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HIDROLOGÍA MODULO 2 PROCESOS DE ESCORRENTÍA SECCIÓN 1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ESCORRENTÍA

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Page 1: Hidrología Modulo 2

HIDROLOGÍA

MODULO 2

PROCESOS DE ESCORRENTÍA

SECCIÓN 1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA ESCORRENTÍA

Page 2: Hidrología Modulo 2

DEFINICIÓN GENERAL DE ESCORRENTÍA

• La escorrentía es aquella parte de la lluvia, del agua de deshielo y/o delagua de irrigación que en lugar de infiltrarse en el suelo se desplaza sobrela superficie del suelo, hacia el cauce fluvial. A veces se denominaescorrentía superficial o de superficie.

• Para ciertos fines, sin embargo, la definición de escorrentía tambiénabarca el agua que llega al cauce fluvial con relativa rapidez justo debajode la superficie. Junto con la escorrentía superficial, este flujo, que sedenomina interflujo o flujo subsuperficial, forma el volumen de agua queen hidrología se conoce generalmente como escorrentía.

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Papel en el proceso de predicción de crecidas

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• El motivo principal por el cual estudiamos el proceso de escorrentíaes la necesidad de estimar la cantidad de agua que alcanzarápidamente el cauce fluvial. La escorrentía es el componente másimportante de la predicción de crecidas y puede consistir de aguapluvial o del agua producida por el derretimiento de la nieve y delhielo. Las condiciones en la cuenca hidrológica determinan laproporción de lluvia o nieve que se transforma en escorrentía. Sisabemos qué cantidad de agua nos podemos esperar en forma deescorrentía, podemos utilizar otras herramientas, como elhidrograma unitario, para calcular el caudal correspondiente que sedescargará en el cauce.

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• El movimiento del agua del suelo es el resultado de tres procesos físicos:entrada, transmisión y almacenamiento. El proceso de entrada, que sedenomina más comúnmente infiltración, ocurre en el límite entre el aguay la superficie del suelo. La transmisión es la percolación, tanto verticalcomo horizontal, que puede producirse en toda la profundidad de la capadel suelo. El almacenamiento puede ocurrir en cualquier parte del perfildel suelo y se manifiesta como un aumento en la humedad del suelo.

• En términos generales, las condiciones ambientales que influyen en estostres procesos se dividen en dos categorías principales: las de origennatural y las que se originan en la actividad humana. Las condicionesnaturales pueden influir de varias formas en dichos procesos, pero laactividad humana suele reducir la cantidad de agua que penetra en elperfil del suelo y, por consiguiente, aumenta la escorrentía en la superficiedel suelo.

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Términos generales relacionados con la escorrentía

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• Empleamos los términos cuenca, cuenca de drenaje y cuencahidrológica (o hídrica) para describir el área que contribuye ala escorrentía. En general, la escorrentía comienza en ladivisoria de las aguas que marca el perímetro de la cuenca.Toda la escorrentía dentro de una cuenca drena en un únicositio en la salida de la cuenca.

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• El caudal base o flujo base es el suministro de agua a largo plazo que mantienesiempre al menos un poco de agua en el cauce, incluso durante los períodosprolongados de sequía. El caudal base proviene del agua que ha percolado hasta elalmacenamiento profundo.

• La infiltración es el movimiento del agua hacia abajo a través de la superficie delsuelo. Aunque a menudo se usa como equivalente de percolación, en realidad eltérmino percolación se refiere al movimiento del agua dentro del suelo, mientrasla infiltración se refiere específicamente al proceso por el cual el agua penetra lasuperficie del suelo.

• La escorrentía superficial es el movimiento del agua sobre la superficie del suelohacia el cauce fluvial.

• El interflujo es el movimiento relativamente rápido del agua debajo de lasuperficie del suelo hacia el cauce fluvial que típicamente se produce durante las72 horas después de que el agua se infiltre en la superficie. Este proceso es máscomún en las áreas donde el suelo es profundo.

• La escorrentía, que a veces se denomina escorrentía directa, puede referirse sólola escorrentía superficial, pero a veces se utiliza para hablar de la combinación dela escorrentía superficial más el interflujo. Por lo tanto, suele representar elmovimiento al cauce fluvial del agua que no forma parte del caudal base.

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Términos relacionados con la infiltración

Page 12: Hidrología Modulo 2

• La tasa de infiltración es la cantidad de agua que puedepenetrar el suelo en un período específico. Se expresa entérminos de profundidad por unidad de tiempo; porejemplo: 10 milímetros por hora.

• La capacidad de infiltración es el límite superior de latasa de infiltración. Incluye la infiltración en la superficiey la percolación, y se expresa en términos deprofundidad por unidad de tiempo; por ejemplo: 15milímetros por hora.

• Si el índice de precipitación es menor o igual a lacapacidad de infiltración, no se produce escorrentíasuperficial.

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Si el índice de precipitación excede la capacidad de infiltración, se produce escorrentía

superficial.

La escorrentía superficial equivale al índice de pluviosidad o la velocidad de deshielo

menos la capacidad de infiltración.

Por ejemplo, si el índice de pluviosidad aumenta a 25 milímetros por hora pero la

capacidad de infiltración sigue siendo 15 milímetros por hora, el índice de pluviosidad

es 10 milímetros por hora mayor que la capacidad de infiltración. Los 10 milímetros por

hora que no se infiltran se transforman en escorrentía superficial.

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Preguntas de repaso:

• 1. En términos simples, la escorrentía es aquella parte de la lluvia, agua de deshielo y agua de irrigación que alcanza rápidamente el cauce fluvial _____.(Elija la mejor opción.)

• a) sobre superficies impermeablesb) sobre o debajo de la superficie c) a través del suelo d) como caudal base aumentado

• 2. Cuando el índice de pluviosidad equivale a la capacidad de infiltración, _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) el agua puede infiltrarse y posiblemente contribuir al interflujob) el suelo nunca alcanza el punto de saturación a menos que llueva más fuertec) no puede infiltrar más agua d) cualquier aumento posterior en la intensidad de la lluvia causará escorrentía superficial

Page 15: Hidrología Modulo 2

Respuestas correctas

• 1. En términos simples, la escorrentía es aquella parte de la lluvia, agua de deshielo y agua de irrigación que alcanza rápidamente el cauce fluvial _____.(Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción b) sobre o debajo de la superficie.

• 2. Cuando el índice de pluviosidad equivale a la capacidad de infiltración, _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• Las respuestas correctas son: a) el agua puede infiltrarse y posiblemente contribuir al interflujo, y d) cualquier aumento posterior en la intensidad de la lluvia causará escorrentía superficial

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HIDROLOGÍA

MODULO 2

PROCESOS DE ESCORRENTÍA

SECCIÓN 2. TRAYECTORIAS DE LA ESCORRENTÍA

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Procesos de escorrentíaEscorrentía superficial

Page 18: Hidrología Modulo 2

• Durante un episodio de lluvia o de deshielo, puedenproducirse dos tipos de escorrentía superficial.

• El flujo superficial por exceso de infiltración se produce en lossuelos que no están saturados. De hecho, el suelo puede estarmuy seco, pero debido a las propiedades del suelo o de lacubierta del suelo el proceso de infiltración no puedeabsorber el agua producida por un aguacero o un deshielorápido.

