL SOIL CONSERVATION SERVICE
       • Forma adimensional con
         • Tiempo al pico
         •  Caudal pico
       • HU más habitual cuando no es posible calibrar, estimando sólo tdp

5. METODO RACIONAL

   • MÉTODO RACIONAL CLÁSICO
     • C.Coeficientedeescorrentía
     • Q. Caudalenm3/s
     • A= áreadelacuencaenHas(1°formula)oKm2(2°y3°formula)
     • I=intensidadmáximadelalluvia
   • DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA (C)
     • El coeficiente de escorrentíaes la relación entre elvolumen de escorrentíasuperficial y el deprecipitación total sobre unaárea (cuenca) determinada
     • El valor de C depende defactores topográficos,edafológicos, coberturavegetal, etc
   • DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE CONCENTRACIÓN (TC)
   • DETERMINACIÓN DE LA INTENSIDAD MAXIMA (I)
   • MÉTODO RACIONAL MODIFICADO

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