cuenca hidrográfica

ING. JUAN CABRERA

HIDROLOGA GENERAL

CUENCA HIDROLGICA

Conocimientos previos

Hidrologa

Ciclo Hidrolgico

Balance hidrolgico

Sistema hidrolgico

1.Definicin de Cuenca Hidrogrfica Es el rea de terreno donde todas las aguas cadas por precipitacin, se unen

para formar un solo curso de agua Unidad natural definida por la existencia de la divisoria de las aguas en un

territorio dado Las cuencas hidrogrficas son unidades morfolgicas superficiales

Divisoria geogrfica principal= Parteaguas Divisorias geogrficas secundarias= Forman las subcuencas

2.Definicin de Cuenca Hidrolgica La definicin de cuenca hidrolgica es ms integral que la de cuenca

hidrogrfica

Las cuencas hidrolgicas son unidades morfolgicas integrales y adems de incluir todo el concepto de cuenca hidrogrfica, abarcan en su contenido, toda la estructura hidrogeolgica subterrnea del acufero como un todo.

3.Clasificacin a) Por su tamao geogrfico: Las cuencas hidrogrficas pueden ser:

Grandes, Medianas o Pequeas.

b) Por su Ecosistema: Segn el medio o el ecosistema en la que se

encuentran, establecen una condicin natural, as tenemos: Cuencas ridas, Cuencas tropicales, Cuencas hmedas y Cuencas fras.

3.Clasificacin c) Por su Objetivo: Por su vocacin, capacidad natural de sus

recursos, objetivos y caractersticas, las cuencas pueden denominarse:

hidroenergticas,

para agua poblacional,

agua para riego,

agua para navegacin,

ganaderas y

de uso mltiple.

d) Por su Relieve: considerando el relieve y accidentes del terreno, las cuencas pueden denominarse:

Cuencas planas,

Cuencas de alta montaa,

cuencas accidentadas o quebradas.

3. Clasificacin

e) Por la direccin de la evacuacin de las aguas, se podra clasificar en:

Exorreicas: avenan sus aguas al mar o al ocano. Un ejemplo es la del Rimac, en Sudamrica.

Endorreicas: desembocan en lagos o lagunas, siempre dentro del continente. Por ejemplo, la cuenca del ro Ilave.

Arreicas: las aguas se evaporan o se filtran en el terreno.

3. Clasificacin

4. Funciones de la cuenca Los procesos de los ecosistemas que describen el intercambio de

materia y flujo de energa a travs de la vinculacin de los elementos estructurales del ecosistema pueden ser vistos como un sistema: Dentro de la cuenca, se tienen los componentes hidrolgicos, ecolgicos, ambientales y socioeconmicos, cuyas funciones a continuacin se describen:

Funcin Ambiental

Constituyen sumideros de CO2.

Alberga bancos de germoplasma.

Regula la recarga hdrica y los ciclos biogeoqumicos.

Conserva la biodiversidad.

Mantiene la integridad y la diversidad de los suelos.

4. Funciones de la cuenca Funcin Ecolgica

Provee diversidad de sitios y rutas a lo largo de la cual se llevan a

cabo interacciones entre las caractersticas de calidad fsica y qumica del agua.

Provee de hbitat para la flora y fauna que constituyen los elementos biolgicos del ecosistema y tienen interacciones entre las caractersticas fsicas y biolgicas del agua.

Funcin Hidrolgica Captacin de agua de las diferentes fuentes de precipitacin para

formar el escurrimiento de manantiales, ros y arroyos. Almacenamiento del agua en sus diferentes formas y tiempos de

duracin. Descarga del agua como escurrimiento.

4. Funciones de la cuenca

Funcin Socioeconmica Suministra recursos naturales para el desarrollo de actividades

productivas que dan sustento a la poblacin. Provee de un espacio para el desarrollo social y cultural de la

sociedad.

5. Divisin de la cuenca como unidad de gestin Subcuenca: es toda rea que

desarrolla su drenaje directamente al curso principal de la cuenca. Varias subcuencas pueden

conformar una cuenca.

Microcuenca: es toda rea que desarrolla su drenaje directamente a la corriente principal de una subcuenca. Varias microcuencas pueden

conformar una subcuenca.

Quebradas: es toda rea que desarrolla su drenaje directamente a la corriente principal de una microcuenca. Varias quebradas pueden conformar

una microcuenca.