• El flujo superficial por exceso de saturación se producecuando el suelo está saturado y no queda espacio para que seinfiltre más agua. Esto puede ocurrir incluso en suelos quenormalmente, en condiciones subsaturadas, permiten lainfiltración de grandes cantidades de agua.

Page 19: Hidrología Modulo 2

Flujo superficial por exceso de infiltración

• El exceso de infiltración es el resultado de un índicede pluviosidad o una velocidad de deshielo queexcede la capacidad de infiltración. El agua que nopuede infiltrarse se convierte en escorrentíasuperficial.

Page 20: Hidrología Modulo 2

Flujo superficial por exceso de infiltración

• Por ejemplo, si el suelo tiene una capacidad de infiltración de15 milímetros por hora y llueve a un ritmo de 25 milímetrospor hora, el índice de pluviosidad excede la capacidad deinfiltración a razón de 10 milímetros por hora. Dichos 10milímetros de agua por hora se convierten en flujo superficialpor exceso de infiltración, incluso si el suelo subyacente estáseco.

Page 21: Hidrología Modulo 2

• El fenómeno de exceso de infiltración se observa con mayorfrecuencia durante episodios de lluvia breves e intensos. Estambién más común en zonas con suelos con alto contenidode arcilla cuya superficie ha sido alterada por la compactacióndel suelo, urbanización o incendios.

• El flujo superficial por exceso de infiltración se denominatambién flujo hortoniano

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Flujo superficial por exceso de saturación

• El exceso de saturación se produce cuando las capas del suelose saturan hasta tal punto que ya no permiten la infiltraciónde más agua.

• Esto es más común en episodios de lluvia leve a moderada delarga duración, o bien durante el último de una serie deepisodios sucesivos de precipitación y/o deshielo.

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• Por ejemplo, considere una tormenta que produce un índice de pluviosidad constante de 10 milímetros por hora durante cuatro horas. Al cabo de tres horas de infiltración, el suelo queda saturado. Durante la cuarta hora del episodio, al ritmo de 10 mm/h el agua ya no puede infiltrarse en el suelo saturado y se convierte en flujo superficial por exceso de saturación.

Flujo superficial por exceso de saturación

Page 24: Hidrología Modulo 2

El fenómeno de flujo superficial por exceso de saturación puede producirse siempre que

el suelo esté mojado, aunque es más común en climas húmedos en cuencas llanas o con

pendientes poco pronunciadas

La fotografía anterior muestra un terreno cultivado, donde el suelo típicamente es capaz

de absorber grandes cantidades de agua. La presencia de agua estancada durante un

episodio de lluvia leve sugiere que la saturación del suelo impide la infiltración de más

agua. El resultado es el flujo superficial por exceso de saturación.

Page 25: Hidrología Modulo 2

Interflujo

Page 26: Hidrología Modulo 2

• El interflujo, que también se conoce como flujo subsuperficial, es elflujo relativamente rápido hacia el cauce fluvial que se producedebajo de la superficie. Aunque es más rápido que el caudal base,suele ser más lento que la escorrentía superficial. En ciertos casos,el interflujo puede ser un factor tan importante como la escorrentíasuperficial para el pronóstico de los aumentos rápidos en el niveldel cauce fluvial. De hecho, en las regiones con altas tasas deinfiltración y terreno empinado el interflujo puede ser el procesopredominante en la reacción en los ríos tras un episodio de lluvia oel deshielo.

• Este proceso es más frecuente en zonas húmedas con suelosprofundos. No obstante, el interflujo puede aportar una cantidadconsiderable de agua en las regiones con suelos poco profundos siexiste una capa impermeable (por ejemplo, de roca firme) debajode la capa de suelo de superficie, que es más permeable.

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Retroalimentación por transmisividad

Page 28: Hidrología Modulo 2

• Un proceso de escorrentía que contribuye al interflujo es laretroalimentación por transmisividad. Este proceso ocurre cuandose activa una red de macroporos después de un período de rápidainfiltración.

• Los macroporos son espacios vacíos y conductos naturales en elsuelo que se transforman en rutas preferentes para el movimientodel agua cuesta abajo. Los macroporos pueden formarse dediversas maneras, por ejemplo la descomposición de las raíces delas plantas, los túneles de los animales e insectos y las reaccionesquímicas entre el agua y los minerales del suelo.

• Las redes de macroporos son más extensas en zonas con suelosprofundos que contienen cantidades considerables de materiaorgánica. Por lo tanto, es más probable que haya un interflujosustancial por las redes de macroporos en las regiones de climahúmedo.

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Contacto suelo-roca

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• La existencia de una superficie de contacto suelo-roca intensifica elinterflujo. Suele haber contacto suelo-roca en zonas con topografíaempinada, donde la capa del suelo es considerablemente máspermeable que la roca sólida subyacente. El agua de lluvia odeshielo se infiltra en poco tiempo hasta la superficie de contactocon la roca y después se desplaza rápidamente cuesta abajo a lolargo de dicha superficie.

• A veces existe una característica llamada fragipán. Las capas defragipán son de baja permeabilidad, como la roca o la arcilla, ypueden también contribuir a concentrar el flujo subsuperficiallateral. Las zonas de fragipán, que pueden existir en nivelesrelativamente poco profundos, juegan un rol importante en laintensificación del interflujo e incluso de la escorrentía superficialuna vez que las capas de suelo arriba de ellas queden saturadas.

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Crestas de agua subterránea

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• Este proceso se observa en cuencas de drenaje empinadas en lascuales la capa freática está mucho más próxima a la superficie cercadel cauce fluvial que en lugares más alejados del mismo.

• Cerca del cauce fluvial, el agua de lluvia o deshielo alcanza el niveldel agua subterránea más rápidamente de lo que es el caso cuestaarriba, más lejos del arroyo. El nivel de la capa freática sube másrápidamente cerca del cauce fluvial que en las zonas más alejadas ycrea una cresta de agua subterránea en proximidad del arroyo. Elgradiente entre la cresta de agua subterránea y el cauce fluvialprovoca un interflujo más rápido hacia el arroyo.

• En algunos casos la cresta de agua subterránea alcanza la superficiedel suelo y produce un flujo superficial por exceso de saturaciónque contribuye a la escorrentía superficial

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Agua existente antes del evento de precipitación

Page 34: Hidrología Modulo 2

• Cierta parte del interflujo que llega rápidamente al caucefluvial no es necesariamente el producto del episodio de lluviaactual. En estos casos, las capas del suelo ya contienen unacantidad considerable de agua que es desplazada a medidaque más agua infiltra en el suelo. El agua que entra en elarroyo inmediatamente después de una lluvia o de un períodode deshielo rápido puede pertenecer a un evento deprecipitación anterior, es decir que se trata de agua existenteantes del evento de precipitación. Varios estudios handemostrado que a menudo en las regiones de clima húmedoel agua existente antes del evento de precipitación es el factorque contribuye en mayor medida a los aumentos rápidos en elnivel de los cursos fluviales.

Page 35: Hidrología Modulo 2

Preguntas de repaso:

• 1. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de una lluvia intensa de 30 minutos de duración?(Elija la mejor opción.)

