mini estudio hidrologico

2015

Hidrogeología de contaminantes

ESTUDIO HIDRÓLOGICO

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE AGUASCALIENTES

MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL

ING. LILIA GUERRERO MARTÍNEZ

1

Índice General

Introducción 2

Desarrollo 3

Datos generales de la cuenca 5

Geomorfología de la cuenca 6

Escurrimientos superficiales 7

Evapotranspiración potencial 7

Evapotranspiración real 9

Volumen de infiltración 10

Método del coeficiente de escurrimiento anual

10

Método de Langbein 11

Índice de tablas y mapas

Desarrollo

Mapa 1. Localización general de la Cuenca 4

Tabla 1. Localidades dentro de la cuenca seleccionada 4

Tabla 2. Datos de Estaciones climatológicas 5

Mapa 2. Área proporcional de cada estación climatología 5

Geomorfología de la cuenca

Tabla 3. Parámetros geomorfológicos de la cuenca. 6

Tabla 4. Método del coeficiente de escurrimiento anual. Parámetro K 6

Tabla 5. Ponderación del parámetro K 6

Mapa 3. Localización de áreas de edificación, cultivo y pastizal dentro de la cuenca

7

Evapotranspiración potencial

Tabla 7. Porcentaje de horas-Luz 8

Tabla 8. Valor de interpolación para la latitud correspondiente de la cuenca 8

Tabla 9. Tabla de resultados para Uso Consuntivo (UCt). 9

Evapotranspiración real

Tabla 10. Tabla de resultados Evapotranspiración real. 9

Tabla 11. Criterios para la elaboración de la tabla de Evapotranspiración real 10

Volumen de infiltración


Tabla 12. Tabla de resultados Método del coeficiente de escurrimiento anual 10

Método de Langbein

Tabla 13. Método de Langbein para la obtención de E’/Ft 11

Tabla 14. Tabla de resultados Método de Langbein. 11

2

Introducción

La hidrogeología es una rama de las ciencias geológicas, que estudia las aguas subterráneas

en lo relacionado con su circulación, sus condicionamientos geológicos y su captación.

Actualmente los estudios hidrogeológicos son de especial interés no solo para la provisión

de agua a la población sino también para entender el ciclo vital de ciertos elementos

químicos, como así también para evaluar el ciclo de las sustancias contaminantes, su

movilidad, dispersión y la manera en que afectan al medio ambiente, por lo que esta

especialidad se ha convertido en una ciencia básica para la evaluación de sistemas

ambientales complejos. El abordaje de las cuestiones hidrogeológicas abarcan: la

evaluación de las condiciones climáticas de una región, su régimen pluviométrico, la

composición química del agua, las características de las rocas como permeabilidad,

porosidad, fisuración, su composición química, los rasgos geológicos y geotectónicos, es así

que la investigación hidrogeológica implica, entre otras, tres temáticas principales:

El estudio de las relaciones entre la geología y las aguas subterráneas.

El estudio de los procesos que rigen los movimientos de las aguas subterráneas en

el interior de las rocas y de los sedimentos.

El estudio de la química de las aguas subterráneas (hidroquímica e

hidrogeoquímica).

Desarrollo

Datos generales de la cuenca Primeramente se buscó una cuenca con un área entre los 10 y 20 km2; a partir del simulador

de flujos de agua de cuencas hidrográficas SIATL del Instituto de Nacional de Geografía y

Estadística, (INEGI). La cuenca seleccionada cuenta con un área aproximada a los 14km2

localizada al norte del estado de Aguascalientes con las siguientes coordenadas en la salida

del cauce:

Latitud Longitud

21.93868 -102.32842

3

Mapa 1. Localización general de la Cuenca. Elaboración propia

Y dentro de las localidades de

Tipo Población

2010 (Habitantes)

Estado Municipio Longitud Latitud

Urbana 3158 Aguascalientes Jesús María -102.330 21.945

Urbana 722250 Aguascalientes Aguascalientes -102.291 21.883

Rural 4 Aguascalientes Jesús María -102.331 21.938

Urbana 2571 Aguascalientes Jesús María -102.317 21.943

Rural 13 Aguascalientes Aguascalientes -102.303 21.942










Rural 639 Aguascalientes San Francisco de los

Romo -102.256 21.960

Rural 1 Aguascalientes San Francisco de los

Romo -102.249 21.965


Tabla 1. Localidades dentro de la cuenca seleccionada. Elaboración propia

4

En general la cuenca coincide con 4 estaciones climatológicas a partir del criterio de los

polígonos de Thiessen:

Número Descripción Área

proporcional (Km2)

Porcentaje del Área

Área Ponderada

Precipitación media (mm)

