IS 3

¿Objetivo estudio hidrológico?. Estimar un caudal o mejor aún un hidrograma de caudal asociado a un determinado periodo retorno o frecuencia ocurrencia. Para ello nos valdremos del conocimiento previo que tengamos de cuenca estudio en lo que se refiere a su meteorología y a sus características físicas. Generalmente cuando se encara un estudio hidrológico objetivo del hidrólogo es el de estimar una precipitación asociado a un determinado periodo retorno. Para ello nos valdremos del conocimiento previo que tengamos de cuenca estudio en lo que se refiere a su meteorología y a sus características físicas. Generalmente cuando se encara un estudio hidrológico objetivo del hidrólogo es el de estimar un caudal sin frecuencia ocurrencia y solo con meteorología. Para ello nos valdremos del conocimiento previo que tengamos de cuenca estudio en lo que se refiere a su meteorología y a sus características físicas.

¿Qué te da la meteorología de la cuenca y su entorno?. Pluviogramas, hietogramas y tormentas de proyecto por zonas. Hidrogramas unitarios sintéticos de la cuenca. Caudales punta para cada periodo retorno. Coeficientes de escorrentía mensuales.

¿Qué te da la física de cuenca?. Procesos hidrológicos y estimación de pérdidas. Precipitación de proyecto para cada estación. Caudales observados en la estación aforo. Hietogramas de proyecto para cada zona.

¿Qué pasa si tienes muchas estaciones con datos de precipitación?. Puedes hacer tantas tormentas proyecto como estaciones, cada una a su porción influencia. Solo puedes hacer una tormenta para toda la cuenca. No puedes hacer ninguna tormenta de proyecto. Debes promediar y hacer una única tormenta.

¿Método Racional qué calcula?. Solo caudal punta, no hidrograma completo que se harán con métodos más complejos. Hidrograma completo, no solo caudal punta que se harán con métodos más complejos. Solo pérdidas por infiltración y retención. Solo precipitación efectiva de la tormenta.

¿Método más usado para hidrogramas?. Hidrograma Unitario de Sherman años 30. Método de la Onda Cinemática urbano. Método de los Depósitos en cascada. Método del SCS con número de curva.

¿Qué modelo usas en zona urbana con datos?. Onda Cinemática basado en ecuaciones flujo. Método Racional de caudal punta constante. Índice φ de pérdidas constantes y medias. Modelo de depósitos.

¿Qué es hidrograma de caudal?. Gráfica o tabla que describe caudal vs tiempo en un lugar dado de la corriente. Gráfica que describe precipitación vs tiempo en un lugar dado de la corriente. Tabla que describe evaporación vs tiempo en un lugar dado de la corriente. Gráfica que describe infiltración vs tiempo en un lugar dado de la corriente.

¿Qué es hidrograma anual?. Balance a largo plazo de precipitación, evaporación y caudal en una cuenca. Balance a corto plazo de solo precipitación y caudal. Balance diario de solo evaporación y caudal. Balance mensual de solo precipitación.

¿Capacidad de la cuenca?. Volumen total de agua bajo hidrograma anual. Volumen de precipitación anual de cuenca. Caudal punta del hidrograma de tormenta. Caudal base del hidrograma perenne.

¿Tipos hidrogramas según clima y la fuente de donde procede la escorrentia?. Perenne, Efímero y Fusión nival. Perenne, Intermitente y Efímero. Lluvia, Nival y Mixto solamente. Anual, Mensual y Diario solamente.

Régimen Perenne: Clima Húmedo, Capacidad: mayoría flujo base, Fuente: subsuperficial infiltración. Clima Árido, Capacidad: escorrentía directa tormentas grandes. Clima Montaña, Capacidad: Primavera y ppios Verano, Fuente: deshielo. Clima Húmedo, Capacidad: escorrentía directa, Fuente: deshielo.

Régimen Efímero: Clima Árido, Capacidad: escorrentía directa de tormentas grandes, Fuente: escorrentía directa. Clima Húmedo, Capacidad: mayoría flujo base, Fuente: subsuperficial. Clima Montaña, Capacidad: Primavera y Verano, Fuente: deshielo. Clima Árido, Capacidad: mayoría flujo base, Fuente: infiltración.