• a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración

• 2. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de 48 horas de llovizna constante en un bosque? (Elija la mejor opción.)

• a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración

• 3. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en un llano con manto vegetal denso? (Elija la mejor opción.)

• a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración

• 4. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en una zona urbana? (Elija la mejor opción.)

• a) flujo superficial por exceso de saturación b) flujo superficial por exceso de infiltración

• 5. Aunque el agua que existe antes de un episodio de lluvia considerable puede contribuir a la escorrentía como “agua existente antes del evento de precipitación”, nunca constituye un componente principal de la escorrentía. (Elija la mejor opción.)

• a) verdadero b) falso

Page 36: Hidrología Modulo 2

• 6. El interflujo puede ser más importante que la escorrentía superficial en la generación de un aumento rápido del nivel de los arroyos en _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) entornos urbanos b) terreno en pendiente con vegetación densac) regiones en las que hay roca madre impermeable debajo de una capa de suelo permeabled) zonas quemadas

• 7. Los macroporos _____ el interflujo porque crean _____ para el flujo del agua.(Elija la mejor opción.)

• a) aumentan | superficies horizontalesb) aumentan | trayectorias preferenciales c) reducen | superficies horizontalesd) reducen | trayectorias preferenciales

• 8. La formación de crestas de agua subterránea reduce el flujo al cauce porque bloquea el interflujo. (Elija la mejor opción.)

• a) verdadero b) falso

Page 37: Hidrología Modulo 2

Respuestas correctas y explicación

• 1. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de una lluvia intensa de 30 minutos de duración?(Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción b) flujo superficial por exceso de infiltración • 2. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable después de 48 horas de llovizna constante

en un bosque?(Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción a) flujo superficial por exceso de saturación • 3. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en un llano con vegetación densa?

(Elija la mejor opción.) • La respuesta correcta es la opción a) flujo superficial por exceso de saturación • 4. ¿Qué tipo de escorrentía superficial es más probable en una zona urbana?

(Elija la mejor opción.) • La respuesta correcta es la opción b) flujo superficial por exceso de infiltración• 5. Aunque el agua que existe antes de un episodio de lluvia considerable puede contribuir a la

escorrentía como “agua existente antes del evento de precipitación”, nunca constituye un componente principal de la escorrentía.(Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción b) falso

Page 38: Hidrología Modulo 2

• 6. El interflujo puede ser más importante que la escorrentía superficial en la generación de un aumento rápido del nivel de los arroyos en _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• Las respuestas correctas son las opciones b) y c). El interflujo puede ser un factor más importante que la escorrentía superficial para los pronósticos de caudal, especialmente en las regiones con perfiles de suelo profundos y bien desarrollados y/o terreno en pendiente. De hecho, en las zonas con clima húmedo y topografía accidentada es común que el interflujo contribuya considerablemente a la escorrentía.

• 7. Los macroporos _____ el interflujo porque crean _____ para el flujo del agua.(Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción b) aumentan | trayectorias preferenciales• 8. La formación de crestas de agua subterránea reduce el flujo al cauce porque

bloquea el interflujo.(Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción b) falso

Page 39: Hidrología Modulo 2

HIDROLOGÍA

MODULO 2

PROCESOS DE ESCORRENTÍA

SECCIÓN 3. PROPIEDADES DE LA CUENCA

Page 40: Hidrología Modulo 2

¿Qué es la geomorfología

La geomorfología es el estudio de las formas de la superficie de la Tierra, esdecir, el relieve, y los procesos que las produce. La comprensión de lageomorfología de una cuenca nos permite identificar las características deescorrentía que podemos esperar en la zona

Page 41: Hidrología Modulo 2

Área de aporte y volumen de escorrentía

• El tamaño del área de aporte de lalluvia en una cuenca influyedirectamente en el volumen total deescorrentía que drena de la cuenca.

• No parecerá sorprendente que lacomparación de una lluvia uniformesobre una cuenca más grande y otramás pequeña revela que la más grandeproduce un mayor volumen deescorrentía. En igualdad decircunstancias, un área de drenaje eldoble del tamaño puede generar dosveces el volumen de escorrentía que lacuenca de menos extensión.

Page 42: Hidrología Modulo 2

• Como en la mayoría de los casos las tormentas sólo cubren parte de una cuenca, la situación más común es que el volumen de escorrentía no estará determinado por el tamaño total de la cuenca, sino por el área de aporte, que es la parte de la cuenca que ha sido afectada por la tormenta

Page 43: Hidrología Modulo 2

Tamaño de la cuenca y desarrollo temporal

• De forma análoga, considere doscuencas de forma similar, una másgrande que la otra. La escorrentíaque se desplaza del punto máslejos aguas arriba de la cuencamás grande tiene que recorrer unamayor distancia y, por lo tanto,tarda más en alcanzar la salida dela cuenca que la escorrentía queproviene del punto más lejosaguas arriba de la cuenca máspequeña. Además, es probableque una tormenta sólo afecte auna parte de la cuenca másgrande en un momento dado,mientras que puede cubrir toda lacuenca más pequeña.

Page 44: Hidrología Modulo 2

Forma de la cuenca

• La forma de la cuenca tambiéninfluye en la magnitud y eldesarrollo temporal del caudalmáximo en la salida de la cuenca.

• Considere dos cuencas de áreaigual, pero una de forma larga yestrecha, y la otra más ancha.Considere ahora el recorrido de laescorrentía a medida que sedesplaza desde el punto máslejano de la cuenca hasta la salidacorrespondiente. La escorrentíade la cuenca más ancha llegarámás rápidamente a la salida de lacuenca.

Page 45: Hidrología Modulo 2

Forma de la cuenca

• Además, es más probable que elagua proveniente de varioslugares de esta cuenca alcance lasalida al mismo tiempo, lo cualproduce un caudal máximo mayor.En contraste, es menos probableque el agua proveniente dedistintos lugares de la cuenca largay estrecha llegue al mismotiempo.

Page 46: Hidrología Modulo 2

Meandros fluviales

• Los meandros del cauce fluvial aumentan la distancia que el agua debe recorrer desde el comienzo hasta el final del curso del río.

Page 47: Hidrología Modulo 2

• Considere una cuenca concauces fluviales sinuosos. Sielimináramos todos losmeandros, el agua recorreríauna distancia menor. Estotambién reduciría el tiempoque tarda el agua en alcanzar lasalida de la cuenca y el tiempodisponible para que el agua seinfiltre en el suelo a través delfondo del lecho fluvial.

• Los meandros aumentan eltiempo de viaje de laescorrentía a través de lacuenca y pueden reducir elvolumen de escorrentía engeneral

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Pendiente de la cuenca

• Otro factor importante es la cantidad desedimento transportado por el agua. Laerosión es el resultado de la eliminacióndel sedimento del suelo por parte del agua.Aunque depende del tipo de suelo y de lavegetación, por lo general la erosiónaumenta a medida que aumenta lapendiente. Cuando el agua transportamucho sedimento, los poros en lasuperficie del suelo que normalmentepodrían permitir la penetración del aguapueden taparse, reduciendo de este modola capacidad de infiltración.

