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OBRAS HIDRAULICAS
Docente:Ing. Jaime E. Rupay Aguilar
CLASIFICACION DE LAS OBRAS CIVILES
Isla Artificial
INTRODUCCIONEl Aire que respiramos, el agua es el elemento mas esencial para el hombre.
Después de encausada en canales, nos provee el medio más económico para el transporte pesado y sirve también como vehículo para la eliminación de toda clase de desechos.
Por eso su aprovechamiento de los recursos hidráulicos es uno de los aspectos más importantes en el desarrollo de la humanidad
Isla Artificial
INTRODUCCION
La utilización del Agua se ha hecho cada vez mayor
Para el primitivo era parte de su alimentación
Después aprendió a utilizarla para la navegación.
Miles de años más tarde para el riego, y posteriormente como fuente de energía motriz.
En todas estas formas de utilización el problema principal es la escasez de agua.
EL AGUA La molécula del agua consiste en la combinación de un átomo de oxigeno con dos de hidrógeno,
unidos formando un ángulo de 105°.
El agua cubre cerca del 71% de la superficie terrestre formando océanos, casquetes polares, aguas superficiales y subterráneas. Todos estos elementos conforman la hidrosfera. Se estima que el volumen de agua de la hidrosfera es de 1.386 millones de km3. De este volumen el 96,5 % se encuentra en los océanos como agua salada y el 3,5 % restante como agua dulce proveniente del continente. De este ultimo porcentaje, el 69 % se encuentra en forma sólida en los glaciares y el 30 % como agua subterránea, quedando solamente el 1 % conformando los ríos, lagos, lagunas.
EL AGUA EN LOS SERES VIVOS :
El agua es un compuesto que forma parte de los seres vivos, desde los seres unicelulares más primitivos hasta la especie humana. La vida solo es posible en un medio con agua líquida.
En los animales, constituye entre un 60% y un 70% de su peso total, sus tejidos están formados, entre otras cosas, por agua y las reacciones químicas que constituyen su metabolismo se realizan en un medio acuoso.
Con las plantas ocurre lo mismo, entre el 75% y el 90% de su peso total es agua.
¿ QUÉ ES EL CILO NATURAL DEL AGUA?
La hidrología es la ciencia que estudia la distribución del agua en la Tierra, sus reacciones físicas y químicas con otras sustancias existentes en la naturaleza, y su relación con la vida en el planeta
El agua terrestre puede estar en forma sólida, líquida,
o de vapor, debido a que las condiciones de presión/
temperatura en el planeta se sitúan alrededor de las de
su punto triple.
Otra función muy importante del ciclo hidrológico es su efecto sobre el clima del planeta.
Las corrientes marinas calientan o enfrían muchas zonas del planeta, manteniendo condiciones óptimas para la vida en regiones donde sería difícil vivir.
. El agua circula por todo el planeta, moviéndose de la atmósfera hacia la tierra y los mares en forma de precipitaciones o en forma de evaporación, y viceversa. Discurre por los ríos y éstos hacia el mar. Se cae en forma de nieve en las altas montañas o forma hielo en las regiones frías. Se filtra por la tierra y recarga los acuíferos y éstos a su tiempo, alimentan fuentes y originan ríos y lagos. Forma parte de los seres vivos convirtiéndose en su principal elemento. Todo este proceso no sería posible sin la energía térmica del sol que es la que mantiene en movimiento todo este ciclo.
El ciclo natural del agua depende fundamentalmente de la interrelación entre una serie de factores: el volumen de las precipitaciones; el sustrato geológico y el tipo de materiales y las características de los suelos.
Lógicamente la variedad de situaciones que esto conlleva hace que los ciclos del agua presenten diferencias notables no solo a escala continental sino también entre las principales unidades físicas que componen la región. De hecho el agua es uno de los agentes más decisivos en esta configuración física en tanto que, por un lado, actúa como modelador del relieve mediante un largo proceso de erosión motivada por la escorrentía superficial y, por otro, determina, en íntima relación con los materiales que forman el suelo, la productividad biológica de cada espacio, su fertilidad y el tipo de vegetación que es capaz de soportar.
El ciclo hidrológico consta de 5 etapas :
CONDENSACIÓN :Los movimientos ascendentes del aire en la atmósfera elevan el vapor de agua, y además los vientos lo transportan a grandes distancias.
A menor temperatura mayor saturación.
A mayor saturación se condensa en gotas de 40-50 micras de diámetro.
EJEMPLO :
ESCORRENTÍA:
La escorrentía es el agua generada por una cuenca en
la forma de flujo superficial y por tanto constituye
la forma más disponible del recurso.
Se considera escorrentía (E) al total del agua que circula por los cauces superficiales y subterráneos:
E = ES + EH + PS + PD
DONDE:
Escorrentía superficial (ES) Escorrentía hipodérmica (EH) Escorrentía subterránea (PS) PD Precipitaciones.