Régimen Fusión nival: Clima Montaña, Capacidad: Primavera y principios Verano, Fuente: deshielo. Clima Árido, Capacidad: tormentas grandes, Fuente: directa. Clima Húmedo, Capacidad: flujo base, Fuente: subsuperficial. Clima Montaña, Capacidad: Invierno, Fuente: lluvia.

Nota importante fusión nival: Puede presentarse asociado a uno de los otros dos. Nunca se presenta asociado a otros. Solo se presenta con régimen perenne. Solo se presenta con régimen efímero.

¿Hidrograma de tormenta?. Hidrograma producido por un solo evento lluvia, o lluvia + fusión nival. Hidrograma producido por balance anual precipitación y evaporación. Hidrograma producido solo por flujo base sin lluvia. Hidrograma producido por evaporación anual de cuenca.

Figura 5.2 ¿Qué muestra?. Componentes de hidrograma tormenta: caudal vs tiempo, punto C caudal punta. Hidrograma anual con caudal medio diario.

Recesión flujo base AB: Parte inicial antes de tormenta, flujo de almacenamiento terreno, respuesta lenta. Rama ascendente de concentración de tormenta. Pico o punta del hidrograma de avenida. Rama descendente de descarga de tormenta.

Escorrentía directa BC: Rama ascendente o de concentración hasta pico. Recesión del flujo base inicial AB. Recesión del flujo base final DE. Flujo base por infiltración subsuperficial.

Punto C: Pico o punta B, caudal punta de avenida. Inicio de escorrentía directa. Fin de escorrentía directa. Inicio de recesión flujo base AB.

Escorrentía directa CD: Rama descendente o de descarga después del pico. Rama ascendente de concentración BC. Recesión flujo base AB inicial. Flujo base almacenamiento terreno.

Recesión flujo base DE: Parte final después de tormenta, vuelve a flujo base lento. Parte inicial antes de tormenta AB. Rama ascendente BC de escorrentía. Pico punta C de caudal máximo.

Flujo base vs escorrentía directa: Flujo base: viene de almacenamiento terreno, respuesta muy lenta. Escorrentía directa: superficial, forma pico avenida, por encima flujo base. Flujo base: superficial rápido que forma pico. Directa: lenta de terreno. Ambos son superficiales y rápidos. Ambos son de almacenamiento lento.

¿Qué hay que separar?. Dado hidrograma observado, determinar qué parte es escorrentía directa y qué parte flujo base con métodos más o menos exactos. Dado hidrograma, determinar solo precipitación total. Dado hidrograma, determinar solo evaporación total. Dado hidrograma, no separar nada, usar total.

¿Técnica más usada para separación del flujo base?. Curva de abatimiento normal de Horton 1933, decaimiento exponencial. Método de línea recta B-D solamente. Método de flujo base fijo con N fijo. Método de pendiente variable con inflexión.

Otros 3 métodos separación del flujo base: Línea recta, flujo base fijo y pendiente variable. Horton, Green-Ampt y Philip solamente. SCS, Racional y Horton solamente. Índice φ, P0 y Horton solamente.

Método línea recta (a) Figura 5.3: Unir con línea recta punto B y punto D. Proyectar flujo base hasta pico y luego a N. Proyectar hasta pico y extrapolar atrás desde inflexión. Unir punto A con punto C con recta.

Método flujo base fijo (b) Figura 5.3: Escorrentía superficial termina a tiempo fijo N después pico. Flujo base antes escorrentía se proyecta hasta pico y desde allí recta hasta instante N después pico. N=0,8·A^0,2 (A en km², N en días). Unir punto B y punto D con línea recta directamente. Extrapolar flujo base después cese hacia atrás hasta inflexión. Usar curva decaimiento exponencial de Horton.

Método pendiente variable (c) Figura 5.3: Curva flujo base antes escorrentía directa se proyecta hasta pico. Curva flujo base después cesar escorrentía se extrapola hacia atrás hasta punto inflexión en rama descendente hidrograma y con recta se unen extremos de dos líneas. Unir B y D con línea recta simple. Proyectar flujo base antes hasta N fijo después pico. Usar solo decaimiento exponencial sin proyección.

Origen y uso método racional: Siglo XIX segunda mitad, muy criticado pero más usado, alcantarillado prediseño, cuencas pequeñas urbanas y drenaje carreteras, amplia difusión por simplicidad, tener en cuenta limitaciones. Siglo XX años 30, poco usado, solo cuencas grandes rurales, difusión por complejidad. Siglo XIX primera mitad, no criticado, solo para embalses grandes. Siglo XX años 90, solo para fusión nival en montaña.