6. La cuenca como sistema

a) En la cuenca hidrogrfica existen entradas y salidas, por ejemplo, el ciclo hidrolgico permite cuantificar que a la cuenca ingresa una cantidad de agua, por medio de la precipitacin y otras formas; y luego existe una cantidad que sale de la cuenca, por medio de su ro principal en las desembocaduras o por el uso que adquiera el agua. b) En la cuenca hidrogrfica se producen interacciones entre sus elementos, por ejemplo, si se deforesta irracionalmente en la parte alta, es posible que en pocas lluviosas se produzcan inundaciones en las partes bajas. c) En la cuenca hidrogrfica existen interrelaciones, por ejemplo, la degradacin de un recurso como el agua, est en relacin con la falta de educacin ambiental, con la falta de aplicacin de leyes, con las tecnologas inapropiadas, etc..

6. La cuenca como sistema El sistema de la cuenca hidrogrfica, a su vez est integrado por los subsistemas siguientes: a) Biolgico, que integran esencialmente la flora y la fauna, y

los elementos cultivados por el hombre.

b) Fsico, integrado por el suelo, subsuelo, geologa, recursos hdricos y clima (temperatura, radiacin, evaporacin entre otros). c) Econmico, integrado por todas las actividades productivas que realiza el hombre, en agricultura, recursos naturales, ganadera, industria, servicios (caminos, carreteras, energa, asentamientos y ciudades). d) Social, integrado por los elementos demogrficos, institucionales, tenencia de la tierra, salud, educacin, vivienda, culturales, organizacionales, polticos, y legal.

7. Partes de una cuenca

Criterio 1 Altitud: Si el criterio utilizado es la altura, se podran distinguir las siguientes partes:

Parte alta, Parte media y Parte baja,

En funcin de los rangos de altura que tenga la cuenca. Si la diferencia de altura es significativa y vara de 0 a 2,500 msnm, es factible diferenciar las tres partes, si esta diferencia es menor, por ejemplo de 0 a 1000 msnm, posiblemente slo se distingan dos partes, y si la cuenca es casi plana ser menos probable establecer partes. Generalmente este criterio de la altura, se relaciona con el clima y puede ser una forma de establecer las partes de una cuenca.

Parte alta; Predomina el fenmeno de la socavacin. Es decir que hay aportacin de material terreo hacia las partes bajas de la cuenca, visiblemente se ven trazas de erosin Parte media; Hay medianamente un equilibrio entre el material slido que llega trado por la corriente y el material que sale. Visiblemente no hay erosin. Parte baja; Es la parte de la cuenca hidrogrfica en la cual el material extrado de la parte alta se deposita.

Criterio 2 Topografa: Otro criterio muy similar al anterior es la relacin con el relieve y la forma del terreno, estableciendo lo siguiente:

Las partes accidentadas forman las montaas y laderas, Las partes onduladas y planas, forman los valles; y Finalmente otra parte es la zona por donde discurre el ro principal y sus afluentes, a esta se le denomina cauce.


Criterio 3 Drenaje superficial: La cuenca hidrogrfica puede dividirse en espacios definidos por la relacin entre el drenaje superficial y la importancia que tiene con el curso principal.

El trazo de la red hdrica es fundamental para delimitar los espacios en que se puede dividir la cuenca. A un curso principal llega un afluente secundario, este comprende una subcuenca.

Luego al curso principal de una subcuenca, llega un afluente terciario, este comprende una microcuenca, adems estn las quebradas que son cauces menores.


8. Delimitacin de cuencas

Las cuencas pueden ser delimitadas de varias formas:

Manual: Siguiendo simples reglas de trazado

Capitulo 2 Delimitacin de cuencas

8. Delimitacin de cuencas

Computarizada o automtica

Se hace a partir de las curvas a nivel y la red hidrogrfica digitalizadas

Puede presentar algunos problemas para su delimitacin principalmente en el rea cercana al punto de aforo.

Depende de un insumo llamado Modelo de Elevacin Digital (MED) o Modelo de Elevacin de Terreno (MET).