1004 CAÑADA HONDA 1.442 0.099 48.877 496.9306

1097 AGUASCALIENTES2 8.781 0.601 300.419 521.9949

1030 AGUASCALIENTES 1.923 0.132 67.435 528.6266

1090 JESUS MARIA (DGE) 2.477 0.169 83.049 507.4224

Tabla 2. Datos de Estaciones climatológicas relacionadas con la cuenca seleccionada área proporcional y

precipitación media de cada una. Elaboración propia. Nota 1. El procedimiento de triangulación (polígonos de Thiessen) se realizó con el sistema de información

geográfica Quantum Gis 2.6 Brigthon por medio de los polígonos de Voronoi

Mapa 2. Área proporcional de cada estación climatología a partir del método de los polígonos de Thiessen

Dados los datos anteriores se obtuvo la precipitación media de la cuenca la cual es del

orden de

Precipitación media de la cuenca =521.037 mm

5

Geomorfología de la cuenca La geomorfología trata cuantitativamente ciertos rasgos de la superficie terrestre; a continuación

se presentan algunas características de la cuenca de estudio.

Tamaño de la cuenca Clasificada por Campos (1998) como Muy pequeña

Área 14.623 km2

Perímetro 23.988 km

Longitud del cauce 10.651 km

Relación de elongación (RE)

𝑅𝐸 = 1.128√𝐴

𝐿𝑐

RE=0.41 Lo que indica que tiene pendientes pronunciadas y relieves altos (Strahler, 1964).

Vegetación superficial de la cuenca

AREA_EDIFICACIÓN 6.024 km2

AREA_CULTIVO 3.554 km2

AREA_PASTIZAL 5.052 km2

Tabla 3. Parámetros geomorfológicos de la cuenca. Elaboración propia.

Para determinar los datos de acuerdo al uso de suelo y el coeficiente K se tomó en cuenta la

siguiente tabla:

Cubierta o Uso de suelo Tipo de suelo

A B C

Cultivo 0.24 0.27 0.30

Pastizal de 50% a75%- regular 0.20 0.24 0.30

Cascos y zonas con edificación 0.26 0.29 0.32

Tabla 4. Método del coeficiente de escurrimiento anual. Parámetro K, en función del tipo del suelo y cubierta

vegetal (fragmento tomado del libro Introducción a la hidrología superficial, segunda edición, pp: 285)

Suelos:

Grupo A: Bajo potencial de escurrimiento

Grupo B: Moderadas Velocidades de Infiltración

Grupo C: Bajas velocidades de infiltración

Nota 1. Debido a que la relación de elongación con valor de 0.41, indica que tiene pendientes pronunciadas

y relieves altos se tomó el grupo B

De los datos anteriores se obtuvo un coeficiente K ponderado

DATOS DE ACUERDO AL USO DE SUEO

ÁREA TOTAL CUENCA ÁREAS VALORES DE K,

PARA SUELO TIPO B PORCENTAJE DEL

AREA K PONDERADO

EDIFICACIÓN 6.024 0.290 0.412 0.119

CULTIVO 3.554 0.270 0.243 0.066

PASTIZAL 5.052 0.240 0.345 0.083

TOTALES 14.630 1.000 0.268

Tabla 5. Ponderación del parámetro K según el tipo de suelo de la cuenca. Elaboración propia.

6

Mapa 3. Localización de áreas de edificación, cultivo y pastizal dentro de la cuenca. Elaboración Propia

Escurrimientos superficiales Para obtener el coeficiente del escurrimiento superficial se empleó la siguiente formula:

𝐶𝑒 = 𝑘 (𝑝−250

2000) + (

𝑘−0.15

1.5) Cuando k > 0.15

𝐶𝑒 = 0.268 (521.037 − 250

2000) + (

0.268 − 0.15

1.5)

𝐶𝑒 = 0.214

Para obtener el Volumen de escurrimiento se aplicó la siguiente formula

𝑉𝑒 = 𝑝𝑝 ∗ Á𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 𝐶𝑒

𝑉𝑒 = 0.521037𝑚 ∗ 14623000𝑚2 ∗ 0.214

𝑉𝑒 = 1632047048.34 m3

Evapotranspiración potencial El método empleado para el cálculo de la evapotranspiración fue el de Blaney-Criddle en

el que se toma en cuenta el tipo de cultivo, la duración del ciclo vegetativo, la temporada

de siembra y la zona climática

Aplicación práctica del caso A

𝑈𝐶𝑇 = 10 𝐾𝑔𝐹

7

Donde:

𝑈𝐶𝑇 = 𝑈𝑠𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑛𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙, 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝑚𝑚)

𝐾𝑔 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑟𝑟𝑜𝑙𝑙𝑜 (0.45 ≤ 𝐾𝑔 ≤ 1.2) 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑠 𝑐𝑢𝑙𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 𝑒𝑛 𝑀é𝑥𝑖𝑐𝑜