Experiencia y versión España del método racional: Mucha experiencia acumulada y datos experimentales de variedad cuencas, metodologías regionales corrigen imprecisiones por no cumplir hipótesis. En España versión DGC (MOPU 1990) modificada con datos cuencas naturales instrumentadas Témez 1991. Poca experiencia, sin datos experimentales, sin versiones regionales. Versión solo americana sin adaptación España.

Definición coeficiente escorrentía C: Relación entre volumen agua sale cuenca por escorrentía superficial y volumen entra por precipitación. Si pérdidas (interceptación, infiltración...), caudal salida menor que IA. Relación entre evaporación y precipitación solamente. Relación entre infiltración y precipitación solamente. Relación entre caudal punta y caudal base.

Hipótesis fundamentales - intensidad del método racional: Intensidad precipitación uniforme en tiempo y espacio, hietograma rectangular I x Tc Figura 5.4, superficie cuenca no muy extensa, cuanto más amplia menos probable constante, límite máximo área 1 km². Intensidad variable en tiempo y espacio, área sin límite. Intensidad uniforme pero área mínima 100 km². Intensidad no uniforme, hietograma triangular.

Hipótesis - duración lluvia método racional: Duración lluvia = Tc tiempo que tarda toda cuenca en contribuir escorrentía, coincide con caudal máximo, intensidad constante toda duración, conveniente Tc menor posible, cuanto mayor duración menos probable constante, algunos autores Tc máximo 1 hora. Duración lluvia = 2xTc siempre, sin límite. Duración lluvia = 0,5xTc siempre. Duración lluvia independiente de Tc.

Hipótesis - coeficiente C método racional: C se mantiene uniforme en tiempo y área drenante, lluvia neta = C x I x Tc, hipótesis que menos se cumplirá para superficies grandes con diferentes características vegetación, terreno, pendiente, impermeabilidad, pero puede dividirse cuenca en subcuencas. C variable en tiempo pero uniforme en área. C uniforme pero lluvia neta = I x Tc. C no existe en método racional.

¿Variable menos precisa racional?. Coeficiente escorrentía C, proceso pérdidas por varios mecanismos naturaleza diferente. Área cuenca A, muy precisa siempre. Intensidad I, muy precisa siempre. Tiempo concentración Tc, muy preciso.

¿Mecanismos pérdidas que representa C?. Intercepción, infiltración, almacenamiento depresiones, evaporación, evapotranspiración. Solo evaporación y evapotranspiración. Solo infiltración profunda. Solo intercepción vegetal.

¿Función de qué es C?. Uso suelo, tipo suelo, pendiente terreno. Solo área cuenca en km². Solo periodo retorno sin suelo. Solo intensidad lluvia sin suelo.

¿Intensidad lluvia cómo afecta C?. A mayor intensidad, menores pérdidas, aumento C, varía con periodo retorno. A mayor intensidad, mayores pérdidas, disminuye C, no varía con periodo retorno.

Ábacos conversión C Figura 5.5: Conversión C para diferentes periodos retorno tomando base T=10 años. Conversión Pd para diferentes áreas. Conversión Tc para diferentes pendientes. Conversión I para diferentes duraciones.

Topografía terreno ¿cómo influye C?. Infiltración y almacenamiento en depresiones es menor cuanto mayor pendiente, aumenta C. A mayor pendiente mayor infiltración, disminuye C. Pendiente no influye en C. Solo influye uso del suelo, no pendiente.

Proximidad nivel freático: Otro factor que influye en coeficiente escorrentía. No influye en coeficiente escorrentía. Solo influye en evaporación. Solo influye en precipitación.

¿Cuántas variables principales influyen en el coeficiente de escorrentia?. 6 variables: uso, tipo suelo, pendiente, intensidad/T, nivel freático, topografía/depresiones. 2 variables: solo área y pendiente. 1 variable: solo uso del suelo. 3 variables: solo Pd, Po e I.

Definición Tiempo de concentración (Tc): Tiempo que tarda gota más alejada hidráulicamente hasta salida cuenca. Tiempo que tarda lluvia total en infiltrarse. Duración total de la tormenta. Tiempo entre inicio lluvia y pico hidrograma.