8. Delimitacin automatizada de cuencas

Generacin del MED

Quemado o Marcado de los ros

MED sin depresiones locales (Fill sinks)

Grid de Direccin de Flujo

Grid de Acumulacin de Flujo

Trazado automtico

ING. JUAN CABRERA

HIDROLOGA GENERAL

PAMETRO GEOMORFOLGICOS DE UNA CUENCA

1. rea, Permetro y Longitud REA. Es la proyeccin horizontal de la cuenca. Delimita el

volumen total de agua que la cuenca recibe. PERIMETRO (P). es la longitud del lmite exterior de la

cuenca y depende de la superficie y la forma de la cuenca. Longitud de la cuenca. Es la longitud de una lnea recta

con direccin paralela al cauce principal. Longitud del cauce principal. Es la distancia entre la

desembocadura y el nacimiento.

2. Forma de la cuenca

Es la configuracin geomtrica de la cuenca tal como est proyectada sobre el plano horizontal.

La forma incide en el tiempo de respuesta de la cuenca, es decir, al tiempo de recorrido de las aguas a travs de la red de drenaje, y, por consiguiente, a la forma del hidrograma resultante de una lluvia dada.

2. Forma de la cuenca

Las grandes cuencas tienen usualmente forma de pera. Las cuencas pequeas varan mucho en su forma.

Para determinar la forma de una cuenca, se utilizan ndices:

- El coeficiente de compacidad la relaciona con el crculo.

- El factor de forma la relaciona con el rectngulo.

Se debe a Gravelius y es la relacin entre el permetro de la cuenca y el permetro de un crculo de igual rea que la cuenca, a travs de la siguiente expresin:

donde P es el permetro de la cuenca y A es el rea.

2.1. ndice de compacidad (Kc)

Cuanto mas irregular sea la cuenca, mayor ser su coeficiente de compacidad. Una cuenca circular tendr un coeficiente de compacidad mnimo, igual a 1.

2.1. ndice de compacidad (Kc)

Factor de forma (Kf) fue definido por Horton, como el cociente entre la superficie de la cuenca y el cuadrado de su longitud.

donde L es el recorrido principal de la cuenca, B es el ancho medio es de la

divisin del rea de la cuenca entre la longitud del cauce principal y A es el rea de la cuenca.

Es un factor importante en el comportamiento de la cuenca, ya que cuanto mayores son los desniveles en la cuenca, mayor es la velocidad de circulacin y menor el tiempo de concentracin, lo que implica un aumento del caudal de punta. Para su estudio se suele utilizar histogramas de frecuencias altimtricas o la curva hipsomtrica

3. Relieve

Es un histograma que indica el porcentaje de rea comprendida entre dos alturas determinadas. Puede obtenerse calculando el rea que existe entre las curvas de nivel de la cuenca por el rea total.

3.1. Histograma de frecuencias altimtricas

3.2. Curva Hipsomtrica

Es una curva que indica el porcentaje de rea de la cuenca o bien la superficie de la cuenca en Km2 que existe por encima de una cota determinada.

Curva A: refleja una cuenca con gran potencial erosivo (fase de juventud).

Curva B: es una cuenca en equilibrio (fase de madurez).

Curva C: es una cuenca sedimentaria (fase de vejez).


Fue introducido por hidrlogos franceses con la intencin de comparar mejor la influencia de las caractersticas de la cuenca sobre la escorrenta superficial.

Para facilitar la comparacin geomtrica de cuencas hidrogrficas, estas se pueden reducir a figuras simples, cumpliendo determinadas condiciones de analoga.

Uno de los modelos ms utilizados es el rectngulo equivalente, que se define como un rectngulo que tiene la misma rea de la cuenca, e igual ndice de compacidad de Gravelius.

La caracterstica ms importante de este rectngulo es que tiene igual distribucin de alturas, que la curva hipsomtrica de la cuenca

3.3. Rectngulo Equivalente

Consiste de un rectngulo de rea igual a la de la cuenca de lado mayor y menor L y l respectivamente, con curvas de nivel paralelas al lado menor, respetndose la hipsometra natural de la cuenca.

Para el clculo de los lados (L y l) del rectngulo, se aplican las siguientes ecuaciones, obtenidas en base al rea (A), el permetro (P) y el coeficiente de compacidad.(Kc)


. Tambin pueden aplicarse las siguientes ecuaciones:

Para dibujar las lneas de nivel del rectngulo equivalente se puede utilizar la siguiente formula:

Donde di es la distancia desde la parte mas baja del rectngulo equivalente hasta la curva de nivel y Ai el rea por debajo de la curva de nivel considerada.