Tabla 6. Coeficientes globales de evapotranspiración estacional Kg para diversos cultivos (valores

máximos en zonas áridas y semiáridas; valores mínimos en zonas húmedas y semihumedas) (fragmento

tomado del libro Introducción a la hidrología superficial, segunda edición, pp: 133 y 134)

Nota 2: el coeficiente global Kg para la alfalfa se tomó como 0.80 y para el pasto de gramíneas como 0.75

ambos en ciclo vegetativo perenne

𝐹 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑦 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑

𝐹 = ∑ 𝑓𝑖

𝑛

𝑖=1

𝑓𝑖 = 𝑝𝑖 [𝑇𝑖 + 17.8

21.8]

Donde:

𝑝𝑖 = 𝑝𝑜𝑟𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑖 𝑐𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑜 𝑎𝑙 𝑎ñ𝑜 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎 3

LATITUD NORTE

MESES

GRADOS ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

21 7.71 7.24 8.4 8.54 9.18 9.05 9.29 8.98 8.29 8.15 7.54 7.62

22 7.66 7.21 8.4 8.56 9.22 9.09 9.33 9 8.3 8.13 7.5 7.55

Tabla 7. Porcentaje de horas-Luz en el día para cada mes del año en relación con el total del año (p) (Fragmento

tomado del libro Introducción a la hidrología superficial, segunda edición, pp: 134)

𝑇𝑖 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠 𝑖, 𝑒𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 (℃)

Debido a que la zona en cuestión es árida, los valores de 𝑓𝑖 se multiplicaron por un factor

de corrección 𝑘𝑡𝑖

𝑘𝑡𝑖 = 0.03224𝑇𝑖 + 0.2396

Nota 3: Latitud norte de la cuenca se localiza a 21.93868 por lo que fue necesaria

interpolar este valor

LATITUD NORTE

MESES

GRADOS ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

21.93868 7.66 7.21 8.40 8.56 9.22 9.09 9.33 9.00 8.30 8.13 7.50 7.55

Tabla 8. Valor de interpolación para la latitud correspondiente de la cuenca

Cultivo Ciclo vegetativo Coeficiente global (kg)

Alfalfa Entre heladas

En invierno 0.80-0.85

0.60

Pastos de gramíneas Perenne 0.75

8

La aplicación de las formulas anteriores se resume en la siguiente tabla MES ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE TOTAL

ANUAL

TEMPERATURA MEDIA

12.903 14.338 16.804 19.406 21.455 21.732 20.384 20.358 19.543 17.849 15.369 13.523 17.805

Kti 0.641 0.686 0.763 0.844 0.908 0.916 0.874 0.874 0.848 0.795 0.718 0.661

fi 6.922 7.294 10.172 12.327 15.066 15.101 14.285 13.759 12.058 10.577 8.198 7.171 132.931

UCT ALFALFA 55.379 58.355 81.375 98.617 120.529 120.804 114.280 110.075 96.465 84.612 65.586 57.372 1063.449

UCT PASTO GRAMINEAS

51.918 54.708 76.289 92.453 112.996 113.254 107.138 103.195 90.436 79.324 61.487 53.786 996.984

UCT PONDERADO

53.347 56.214 78.390 94.998 116.106 116.372 110.087 106.036 92.926 81.508 63.179 55.267 1024.431

Tabla 9. Tabla de resultados para Uso Consuntivo (UCt). Elaboración propia

Nota 4: el UCT ponderado se obtuvo en relación a las áreas de cultivo y pastizales

Evapotranspiración real Para el cálculo de la evapotranspiración real se siguió el orden la de la tabla 6

MÉTODO BALANCE HIDRICO ALFALFA PASTO DE GRAMÍNEAS

ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE TOTAL

EVAPOTRANSPIRACION POTENCIAL (ETP)

53.35 56.21 78.39 95.00 116.11 116.37 110.09 106.04 92.93 81.51 63.18 55.27 1024.43

PRECIPITACION POTENCIAL

12.28 14.48 3.50 8.08 18.15 93.23 124.26 109.46 88.61 30.67 9.01 9.30 521.04

VARIACION DE LA RESERVA (P-ETP)

-41.06 -41.73 -74.89 -86.91 -97.96 -23.14 14.17 3.42 -4.31 -50.84 -54.17 -45.97 -503.39

CAPACIDAD DE CAMPO CC 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 15.00 11.58 7.27 0.00 0.00 0.00