• En términos generales, cuanto másempinados la ladera y los canales dedrenaje, tanto más rápida será la respuestadel flujo y tanto mayores las descargasmáximas.

Page 49: Hidrología Modulo 2

Pendiente de la cuenca

• La pendiente de una cuenca influye en lacantidad y el desarrollo temporal de laescorrentía.

• A medida que aumenta la pendiente dela topografía, entran en juego variosfactores. En primer lugar, el contacto delagua con la superficie y no esperpendicular. En las pendientes, lafuerza de gravedad ya no atrae el aguadirectamente hacia el suelo, de formaque una mayor parte se convierte enescorrentía superficial.

• Otro factor es el movimiento del aguasobre la superficie terrestre. A medidaque aumenta la pendiente del suelo, elagua se desplaza con mayor rapidez yqueda menos tiempo en contacto con lasuperficie, lo cual reduce el tiempo quepuede infiltrarse.

Page 50: Hidrología Modulo 2

Rugosidad

La “rugosidad”de un cauce fluvial aumenta con la presencia de piedras, vegetación y

escombros. Cuando eliminamos la vegetación y cubrimos el lecho fluvial con cemento

para crear un canal, reducimos su rugosidad. El factor de rugosidad influye directamente

en la rapidez con que el agua se desplaza por el canal y en la altura del nivel máximo.

La ecuación de Manning se usa muy a menudo en hidrología para calcular el factor de

rugosidad.

Page 51: Hidrología Modulo 2

Cuanto mayor la rugosidad, tanto más turbulento será el flujo. Un flujo más turbulento

produce una escorrentía más lenta y flujos menos rápidos. El resultado es más tiempo

para la infiltración y la creación de una onda de crecida más ancha con descargas

máximas menores de lo que es el caso en situaciones de escorrentía más rápida.

Por otro lado, la reducción de la rugosidad del canal produce flujos más rápidos y

caudales máximos mayores

Page 52: Hidrología Modulo 2

Densidad de drenaje Denominamos densidad de drenaje a la suma de la longitud de todos los canales en el

interior de la cuenca dividida por el área de la cuenca. La densidad de drenaje es una de

las características más importantes para evaluar la escorrentía potencial.

Una cuenca de drenaje con muchos afluentes tiene una densidad de drenaje mayor que

una cuenca con pocos afluentes. Cuando la densidad de drenaje es mayor, la cuenca

puede drenar de forma más eficiente después de una tormenta. Cuando el drenaje es más

eficiente, el agua se desplaza más rápidamente a los arroyos y riachuelos, con el

resultado de que los caudales máximos de las tormentas son mayores y se producen más

rápidamente.

Normalmente, las cuencas con densidades de drenaje menores tienen suelos profundos y

bien desarrollados. En este caso, es más probable que el agua penetre el suelo en lugar

de convertirse en escorrentía superficial y pasar a formar parte de la red de canales

fluviales.

Page 53: Hidrología Modulo 2

Urbanización

La urbanización suele alterar las superficies naturales del suelo y de los cauces fluviales

de las cuencas. Los factores tales como la permeabilidad de la superficie, el tamaño de

la cuenca, la densidad de drenaje, la rugosidad, la longitud y la pendiente del canal

pueden verse afectados de forma tal que la escorrentía adquiere mayor magnitud y

velocidad

Page 54: Hidrología Modulo 2

• En las zonas urbanas, lamayor cobertura depavimentación,edificios y sueloscompactos impide lainfiltración del agua delluvia y deshielo encomparación con lasuperficie natural delsuelo. Esto puedeaumentar en granmedida la magnitud dela escorrentía

Page 55: Hidrología Modulo 2

• Las características urbanas,como los arcenes de las callesy los muros de contenciónpueden dividir una cuencanatural en subcuencas máspequeñas. Las zonas dedrenaje más pequeñasresponden mucho másrápidamente a las lluviaslocalizadas que una cuenca

más grande.

Page 56: Hidrología Modulo 2

• Las redes viarias, las cunetas y los sistemas de drenaje pluvial funcionan como una red de afluentes y aumentan la densidad de drenaje. Una mayor densidad de drenaje resulta en una escorrentía más rápida hacia los cauces fluviales

Page 57: Hidrología Modulo 2

• En comparación con un lecho fluvial natural, las superficies de las calles, las alcantarillas y los sistemas de drenaje pluvial tienen superficies lisas. La menor rugosidad superficial permite un movimiento mucho más rápido de la escorrentía hacia los cauces fluviales principales de lo que sería el caso bajo condiciones más naturales

Page 58: Hidrología Modulo 2

• En las zonas urbanas, es común que se elimine la vegetación de los ríos y a veces hasta se cubre el fondo de cemento, un proceso denominado “canalización”. Esto también reduce la rugosidad aumenta la velocidad del agua.

Page 59: Hidrología Modulo 2

• A veces, las obras de canalizaciónimplican enderezar el arroyourbano y eliminar los meandros.

• Esto reduce la distancia que elagua atraviesa desde el comienzode la cuenca de drenaje. Tambiénaumenta la pendiente, ya que elcambio de elevación sigue siendoigual, pero abarca una distanciamenor. La reducción de ladistancia del trayecto y elaumento en la pendienteproducen una respuesta decrecida mucho más rápida de laescorrentía.

Page 60: Hidrología Modulo 2

• En términos generales, losentornos urbanos producen unaescorrentía más rápida, y unamayor parte de la escorrentíaalcanza los ríos de lo que es elcaso en los entornos rurales.

Page 61: Hidrología Modulo 2

Pregunta de repaso

• 1. La escorrentía suele ser más eficiente (es decir, es más rápida y más abundante) cuando _____.(Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) aumenta la pendiente de la cuenca b) se reduce las densidad de drenaje de la cuencac) aumenta rugosidad del canal d) se eliminan los meandros del río e) la cuenca tiene una forma estrecha y alargada en lugar de ser redonda

• Respuestas correctas y explicación• 1. La escorrentía suele ser más eficiente (es decir, es más rápida y

más abundante) cuando _____.(Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• Las respuestas correctas son las opciones a) y d). • Fin de la sección tres: Propiedades de la cuenca

Page 62: Hidrología Modulo 2

HIDROLOGÍA

MODULO 2

PROCESOS DE ESCORRENTÍA

SECCIÓN 4. PROPIEDADES DEL SUELO

Page 63: Hidrología Modulo 2

• Las características del suelo de unacuenca influyen fuertemente encómo se desarrolla la escorrentía.Además de la textura del suelo,tenemos que considerar otrascaracterísticas importantes, comola cubierta de la superficie, laprofundidad hasta las capasimpermeables y lasmodificaciones del sueloprovocadas por la actividadhumana o por procesos naturales.

Page 64: Hidrología Modulo 2

Procesos de formación del suelo

Page 65: Hidrología Modulo 2

• La formación de los suelos, o pedogénesis, es el producto de varios procesos naturales. Típicamente, los suelos se desarrollan de modo tal que las capas superiores (los horizontes O y A) presentan el mayor impacto de la vegetación y la meteorización, mientras las capas inferiores (el horizonte C) se ven afectadas en una medida mucho menor por dichos agentes.

• El clima es el factor más importante en la formación de los suelos, ya que influye de forma directa en la meteorización del material básico que los compone y es un factor determinante esencial de la actividad biológica.