Ejemplo

Construya el rectngulo equivalente de la cuenca mostrada

4. Altitudes caractersticas

La altitud media (Hm), una forma de calculo es considerando; ci cota media del rea i, delimitada por dos curvas de nivel; ai rea i entre curvas de nivel; y A rea total de la cuenca.

La altitud media ponderada (Hmp), es la altura de un rectngulo de igual rea que la que encierra la curva hipsomtrica.

4. Altitudes caractersticas

La altitud mas frecuente, es la altura correspondiente al mximo histograma de frecuencias altimtricas.

La altitud mediana (H50), es la altura para la cual el 50% del rea de la cuenca se encuentra por debajo de la misma.

Ejercicio 1 Al estudiar una cuenca X, se encontr que su curva

hipsomtrica es:

Calcula la altura media y la mediana de la cuenca.

Ejercicio 2 Estime la altitud de la

cuenca mostrada en la figura.

5. Pendiente de la Cuenca Tiene una gran importancia para el calculo del

ndice de peligro de avenidas sbitas, a travs de la velocidad del flujo de agua, influye en el tiempo de respuesta de la cuenca, el mtodo mas antiguo es a travs de la siguiente formula:

S = (h * Lcn / A ) donde S es la pendiente media de la cuenca, h la

equidistancia entre curvas de nivel, Lcn la longitud de todas las curvas de nivel y A el rea total de la cuenca.

5. Pendiente de la Cuenca Otra forma seria: S = ( 2H / P ) donde H (diferencia de elevacin mxima medida

entre el punto mas alto del lmite de la cuenca y la desembocadura del ro principales la citada diferencia de cota y P el permetro de la cuenca.

Tambin se tiene los mtodos de Alvord, Horton y Nash.

5.1 Criterio de Alvord

Este criterio est basado, en la obtencin previa de las pendientes existentes entre las curvas de nivel.

5.2 Mtodo de Horton

Para aplicar este mtodo se traza una cuadrcula sobre el plano del rea de la cuenca a analizar, de tal forma que contenga, como mnimo, cuatro cuadros por cada lado, cuando se trata de cuencas de menos de 250 Km, y se aumentar el nmero de cuadros en la medida que aumente el rea de la cuenca.

5.2 Mtodo de Horton

Para el trazado de la malla el plano se orientar con base en la direccin predominante del cauce principal.

A partir de la cuadrcula se toma la medida de la longitud de cada lnea de la malla, tanto en el eje de las X como de las Y, y comprendidas dentro de los lmites de la cuenca; luego se procede a contabilizar el nmero de cortes y tangencias de cada lnea, con las curvas de nivel.

Se debe tener en cuenta que el plano topogrfico contenga las curvas de nivel con igual equidistancia.

5.2 Mtodo de Horton

Horton propuso la siguiente ecuacin:

donde:

Pm = Pendiente media, en tanto por mil.

Ed = Equidistancia entre curvas de nivel, en metros.

a = ngulo formado por las lneas dela malla, y las curvas de nivel. Por la dificultad en su estimacin, usualmente se le asigna un valor de cero

Nx = Nmero total de cortes y tangencias de la malla, en la direccin X, con las curvas de nivel.

5.2 Mtodo de Horton

Ny = Nmero total de cortes y tangencias de lamalla, en la direccin Y, con las curvas de nivel.

Lx = Longitud total de las lneas de lacuadrcula, en la direccin X, medidas dentro delos lmites de la cuenca, en kilmetros.

5.3 Criterio de Nash

Ejemplo

Calcular la pendiente media de la cuenca mostrada

Solucin Ejemplo

VER EN LA PIZARRA

6. Pendiente del cauce principal

Es un indicador del grado de respuesta hidrolgica de una cuenca a una tormenta. No se debe confundir con la pendiente de la cuenca.

Dado que la pendiente varia a lo largo del cauce, es necesario definir una pendiente media, para lo cual se suelen utilizar tres mtodos:

6. Pendiente del cauce principal: mtodos

Pendiente uniforme

Compensacin de reas

Ecuacin de Taylor y Schwarz

6.1Pendiente Uniforme

Considera la pendiente del cauce, como la relacin entre el desnivel que hay entre los extremos del cauce y la proyeccin horizontal de su longitud

El mtodo puede utilizarse en tramos cortos del ro.