TIPOS DE ESCORRENTÍAS
ESCORRENTÍA SUBTERRÁNEA:
RETORNO A LA SUPERFICIE :+ Fuentes o Manantiales : Se originan cuando el nivel freático corta a la superficie del terreno, de
manera que el agua de un acuífero fluye al exterior.
+ Zonas pantanosas: Afloramientos de aguas subterráneas cuando el nivel freático coincide con la superficie del terreno en zonas más o menos amplias.
+ Fuentes termales y geyseres: Las rocas calientes se pueden encontrar relativamente cerca de la superficie, como ocurre en zonas volcánicas. Cuando estas aguas calientes afloran a la superficie, dan lugar a los manantiales y fuentes termales.
ALMACENAMIENTO:Podemos encontrar varias formas, estados e incluso espacios para almacenar el agua:
+ El océano es un depósito del agua: La cantidad de agua que es "almacenada" en los océanos por largos períodos de tiempo, es mucho mayor a la que actualmente se encuentra en movimiento en el ciclo del agua. También se estima, que los océanos proveen de un 90% del agua que se evapora hacia la atmósfera. Durante los períodos de clima más frío, se forman grandes capas de hielo , menor será el agua disponible en las otras componentes del ciclo. Lo contrario en los calidos.
EL océano: 1.338.000.000 kilómetros cúbicos
+ Almacenamiento de agua en la atmósfera :Si bien la atmósfera no es un importante almacenador de agua, es una vía rápida que el agua utiliza para moverse por el globo terráqueo. Siempre hay agua en la atmósfera . 12,900 kilómetros cúbicos
+ Agua almacenada en los hielos y la nieve: El agua que es almacenada por largos períodos de tiempo en el hielo, la nieve o los glaciares, también forma parte del ciclo del agua. La mayor parte de la masa de hielo de la Tierra, alrededor del 90 por ciento, se encuentra en la Antártida.
+ Almacenamiento de agua dulce: El agua superficial incluye los arroyos, estanques, lagos, reservorios y humedales de agua dulce. La cantidad y localización del agua superficial varia en el tiempo y el espacio, ya sea por causas naturales o debido a la
acción del hombre.
+ Agua subterránea almacenada : Grandes cantidades de agua son almacenadas en el suelo.
EVAPORACIÓN :La evaporación es el principal proceso mediante el cual, el agua cambia de estado
líquido a gaseoso. Diversos estudios han demostrado que los océanos, mares, lagos y ríos proveen alrededor del 90% de humedad a la atmósfera vía evaporación; el restante 10% proviene de la transpiración de las plantas. El calor (energía) es necesario para que ocurra la evaporación.
Una vez evaporada, una molécula de agua permanece alrededor de diez días en el aire.
TRANSPIRACIÓN :La transpiración es el proceso por el cual el agua es llevada desde las raíces hasta
pequeños poros que se encuentran en la cara inferior de las hojas, donde se transforma en vapor de agua y se libera a la atmósfera. Durante la estación de crecimiento, una hoja transpirará una cantidad de agua mucho mayor a su propio peso
Distribución global del agua Fuente de agua
Volumen de agua, en metros cúbicos
Porcentaje de agua dulce
Océanos, Mares y Bahías
1,338,000,000 --
Capas de hielo, Glaciares y Nieves Perpetuas
24,064,000 68.7
Agua subterránea 23,400,000 --
Dulce 10,530,000 30.1
Salada 12,870,000 --
Humedad del suelo 16,500 0.05
Hielo en el suelo y gelisuelo (permafrost)
300,000 0.86
Lagos 176,400 --
Dulce 91,000 0.26
Salada 85,400 --
Atmósfera 12,900 0.04
Agua de pantano 11,470 0.03
Ríos 2,120 0.006
Agua biológica 1,120 0.003
Total 1,386,000,000 -
FACTORES QUE AFECTAN AL CICLO HIDROLÓGICO :
Los cambios en el ciclo o la circulación pueden traer grandes cambios clímaticos:
la temperatura global promedio aumenta, también lo hará el nivel del mar (Miami y Nueva Orleans.
Algunos científicos creen que el aumento de la frecuencia y severidad de los eventos de El Niño en las décadas recientes, se debe a la aceleración del ciclo hidrológico, inducido por el calentamiento global.
De manera más inmediata, cada vez se hace más evidente el límite de los recursos de agua dulce de la Tierra. El agua del suelo terrestre puede tomar miles o millones de años para recargarse naturalmente y estamos usando estos recursos mucho más rápido de lo que están siendo recargados.
Las aguas de la superficie alrededor del mundo están contaminadas en gran medida por deshechos humanos y animales, sobre todo en países como India y China.
El ciclo ha sido alterado por la acción del hombre al talar los bosques, lo que provoca que el agua se precipite rápidamente al mar, haciendo que los ríos se desborden y luego se sequen, que la tierra fértil sea arrastrada y aumente la erosión, que la capa acuífera desaparezca y, por lo tanto, que el agua no se aproveche.