• Entre los demás factores naturales que participan en la formación de los suelos cabe mencionar el tipo y la distribución de la vegetación, la geología local, la actividad biológica, las reacciones minerales y la topografía de la cuenca hidrológica. Estos factores determinan la cantidad de agua de lluvia o deshielo que penetra en el suelo y cómo se desplaza o se almacena en el suelo

Page 66: Hidrología Modulo 2

Clasificación de la textura del suelo

• La textura del suelo se clasifica de acuerdo con el tamaño de las partículas que lo componen. La arcilla tiene las partículas y los espacios porosos más pequeños, seguida del limo y de la arena, que tiene las partículas más grandes. La textura del suelo es un factor muy importante para evaluar el potencial de infiltración, movimiento y almacenamiento del agua del suelo

Page 67: Hidrología Modulo 2

• El triángulo de clasificación delos suelos del Departamento deAgricultura de EE.UU. (USDA) esuna herramienta de referenciaque nos permite clasificar lossuelos de acuerdo con lacomposición de su textura. (2)Por ejemplo, si tomamos unamuestra de suelo ydeterminamos que tiene unacomposición aproximada de40 % limo, 40 % arena y 20 %arcilla, el triángulo nos permiteclasificar el suelo como “marga”

Page 68: Hidrología Modulo 2

Composición del suelo

El suelo puede componerse uno o varios tipos de texturas. Cuando el suelo contiene un

alto porcentaje de arena, el mayor espacio poroso permite que agua se infiltre y drene

más rápidamente. Estos tipos de suelos pueden absorbes cantidades relativamente

grandes de lluvia o agua de deshielo

• Los suelos con un contenido relativamente altos de arcillatienen un espacio poroso menor y, en consecuencia, tasas deinfiltración más bajas. Por lo tanto, los suelos en los quepredomina la arcilla tienen una capacidad menor de absorbergran cantidad de agua

Page 69: Hidrología Modulo 2

• Las partículas que componen el limo son de un tamañointermedio, entre la arena y la arcilla. Los suelos quecontienen un alto porcentaje de limo tienen tasas deinfiltración y drenaje más altos que la arcilla, pero no tan altoscomo la arena

Page 70: Hidrología Modulo 2

• Por consiguiente, durante una lluvia intensa o un períodode deshielo rápido los suelos arcillosos pueden producirmás escorrentía superficial que los suelos arenosos olimosos. Por lo general, los suelos arenosos producen lamenor cantidad de escorrentía superficial.

• La información sobre la textura del suelo puede ayudarnosa prever las posibilidades de almacenamiento de agua y deescorrentía. Por supuesto que siempre debemos tenerpresentes los aspectos específicos de la situación, como elcontenido de humedad del suelo y la intensidad de la lluviao del deshielo

Page 71: Hidrología Modulo 2

• Aunque parece contrario a la intuición, los espacios porososmás pequeños de los suelos arcillosos contienen una cantidadtotal de espacio vacío mayor que la menor cantidad deespacios porosos y más grandes de los suelos arenosos. Estosignifica que es posible que bajo condiciones de llovizna o dedeshielo lento la arcilla pueda contener más agua que laarena

Page 72: Hidrología Modulo 2

• No obstante, el agua drena más lentamente de los suelosarcillosos que de los suelos arenosos. Esto implica quedespués de una serie de episodios de lluvia, los suelosarcillosos pueden permanecer saturados en el período entrelas tormentas y, por lo tanto, pueden producir una mayorcantidad de escorrentía en los episodios de lluvia posteriores.

Page 73: Hidrología Modulo 2

Perfil del suelo

• El perfil del suelo brinda información acerca de la profundidadhasta la roca madre y las discontinuidades existentes en lascaracterísticas del suelo como, por ejemplo, los cambiosverticales en la permeabilidad y las propiedades del suelo.

Page 74: Hidrología Modulo 2

• Por lo general, las áreas donde el suelo es másprofundo tienen una mayor capacidad de absorber yalmacenar el agua. Es también más probable que enestas áreas el interflujo sea mayor. En comparación, lasáreas donde el suelo es poco profundo suelensaturarse más rápidamente y producir más escorrentíadadas las mismas condiciones de suelo y precipitación

Page 75: Hidrología Modulo 2

• Otra característica importante del perfil del suelo es la presencia decapas impermeables o de baja permeabilidad en el perfil (que tambiénse conocen como fragipanes). Por ejemplo, considere una capa de arcillay roca de baja permeabilidad debajo de una capa superficial de sueloarenoso. En esta zona, la lluvia o el agua de deshielo puede infiltrarrápidamente la capa arenosa superior, pero percola lentamente a travésde la capa impermeable del perfil. Esto puede intensificar la escorrentíay el interflujo en la zona.

Page 76: Hidrología Modulo 2

• En algunas áreas, las reacciones minerales producen capas relativamente impermeables de depósitos de carbonato de calcio que se denominan caliche

Page 77: Hidrología Modulo 2

• Finalmente, la actividad biológica y química que tiene lugar enel suelo puede crear macroporos. Recuerde que estosconductos y espacios naturales aumentan tanto la velocidadcomo el volumen de agua que puede desplazarse en sentidovertical u horizontal por el perfil del suelo.

Page 78: Hidrología Modulo 2

Propiedades de la superficie

• Las propiedades de la superficie del suelo pueden ser el factor másimportante que determina la escorrentía en algunas áreas. Si elagua no puede penetrar la superficie del suelo, las característicasdel perfil del suelo subyacente carecen de importancia. Losmateriales de superficie impermeables, la compactación del suelo,la deforestación y los incendios son algunos de los factores queinfluyen en la infiltración en el perfil del suelo

Page 79: Hidrología Modulo 2

Cuando cubrimos la superficie del suelo con materiales impermeables como el cemento

y el asfalto, reducimos la cantidad de agua que puede infiltrar el suelo. Además, la

compactación del suelo reduce las tasas de infiltración y percolación, así como la

capacidad de almacenamiento de humedad del suelo. En términos generales, la

actividad humana reduce la infiltración y el almacenamiento, y aumenta escorrentía

superficial

Page 80: Hidrología Modulo 2
Page 81: Hidrología Modulo 2

• La deforestación puede influir en la infiltración y laescorrentía. En ausencia de materia vegetal en lasuperficie, el agua se desplaza más rápidamente. Estosignifica que el agua tiene menos tiempo para infiltrarse enel suelo. Además, es probable que la escorrentía de laszonas deforestadas contenga más sedimento. La carga desedimentos puede ocupar espacio en el cauce fluvial quede otra forma estaría disponible para un aumento en elcaudal. Como resultado, es más probable que en las zonasdeforestadas se produzcan episodios de escorrentía másintensos que producen fuertes cargas de sedimentos hacialos cauces fluviales

Page 82: Hidrología Modulo 2

• La deforestación causada por los incendios puede acarrearconsecuencias más graves para la escorrentía posterior.Además de los típicos problemas relacionados con ladeforestación, los incendios pueden alterar la superficie delsuelo y dejarla temporalmente hidrófoba, es decir, incapazde absorber el agua. Esto ocurre especialmente en laspinedas, porque los aceites y las resinas de los árboles sevaporizan y se incorporan al suelo, creando una capahidrófoba en o cerca de la superficie. A menudo, lagravedad de la escorrentía y de la carga de sedimentos sepuede observar por la erosión de los troncos de los árbolesy los depósitos aluviales que quedan después de la crecida.