EVAPOTRANSPIRACION REAL

12.28 14.48 3.50 8.08 18.15 93.23 110.09 106.04 88.61 30.67 9.01 9.30 503.44

Tabla 10. Tabla de resultados Evapotranspiración real. Elaboración propia

NOTA 5

ETP=Directo del cálculo

P=Directo de cálculo

Cc= Es el contenido de agua o humedad que es capaz de retener el suelo luego de saturación o de haber sido mojado abundantemente y después dejado drenar libremente Se optó por un valor de Cc= 15

dadas las características propias de la cuenca, este valor se colocó en el mes en el que la diferencia de P-ETR dio un valor positivo; en el último mes al valor de Cc se le "resto" esta diferencia negativa

TEXTURA CC

ARENOSA 5--15

FRANCO ARENOSA 10--20

FRANCA 15--30

FRANCO ARCILLOSA 25--30

ARCILLOSA 35--70

ETR= Se obtuvo SEGÚN LA SIGUIENTES CONDICIONES

P=0 ETR= 0

9

ETP>P>0 ETR= P

ETP<P ETR= ETP

En un caso especial que sucede en el mes posterior a terminación de lluvias, CUANDO Cc (del mes anterior) > 0, P’= P + Cc, SIENDO P’ el nuevo valor de P siempre y cuando P’= ETR

Tabla 11. Criterios para la elaboración de la tabla de Evapotranspiración real

Volumen de infiltración

Para el volumen de infiltración se siguieron dos métodos:


Este método toma en cuenta la precipitación anual y las combinaciones suelo- cobertura

de la cuenca. Supone que el escurrimiento es proporcional a la precipitación.

𝐸′ = 𝐶𝑒 𝑃

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:

𝐸′ = 𝐸𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑎, 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑙𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝑚𝑚)

𝐶𝑒 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙, 𝑎𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙

𝑃 = 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑎, 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑙𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 (𝑚𝑚)

Para obtener los volúmenes de escurrimiento, precipitación e infiltración se aplicaron las

formulas siguientes

Volumen de Escurrimiento

𝑉𝐸 = 𝐴 ∗ 𝐸′

Volumen Precipitación

𝑉𝑃 = 𝑃 ∗ 𝐴

Volumen de Infiltración

𝑉𝐼 = 𝑉𝑃 − 𝑉𝐸

Método del coeficiente del escurrimiento anual

Coeficiente de escurrimiento CE 0.21

Parámetro K ponderado 0.27

Precipitación media anual P 521.04 mm

Escurrimiento especifico E’ 111.55 mm

Área cuenca A 14.63 km2

Volumen de escurrimiento VE 1,632,047.05 m3

Volumen de precipitación VP 7,622,768.97 m3

Volumen de infiltración VI 5,990,721.92 m3

Tabla 12. Tabla de resultados Método del coeficiente de escurrimiento anual. Elaboración propia

10

Método de Langbein

Método basado en datos climáticos con un factor de temperatura Ft

𝐹𝑡 = 10(0.027 𝑇+1.886)

Supone que existe una relación de la forma:

𝐸′

𝐹𝑡= 𝑓 (

𝑃

𝐹𝑡)

Una vez obtenido el valor de 𝐸′

𝐹𝑡 , puede calcularse el valor de E’ a partir de la tabla 8

P/𝑭𝒕 E´/𝑭𝒕

2 0.075

3 0.200

Tabla 13. Método de Langbein para la obtención de E’/𝐹𝑡 (Fragmento tomado del libro Introducción a la

hidrología superficial, segunda edición, pp: 284)

Aplicando las formulas anteriores tenemos que

𝐹𝑡 = 10(0.027 𝑇+1.886) 𝐹𝑡 = 10(0.027∗17.81+1.886)

𝐹𝑡 = 232.67

Ahora aplicando

𝑓 (𝑃

𝐹𝑡) 𝑓 (

521.04

232.67)

Entonces la relación

(𝑃

𝐹𝑡) = 2.24

Este valor es interpolado de la tabla 8 con lo que tenemos que

P/𝑭𝒕 E´/𝑭𝒕

2.24 0.10

Luego para obtener E´ se tiene que

𝐸′

𝐹𝑡= 𝑓 (

𝑃

𝐹𝑡)

𝐸′

232.67= 0.10

11

𝐸′ = (0.10 ∗ 232.67)

𝐸′ = 24.41 𝑚𝑚

Luego se aplican las formulas anteriores de volúmenes de escurrimiento, precipitación e

infiltración

Método de Langbein

Temperatura media anual 17.81 ⁰C

Factor de Temperatura Anual (Ft) 232.67

f(P/Ft) 2.24

E'/Ft 0.10

E' 24.41 mm

Volumen de escurrimiento 357,147.80 m3

Volumen de precipitación 7,622,768.97 m3

Volumen de infiltración 7,265,621.17 m3

Tabla 14. Tabla de resultados Método de Langbein. Elaboración propia

mini estudio hidrologico

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