Tc depende de geomorfología: Forma, pendiente media, cubierta vegetal, densidad drenaje, suelo, etc. Solo área de cuenca en km². Solo longitud del cauce principal. Solo uso del suelo urbano.

Tc depende también de: Intensidad lluvia porque velocidad agua depende caudal escorrentía generado. Solo de la pendiente media. Solo de la evaporación. No depende de lluvia nunca.

¿De qué depende I media máxima?. Viene determinado por la duración de la lluvia que será el Tc y periodo retorno T seleccionado. Solo del área de cuenca. Solo del uso del suelo. Solo de la pendiente media.

¿Qué curvas necesitamos para determinar la intensidad media máxima?. Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia IDF de la región de estudio. Curvas Área-Pendiente-Frecuencia. Curvas Caudal-Duración-Frecuencia. Curvas Po-Pd-Frecuencia.

¿Cómo se obtienen curvas IDF?. Hietogramas registrados en estaciones pluviométricas durante tiempo extenso. Solo con fórmula teórica sin datos.

Si no hay datos locales IDF: Usar curvas IDF sintéticas DGC válidas para todo estado español. Usar Po = 15 mm siempre.

Parámetros a calcular del método racional: Coeficiente de escorrentía, tiempo de concentración, intensidad media máxima y área de drenaje. Coeficiente de escorrentía, tiempo de concentración y intensidad media máxima.

Método racional estará limitado a: Áreas menores a 1 km² para cumplir hipótesis de lluvia de intensidad constante en el tiempo y espacio. Áreas menores a 10 m² solo. Áreas hasta 10000 km² sin límite. Áreas hasta 3000 km² sin coeficiente.

DGC permite usar método el método en áreas: Hasta 3000 km² aplicando coeficiente uniformidad. Hasta 38 km² solamente. Solo hasta 1 km² igual que puro.

Coeficiente DGC tiene en cuenta: Incumplimiento hipótesis uniformidad intensidad lluvia durante Tc. Solo pendiente ≥3% o <3%. Solo tipo de suelo grupo A-D.

1º Error más destacable de la aplicación del método racional en subcuencas: Calcular Q individual por subcuenca y sumarlos aguas abajo no correcto. Calcular Q con una sola I global es incorrecto. Sumar áreas y luego calcular Q es incorrecto.

¿Por qué no se puede sumar Qi?. Tc cada subcuenca no es mismo ni igual Tc cuenca completa implicaría lluvias diferentes. Porque C no se puede ponderar. Porque áreas no se pueden sumar nunca. Porque I siempre es constante.

2º Error más destacable de la aplicación del método racional en subcuencas: Elección inadecuada del Tc para cada punto. Tc debe ser valor máximo entre todos posibles caminos escorrentía. Elección inadecuada del Tc para cada punto. Tc debe ser valor mínimo entre caminos. Elección inadecuada del Tc para cada punto. Tc debe ser valor medio caminos. Elección inadecuada del Tc para cada punto. Tc no influye en subcuencas.

¿Qué pasa si tomas Tc inferior al real?. Sobrevaloras caudales porque I mayor con Tc corto. Infravaloras caudales porque I menor.

Para punto cálculo aguas abajo con N subcuencas: Calculas Tc de cada camino hasta salida y tomas máximo, con ese sacas I. Calculas Tc de cada subcuenca y sumas Qi con Ii diferente. Tomas Tc más corto para ser conservador. Tomas Tc = 1 hora fijo.

¿Puede Qmax ser mayor en intermedio que en salida?. Sí, en cuencas forma extraña puede darse Q intermedio > Q salida. No, siempre Q máximo en salida. No, siempre Q máximo aguas arriba.

¿De qué depende que Q disminuya aguas abajo?. Compite I que baja con Tc vs CA que sube, si CA sube poco Q baja. Solo depende de C. Solo depende de A.

Figura 5.9 superior normal: CA crece uniformemente aguas arriba → aguas abajo Q crece siempre. CA decrece siempre.

Figura 5.9 inferior problema: Zona donde CA aumenta a tasa menor que en otras → Q disminuye aguas abajo aunque A aumenta. CA aumenta a tasa mayor siempre. I aumenta aguas abajo.

Figura 5.10 cuenca alargada estrecha arriba ancha abajo: Q cuenca completa < Q solo parte baja porque Tc largo I baja no compensa CA. Q cuenca completa > Q parte baja siempre. Q igual en todos puntos. Tc no influye en I.