Page 83: Hidrología Modulo 2

Preguntas de repaso:

• 1. En comparación con los suelos arenosos, los suelos arcillosos tienen mayores probabilidades de _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) producir más escorrentía durante períodos extendidos de lloviznab) producir más escorrentía durante tormentas intensas c) permanecer húmedos durante más tiempo después de un episodio de lluvia e) contener un volumen de agua menor cuando están saturados

• 2. Es más probable que se produzca flujo superficial por exceso de infiltración durante una lluvia intensa en suelos _____. (Elija la mejor opción.)

• a) arcillosos b) limosos c) arenosos e) margosos

• 3. La saturación del perfil del suelo ocurre más rápidamente cuando hay. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) roca madre poco profunda b) urbanización c) un fragipán a poca profundidad d) roca madre muy profunda

• 4. Normalmente, la deforestación no resulta en _____. (Elija la mejor opción.)

• a) más escorrentía superficial b) mayor peligro de inundaciones c) mayor transporte de sedimentosd) más infiltración

Page 84: Hidrología Modulo 2

Respuestas correctas y explicación

• 1. En comparación con los suelos arenosos, los suelos arcillosos tienen mayores probabilidades de _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• Las respuestas correctas son b) producir más escorrentía durante tormentas intensas y c) permanecer húmedos durante más tiempo después de un episodio de lluvia.

• 2. Es más probable que se produzca flujo superficial por exceso de infiltración durante una lluvia intensa en suelos _____. (Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción a) arcillosos. • 3. La saturación del perfil del suelo ocurre más rápidamente cuando hay

(Escoja todas las respuestas pertinentes.)• Las respuestas correctas son a) roca madre poco profunda y c) un fragipán a poca

profundidad. • 4. Normalmente, la deforestación no resulta en _____.

(Elija la mejor opción.) • La respuesta correcta es la opción d) más infiltración

Page 85: Hidrología Modulo 2

HIDROLOGÍA

MODULO 2

PROCESOS DE ESCORRENTÍA

SECCIÓN 5. CONCEPTOS BÁSICOS DE MODELADO DE ESCORRENTÍA

Page 86: Hidrología Modulo 2

Se han desarrollado varios modelos, desde los más simples hasta los muy complejos,

para analizar y pronosticar los factores involucrados en la producción de escorrentía. El

modelo específico que usted elija dependerá del tipo de información que necesite y del

uso que se hará de los resultados.

La cantidad y los tipos de suposiciones empleadas en el modelo, los tipos de datos que

se necesitan y el nivel de complejidad son factores importantes a la hora de elegir el

modelo

Page 87: Hidrología Modulo 2

Métodos simples de modelado de la escorrentía

A un nivel muy básico, un modelo simple de escorrentía de lluvia podría limitarse a

calcular la cantidad de lluvia que escapa sobre una superficie sólida. Un buen ejemplo

de esto es un estacionamiento con superficie de cemento o asfaltada. Como no hay

ninguna zona de suelo desnudo, no hay infiltración. La cantidad de escorrentía que

produce el estacionamiento equivale prácticamente a la cantidad de agua que precipita

o, dicho de otra manera, la lluvia constituye la entrada y la escorrentía, la salida

Page 88: Hidrología Modulo 2

Modelo racional Una de las situaciones hidrológicas más fáciles de modelar es la escorrentía máxima de

un área pequeña, menor de 80 hectáreas (200 acres). El modelo racional utiliza la

intensidad de la lluvia, el área y un factor de uso del suelo para estimar sólo el caudal

máximo. Observe que no hay ningún cálculo temporal asociado con el caudal máximo

derivado con este método.

La ecuación del método racional es la siguiente:

Escorrentía máxima, Qp = CIA/360 (unidades métricas)

Escorrentía máxima, Qp = CIA (unidades inglesas)

C es el coeficiente de escorrentía por uso del suelo, que es adimensional. Cuando se

utilizan unidades métricas, I es la intensidad de lluvia en milímetros por hora y A es el

área expresada en hectáreas. Es necesario aplicar un factor de conversión de 1/360 para

calcular la escorrentía máxima en metros cúbicos por segundo.

Cuando se utilizan unidades inglesas, se emplea el mismo el coeficiente C, el valor de I

es la intensidad media de lluvia en pulgadas por hora y A es el área expresada en acres.

La escorrentía máxima se calcula en pies cúbicos por segundo

Page 89: Hidrología Modulo 2

• El valor del coeficiente C seobtiene consultando una tabla delos tipos de usos del suelo.

• El modelo racional se utiliza paracalcular la escorrentía máxima enáreas pequeñas, comoestacionamientos, terrenoscultivados o jardines públicos. Seutiliza principalmente en cuencaspequeñas en las cuales lacobertura de las superficiesimpermeables es un factorimportante.

• Este método no proporciona unabuena manera de tener en cuentala infiltración.

Page 90: Hidrología Modulo 2

Modelos hidrológicos complejos

Page 91: Hidrología Modulo 2

Mientras los modelos hidrológicos simples están limitados por suposiciones y cálculos,

los modelos más complejos nos permiten representar mejor las distintas partes del ciclo

hidrológico. Este diagrama nos permite apreciar la complejidad del espectro de factores

naturales y humanos que los modelos hidrológicos pueden tomar en cuenta.

Este modelo en particular muestra las entradas de agua y su movimiento a través de un

sistema hidrológico conceptualizado

Page 92: Hidrología Modulo 2

Modelos agrupados El enfoque más básico para lograr un modelado complejo de la escorrentía de una

cuenca es el método de “agrupación”. Este tipo de modelo hidrológico considera una

determinada área de drenaje como una sola unidad y emplea entradas hidrológicas y

meteorológicas promediadas para toda la cuenca. La salida de un modelo agrupado

suele ser un hidrograma para la salida de la cuenca.

Tradicionalmente, debido a los métodos de recaudación de datos y a las limitaciones del

software el uso de los modelos agrupados ha sido casi obligatorio, y los modelos

agrupados siguen siendo útiles para generar información de guía acerca de crecidas, ya

que requieren menos datos de entrada y potencia computacional que los métodos más

modernos. No obstante, gracias a la disponibilidad de nuevas tecnologías geoespaciales

los modelos agrupados están siendo suplantados por métodos que aprovechan la

información espacial más detallada para examinar las cuencas a una escala más fina

Page 93: Hidrología Modulo 2

Modelos semidistribuidosEl modelo semidistribuido es una variante del método por agrupación. Para utilizar este

enfoque, se subdivide la cuenca en las subcuencas de las cuales se compone. El caudal

fluvial de cada una de estas subcuencas se calcula a partir de los niveles de escorrentía

obtenidos por medio de los hidrogramas unitarios u otros métodos. A continuación,

estos volúmenes de escorrentía se propagan río abajo para obtener un cálculo estimado

del caudal en la salida de la cuenca más amplia

Page 94: Hidrología Modulo 2

Modelos distribuidos

• Un enfoque verdaderamentedistribuido representa los procesossobre una cuadrícula y permiteefectuar predicciones detalladas paracada celda de la cuadrícula.