6.2 Compensacin de reas

La pendiente del cauce principal, se obtiene por la pendiente de una lnea recta que se apoya en el inicio o salida de la cuenca y tiene igual rea arriba y abajo, respecto al perfil del rio principal, entonces la formula a usar ser:

donde S= Pendiente promedio de la corriente principal,

Lp=Longitud del cauce principal, en Km.

H= Desnivel del punto de salida con la posicin de la lnea recta, Km

6.3 Ecuacin de Taylor y Schwarz

Utiliza la siguiente frmula:

donde: S = pendiente media del cauce principal. m = numero de segmentos en que se divide el cauce principal. L = longitud horizontal del cauce principal, desde su nacimiento hasta desembocadura.

6.3 Ecuacin de Taylor y Schwarz

Im = longitud horizontal de los tramos en los cuales se subdivide el cauce principal.

Sm = pendiente de cada segmento en que se divide Este parmetro permite evaluar el potencial para erosionar, a partir de la velocidad del flujo, lo cual nos ayuda entender el comportamiento en el transito de avenidas, as como la determinacin de las caractersticas optimas para hidroelctricas y estabilizacin de cauces, etc.

6.3 Ejemplo

A continuacin se muestra el perfil longitudinal del cauce principal de la cuenca X. Encuentra su pendiente por los tres mtodos estudiados.

7. Red de Drenaje Las caractersticas de una red de drenaje, pueden

describirse principalmente de acuerdo con:

El tipo de corrientes

El orden de las corrientes

Longitud de los tributarios

Densidad de corriente

Densidad de drenaje

7.1 Tipo de Corrientes

Corriente efmera, es aquella que solo lleva agua cuando llueve e inmediatamente despus.

Corriente intermitente, lleva agua la mayor parte del tiempo, pero principalmente en poca de lluvias; su aporte cesa cuando el nivel fretico desciende por debajo del fondo del cauce.

Corriente perenne, contiene agua todo el tiempo, ya que an en poca de sequa es abastecida continuamente, pues el nivel fretico siempre permanece por arriba del fondo del cauce.

7.2 Orden de las corrientes

Proporciona el grado de bifurcacin dentro de la cuenca.

Se requiere de un plano de la cuenca que incluya tanto corrientes perennes como intermitentes.

Existen dos mtodos para determinarlas:

Strahler

Shreve

El ms usado es Shreve 4

Strahler

Shreve

La clasificacin de los cauces de una cuenca se realiza a travs de las siguientes premisas:

Los cauces de primer orden son los que no tienen tributarios.

Los cauces de segundo orden se forman en la unin de dos cauces de dos cauces de primer orden y, en general, los cauces de orden n se forman cuando dos cauces de orden n-1 se unen.

Cuando un cauce se une con un cauce de orden mayor, el canal resultante hacia aguas abajo retiene el mayor de los ordenes.

El orden de la cuenca es el mismo del su cauce principal a la salida.

7.2 Orden de las corrientes

7.2 Ejemplo

La figura de la derecha muestra la red de drenaje de una cuenca. Encuentra el orden de la red de drenaje.

7.3 Densidad de las corrientes Es la relacin entre el nmero de corrientes y el rea drenada

Solamente se consideran corrientes perennes e intermitentes

El cauce principal cuenta como una corriente y luego los tributarios a este cauce desde su nacimiento hasta su unin con el cauce principal

7.4 Densidad de drenaje Se expresa como la longitud de las corrientes, por unidad de rea Indica:

La posible naturaleza de los suelos, que se encuentran en la cuenca. El grado de cobertura que existe en la cuenca. Valores altos, representan zonas con poca cobertura vegetal,

suelos fcilmente erosionables o impermeables Valores bajos, indican suelos duros, poco erosionables o muy

permeables y cobertura vegetal densa. Se puede calcular mediante un SIG

7.4 Densidad de drenaje

Se puede establecer una relacin entre la densidad de drenaje y las caractersticas del suelo:

7.4 Ejemplo

Encuentra la densidad de corriente y la densidad de drenaje de la cuenca mostrada (la cuadrcula es de 5Kmx5Km).

QU APRENDIMOS HOY?

cuenca hidrográfica

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