Las actividades industriales y el transporte emiten grandes cantidades de gases que generan el efecto invernadero en la atmósfera
¿Cómo prevenir la alteración del ciclo hidrológico?
Solamente la conservación de la naturaleza y el uso racional de sus recursos puede ayudarnos a conservar el equilibrio.
Balance Hidrológico. El tema del ciclo del agua conduce a un planteamiento matemático el balance
hidrológico, que es la contabilidad cuantitativa del ciclo hidrológico.
La ecuación para el balance hidrológico, que es la conservación en un sistema hidrológico acotado o promedio, es:
- P = Precipitación, mm /día. - R = Escorrentía. - E = Evaporación. - ∆S = Cambio en el nivel de humedad del suelo. - ∆G = Cambio en el nivel de agua subterránea.
P R E S G
La ecuación supone que no hay “flujo” entre cuencas. Así como esto es correcto para agua superficial, no siempre es posible verificar que hay flujo cero en las regiones del subsuelo entre contornos de las cuencas. Si esta ecuación se promedia a lo largo del ciclo hidrológico (en los climas puede no haber cambios significativos en ∆S o ∆G). Así que:
✪ El balance hídrico se establece normalmente para un año año hidrológico
✜ La aplicación de la fórmula lleva a una estimación, no a un cálculo definitivo; ya que por los diferentes tipos de clima, no en todos los lugares precipitará en la misma fecha ni en la misma cantidad, tampoco la evaporación será la misma; también dependerá del tipo de suelo y de paisaje, de la altitud, etc
P R E
GRAN CANARIA (ISLAS CANARIAS) :
El archipiélago está situado frente a la costa noroeste de África. Son islas de origen volcánico próximas al trópico de Cáncer.
Precipitaciones medias: Islas orientales: 100 – 300 mm.
Islas occidentales: 400 – 800 mm.
Agua en Canarias. el ciclo hidrológico se inicia cuando el vapor de agua existente en las nubes se condensa provocando una precipitación .
Alguna se evapora antes de llegar a la superficie.
Otra llega a la superficie, puede almacenarse (evaporarse), o crear escorrentías superficiales (desembocado en el mar ) y subterráneas (creando acuíferos o evotranspiración.)
La variación de los porcentajes de Infiltración de una isla a otra va a depender fundamentalmente de su morfología, vegetación, geología e hidrología superficial.
Balance Hidrológico: Gran Canaria.
Situada en la zona central del archipiélago, tiene forma redondeada de unos 50km de diámetro, una altura de 1949m y una superficie de 1554km2. El origen volcánico de la isla aumenta el problema de la obtención y el almacenamiento del agua, superficial o subterránea.
Para poder plantear el Balance Hidrológico en Gran Canaria debemos de tener en cuenta las distintas partes que están implicadas en la determinación de ellas:
Precipitaciones. Para calcular las Precipitaciones, debemos de tener en cuenta el reparto
espacial de la lluvia y la duración e intensidad de la precipitación.
Plano de Isoyetas, en el que observamos un aumento con la altura, siguiendo un eje de orientación NO-SE.
Evapotranspiración (Evaporación + Transpiración).
La evapotranspiración se mide mediante Lisímetros: También se puede obtener mediante el cálculo diario: Ecuación de Hargreaves :
Evotranspiración en mm/día * = Temperatura media diaria en ºC * = Radiación solar en mm/día Tabulada * = Temperatura diaria máxima * = Temperatura diaria mínima
ET0 0,0023(tmed 17,78)R0 (tdmax tdmin )0,5
Comparando los valores de precipitación mensuales con los de evapotranspiración, se observa en la siguiente grafica, que desde marzo hasta octubre, la evapotranspiración es mayor que la precipitación, mientras que en noviembre, diciembre, enero y febrero ocurre lo contrario.
Infiltración
El método para calcular la Infiltración seria: Horton
Tasa de infiltración inicial. = Tasa de infiltración en cualquier momento. = Tasa de infiltración final. K = Constante empírica.. t = tiempo
f fc ( f0 fc ).e kt
Escorrentías.
El 16% de las precipitaciones caídas sobre la isla forma escorrentía superficial y el 19% restante se infiltra. Estos datos expresados como un porcentaje del valor medio anual de la precipitación, son datos simplemente indicativos, dado el régimen variable de las precipitaciones.
BALANCEEn Gran Canaria las entradas y salidas de
agua se resumen a:
Entradas de agua: Precipitaciones (P): Incluyen las precipitaciones ocultas como son,
rocío, lluvia horizontal, escarcha, etc.
Salidas de agua: Evapotranspiración y evaporación (ET). Infiltraciones (I) Escorrentía
(E)
El balance quedaría:
P = ET + I + E
Sustituyendo los correspondientes datos de la Isla de Gran Canaria, aportados por el balance hidráulico anual que esponemos mas adelante, tenemos que :
P – ET – I – E = 0 466 – 304 – 75 – 87 = 0