• En este tipo de enfoque, cada celdacuenta con parámetros que permitenllegar a estimaciones individuales delcaudal. El caudal se puede calcularmatemáticamente para cualquierpunto en la cuadrícula.

• Una desventaja de los modelosdistribuidos es la cantidad de datos deentrada adicionales que se requierenpara cada celda. Cuando no se cuentacon estos datos, es preciso estimarlosde alguna manera, lo cual introduceun factor de incertidumbre

Page 95: Hidrología Modulo 2

• Esta figura muestra las cuadrículasde los datos de precipitación yescorrentía superficial de unacuenca. Como llovió muy poco en lazona superior de la cuenca, no hayrespuesta de caudal en el punto A.Las zonas centrales de la cuencaregistraron un poco de lluvia,provocando una leve respuesta decaudal en el punto B.

• La lluvia más fuerte cayó en la zonainferior de la cuenca, la cual produceun caudal máximo considerable yrápido en el punto C.

Page 96: Hidrología Modulo 2

• Una simulación por agrupamiento dela situación en esta cuenca sólopresentaría un promedio de losefectos para toda la cuenca y no sólosubestimaría el caudal máximo en elpunto C, sino que el momento dellegada del caudal máximo en elpunto C se propagaríaincorrectamente.

• Sin embargo, el modelo distribuidoes capaz de capturar la variabilidadespacial de la precipitación yproducir una simulación másaceptable en el punto C, así comoestimaciones del caudal en lospuntos A y B

Page 97: Hidrología Modulo 2
Page 98: Hidrología Modulo 2

• La anterior figura muestra los vectores de flujo aguasabajo para cada celda de la cuadrícula. Los flujos sepropagan de una celda a otra hasta la salida de lacuenca de acuerdo con parámetros y ecuaciones quese basan en la física.

• Hay que tener presente que se trata de una estimaciónde la trayectoria del flujo. Podemos ver que al convertirla cuenca en una representación cuadriculada hemosdejado de lado algunas partes de la cuenca y hemosincluido zonas que en realidad quedan fuera de lamisma

Page 99: Hidrología Modulo 2

Problemas relacionados con los modelos distribuidos

• Los métodos distribuidospermiten modelar cuencasprogresivamente máspequeñas. También permitencalcular la escorrentía en elinterior de una cuenca deforma más realista. Lospronósticos de inundacionesrepentinas, por ejemplo, hanmejorado con laimplementación de losmodelos distribuidos.

• Sin embargo, los modelosdistribuidos requieren datosmás complejos y de resoluciónmás alta, y esto introduce unmayor grado de incertidumbre

Page 100: Hidrología Modulo 2

Los modelos hidrológicos distribuidos se están adquiriendo mayor complejidad espacial

gracias al uso de tecnologías tales como el radar Doppler, el sistema de posicionamiento

global (GPS, por sus siglas en inglés) y los sistemas de información geográfica (SIG)

para crear conjuntos de datos cuadriculados georeferenciados

Page 101: Hidrología Modulo 2

Preguntas de repaso

• 1. Los modelos agrupados no pueden tener en cuenta los detalles de distribución de la lluvia y los accidentes topográficos de la cuenca. (Elija la mejor opción.)

• a. verdadero b. falso

• 2. En comparación con los modelos agrupados, los modelos distribuidos _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) tienen requisitos de cómputo más intensivosb) son menos apropiados para situaciones de crecidas repentinas c) consideran la cuenca como una unidad d) tienen en cuenta detalles tales como la lluvia y las características de la cuenca

• 3. Los modelos semidistribuidos pueden proporcionar más detalle acerca de la escorrentía potencial que los modelos agrupados porque _____. (Elija la mejor opción.)

• a) utilizan la resolución máxima de los datos de lluvia cuadriculadosb) promedian la lluvia para toda la cuenca c) estiman la escorrentía para las subcuencas dentro de la cuenca d) separan la cuenca en celdas de cuadrícula para estimar la escorrentía

• 4. El método racional para estimar la escorrentía utiliza un coeficiente de uso del suelo denominado C que sería ____ para un centro comercial que para una zona arbolada.(Elija la mejor opción.)

• a) mucho más alto b) un poco más altoc) mucho más bajo d) un poco más bajo

Page 102: Hidrología Modulo 2

Respuestas correctas y explicación

• 1. Los modelos agrupados no pueden tener en cuenta los detalles de distribución de la lluvia y los accidentes topográficos de la cuenca. (Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción a) verdadero.• 2. En comparación con los modelos agrupados, los modelos distribuidos _____.

(Escoja todas las respuestas pertinentes.) • Las respuestas correctas son las opciones a) tienen requisitos de cómputo más

intensivos y d) tienen en cuenta detalles tales como la lluvia y las características de la cuenca.

• 3. Los modelos semidistribuidos pueden proporcionar más detalle acerca de la escorrentía potencial que los modelos agrupados porque _____. (Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción c) estiman la escorrentía para las subcuencasdentro de la cuenca.

• 4. El método racional para estimar la escorrentía utiliza un coeficiente de uso del suelo denominado C que sería ____ para un centro comercial que para una zona arbolada.(Elija la mejor opción.)

Page 103: Hidrología Modulo 2

HIDROLOGÍA

MODULO 2

PROCESOS DE ESCORRENTÍA

SECCIÓN 6. MODELO SACRAMENTO

Page 104: Hidrología Modulo 2

Modelo Sacramento de humedad del suelo

Uno de los modelos hidrológicos empleados en el NWSRFS es el modelo Sacramento

de humedad del suelo (Sacramento-Soil Moisture Accounting, o SACSMA), un modelo

de evaluación constante agrupado en el espacio.

El término "agrupado en el espacio" significa que el modelo considera un área de

drenaje en particular como una sola unidad y emplea como entradas los valores medios

de precipitación de la cuenca, evaporación, temperatura, topografía de la cuenca y

características del suelo. Entre las salidas se incluyen escorrentía directa, escorrentía

superficial, caudal base, interflujo y evapotranspiración.

Por "constante" se entiende que las variables del modelo que representan la humedad

del suelo se actualizan a diario. Esto permite crear una condición de humedad del suelo

constante para el modelo.

El modelo SACSMA es ideal para simular las condiciones en cuencas de drenaje

grandes, superiores a 1000 kilómetros cuadrados. Debido a que el modelo simula tanto

la escorrentía que produce la tormenta como el caudal base, también resulta de utilidad

para estimar los suministros hídricos.

Este modelo puede utilizar otra entradas, como la ubicación de los accidentes

importantes (por ejemplo: embalses, lagos y confluencias fluviales).

Page 105: Hidrología Modulo 2

Modelo Sacramento de humedad del suelo

Page 106: Hidrología Modulo 2

Componentes del modelo SACSMA

Page 107: Hidrología Modulo 2

Componentes del modelo SACSMA

• Para representar la humedad del suelo, el modelo SACSMA divide cada cuenca en dos zonas de suelo verticales separadas por un límite superficial. La zona superior corresponde al almacenamiento a corto plazo, mientras que la zona inferior es para la mayor parte de la humedad del suelo y almacenamiento de agua freática a largo plazo.