Si diseñas encauzamiento en estas cuencas ¿qué haces?. Calculas Q en varios puntos singulares variación brusca CA y diseñas con mayor Q obtenido. Calculas Q solo en salida. Calculas Q solo aguas arriba.

Definición Hidrograma unitario Sherman 1932: Es el hidrograma de escorrentía directa causado por lluvia efectiva unitaria (1cm o 1mm) intensidad constante distribuida uniforme a lo largo de la duración y distribuida en un area. Hidrograma escorrentía directa causado por cualquier lluvia sin límite. Hidrograma caudal base solamente. Hidrograma precipitación diaria.

¿Qué tiene el Hidrograma unitario con respecto al método racional?. HU tiene en cuenta, además del area y la intensidad. Añade forma, pendiente y rasgos fisiográficos implícitos. HU ignora forma, pendiente y rasgos fisiográficos implícitos. HU solo añade la lluvia y nada más que la lluvia total.

Hipótesis 1 del método del HU: Cuenca lineal con proporcionalidad y superposición válidas. Cuenca no lineal sin proporcionalidad ni superposición válida. Cuenca estática sin respuesta y sin flujo posible en cauce. Cuenca cerrada sin salida y sin caudal posible de evacuar.

Hipótesis 2 del método del HU: Misma lluvia neta genera siempre idéntico hidrograma directo. Misma lluvia neta genera siempre distinto hidrograma directo. Distinta lluvia neta genera siempre idéntico hidrograma base. Ninguna lluvia neta genera nunca ningún hidrograma posible.

Condición 1 de hipótesis de HU: intensidad de lluvia efectiva: Intensidad constante, duración corta, pico único y base corta. Intensidad variable, duración larga, pico doble y base larga. Intensidad nula, duración nula, sin pico y sin base definida. Intensidad máxima, duración infinita, pico plano y base nula.

Condición 2 de hipótesis de HU: distribución espacial: Lluvia uniforme, área < 300-400 km2 o dividir en subcuencas. Lluvia puntual, área > 3000 km2 sin dividir nunca en partes. Lluvia lineal, área = 1 km2 exacta sin dividir en subcuencas. Lluvia nula, área = 0 km2 sin necesidad de dividir en nada.

Condición 3 de hipótesis de HU: tiempo base: Tbase cte si igual duración, independiente de I, si De < Tc/5. Tbase variable si igual duración, dependiente de I, si De > Tc. Tbase nulo si distinta duración, dependiente de Po y de Pd. Tbase infinito si igual área, dependiente de A y de C medio.

Condición 4 de hipótesis de HU: invarianza en el tiempo: HU único e invariante, cauce estable y sin embalses notables. HU múltiple y variable, cauce inestable y con embalses grandes. HU nulo e inexistente, cauce seco y con desiertos notables. HU aleatorio y caótico, cauce móvil y con presas enormes.

Principio de proporcionalidad: A igual De, V lluvia = V directa prop a I, Q prop a I lluvia. A distinta De, V lluvia = V base no prop a I, Q no prop a I. A igual De, V lluvia = 0 no prop a I, Q nulo sin relación a I. A igual área, V lluvia = V total no prop a I, Q cte sin rel I.

¿Qué pasa si Pe se duplica con misma De?. Volumen doble y ordenadas Q del HU también se duplican. Volumen mitad y ordenadas Q del HU también se reducen. Volumen nulo y ordenadas Q del HU se anulan totalmente. Volumen cte y ordenadas Q del HU se mantienen constantes.

¿Por qué Q es proporcional a I?. Misma De tiene mismo Tbase, luego Q ordenadas prop a I neta. Distinta De tiene distinto Tbase, luego Q no prop a I neta. Misma área tiene mismo C, luego Q no prop a I neta nunca. Distinta área tiene distinto Po, luego Q no prop a I neta.

Principio de superposición: Q total = suma Q de HUs individuales desplazados en tiempo. Q total = resta Q de HUs individuales solapados en tiempo. Q total = producto Q de HUs individuales anulados en tiempo. Q total = división Q de HUs individuales aislados en tiempo.

¿Para qué se usan ambos principios?. Para obtener ecuación de convolución discreta del HU total. Para obtener ecuación de dilución continua del HU parcial. Para obtener ecuación de infiltración nula del HU básico. Para obtener ecuación de evaporación total del HU inverso.