• La lluvia que cae en las superficies impermeables se transforma en escorrentía directa. La precipitación puede penetrar la matriz del suelo de acuerdo con la manera en que se modela en el componente permeable del modelo.

• La humedad del suelo en cada zona puede existir como agua capilar, que queda atrapada en la matriz del suelo por fuerzas capilares, o agua gravitacional, que puede drenar libremente de la matriz del suelo.

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• El agua capilar es un elemento importante en el modelo SACSMA. Cuando se satisfacen los requisitos de agua capilar, la zona superior está saturada. Cualquier cantidad de agua adicional se transforma en agua gravitacional. El agua gravitacional se puede eliminar del sistema por evapotranspiración, percolación, interflujo o escorrentía superficial. El agua capilar sólo se puede eliminar por evapotranspiración. El caudal base representa el resto del agua del suelo en el modelo.

• Cada componente del modelo contribuye al hidrograma completo. Los componentes cuya respuesta es más rápida, como la escorrentía directa, se pueden concebir como las capas que están encima de los componentes de respuesta más lenta, como la escorrentía superficial, el interflujo y el caudal base. La combinación de todos los componentes determina la forma de un hidrograma calculado.

• Este enfoque brinda flexibilidad a la hora de calibrar o ajustar el hidrograma calculado para que coincida con los datos observados. Cada componente se puede examinar por separado y ajustar para que coincida con el hidrograma observado

Page 109: Hidrología Modulo 2

• El índice de precipitación antecedente (AntecedentPrecipitation Index, o API) es otro modelo útil para generarpronósticos de crecidas para tormentas individuales. Elmodelo API es un método estadístico que permite estimarla cantidad de escorrentía superficial que una tormenta enparticular producirá en una cuenca. El índice se basa en lascaracterísticas físicas de la cuenca, la época del año, laduración de la tormenta y la cantidad de precipitación.

• Aunque ya hace muchos años que los centros depronósticos fluviales (River Forecast Center, o RFC) del NWSde NOAA emplean procedimientos basados en el modeloAPI, en la primavera de 2006 sólo uno de dichos centrosutilizaba el modelo API a nivel operativo.

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Ejemplo de modelo API

• Dado un índice de precipitación antecedente de 19 mm:• En el gráfico, desplácese en sentido horizontal hasta la línea

correspondiente a la semana del año, que en este caso es lasemana 10.

• Desplácese hasta la línea correspondiente a la duración dela tormenta, que en este caso es de 24 horas.

• Desplácese hasta la precipitación pronosticada para latormenta, es decir 50 mm.

• Suba hasta el valor de escorrentía estimada.• De acuerdo con este gráfico y el conjunto de condiciones

indicadas, se calcula que la tormenta producirá 40 mm deescorrentía

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Aplicaciones del modelo API

Page 114: Hidrología Modulo 2

• El modelo lluvia-escorrentía basado en el índice de precipitación antecedente ofrece un método simple de estimar la escorrentía de una tormenta. Por lo general, cuando se aplica de forma adecuada este modelo puede generar buenos pronósticos de las crecidas provocadas por tormentas específicas.

• No obstante, debido a que el modelo API se basa exclusivamente en eventos, no es adecuado para estimar los suministros hídricos. En otras palabras, sólo se puede derivar una estimación del caudal cuando se produce una tormenta. Para estimar los suministros hídricos debemos examinar el caudal constante por medio de un enfoque de balance continuo, como el que emplea el modelo Sacramento

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Modelo API continuo

Page 116: Hidrología Modulo 2

• El modelo API continuo emplea una serie de ecuaciones que se aplican acuatro cuadrantes, un método similar al del índice de precipitaciónantecedente basado en eventos. Sin embargo, a diferencia de dicho índicese requieren cálculos adicionales para derivar el caudal base.

• Cada cuadrante representa un componente del modelo hidrológico:

• humedad del suelo

• humedad de superficie

• escorrentía superficial incremental

• almacenamiento subterráneo

• En este modelo, la humedad del suelo se define en términos del aguaalmacenada en el suelo. La humedad de superficie es la cantidad deprecipitación interceptada por la vegetación, el almacenamiento en lasdepresiones de la superficie y por cualquier otro método dealmacenamiento de la humedad en la superficie.

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• El primer cuadrante determina la relación estacional entre el valor de índice API inicial y las condiciones de humedad del suelo actuales en la cuenca.

• El valor del primer cuadrante se utiliza para pasar al segundo cuadrante, que considera los valores de las condiciones de humedad superficial.

• A continuación se utiliza el valor del segundo cuadrante para pasar al tercero, donde se determina la escorrentía superficial incremental con base en las condiciones de humedad de la superficie y del suelo en general.

• Finalmente, el último paso consiste en usar el valor del tercer cuadrante pasa pasar al cuarto cuadrante. Este paso halla la cantidad de agua agregada al almacenamiento subterráneo.

Page 118: Hidrología Modulo 2

• Llegado a este punto, se utilizan ecuaciones adicionales para calcular la escorrentía del caudal base de acuerdo con las condiciones establecidas a partir de los cuatro cuadrantes. La escorrentía de caudal base se basa en el almacenamiento subterráneo existente y en la cantidad de agua que se ha incorporado al almacenamiento de agua subterránea recientemente.

• Este modelo ofrece varias opciones, como la capacidad de tener en cuenta el efecto del suelo congelado en la escorrentía, y de compensar por la escorrentía en áreas impermeables y por la pérdida de vegetación fluvial antes de estimar el caudal

Page 119: Hidrología Modulo 2

Preguntas de repaso

• 1. El modelo de escorrentía SACSMA _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) es un modelo distribuido con cuadrícula de alta resoluciónb) es un modelo agrupado en el espacio c) se puede usar para el suministro hídrico d) es ideal para el modelado de crecidas repentinas

• 2. El modelo SACSMA considera tres niveles dentro de una cuenca: el límite superficial, la zona superior y la zona inferior. ¿Cuáles son los procesos modelados en la zona superior?(Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• a) escorrentía directa de las superficies impermeables b) escorrentía superficial c) caudal based) interflujo

• 3. La ventaja de un modelo API continuo en comparación con un modelo API basado en eventos es que se puede usar para pronosticar los suministros hídricos.(Elija la mejor opción.)

• a) verdadero b) falso

Page 120: Hidrología Modulo 2

Respuestas correctas y explicación

• 1. El modelo de escorrentía SACSMA _____. (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• Las respuestas correctas son las opciones b) es un modelo agrupado en el espacio y c) se puede usar para el suministro hídrico.

• 2. El modelo SACSMA considera tres niveles dentro de una cuenca: el límite superficial, la zona superior y la zona inferior. ¿Cuáles son los procesos modelados en la zona superior? (Escoja todas las respuestas pertinentes.)

• Las respuestas correctas son b) escorrentía superficial y d) interflujo.

• 3. La ventaja de un modelo API continuo en comparación con un modelo API basado en eventos es que se puede usar para pronosticar los suministros hídricos. (Elija la mejor opción.)

• La respuesta correcta es la opción a) verdadero.