FACULTAD DE
AGRONOMIA
UNIVERSIDAD DE LA REPUBLICA
El proceso del escurrimiento
Mario García Petillo
Unidad de Hidrología, GD Ingeniería Agrícola,
Departamento de Suelos y Aguas
[email protected]
Esquema de la charla
1.
2.
3.
4.
Introducción
El proceso del escurrimiento
Factores que lo afectan
Predicción del escurrimiento
•
•
Caudal pico
Rendimiento de agua
1. Introducción
Definición
El escurrimiento es la parte de la
precipitación que fluye sobre el terreno, o
que va a partes subterráneas, y
eventualmente, hacia mares u océanos.
Importancia de su conocimiento y manejo
•
•
•
•
Erosión
Aprovechamiento por los cultivos
Tajamares
Desagües
2. El proceso del escurrimiento
PP TOTAL
Infiltración
Exceso de PP
Escurrimiento
superficial
Escurrimiento
subsuperficial
Escurrimiento
subsuperficial
rápido
Otras extracciones
Percolación
Profunda
Escurrimiento
subsuperficial
lento
Escurrimiento directo
Escurrimiento
subterráneo
Escurrimiento de base
ESCURRIMIENTO
TOTAL
El ciclo del escurrimiento
INICIO DE LA LLUVIA
3. Factores que afectan el escurrimiento
Factores que afectan el escurrimiento
• Climáticos
o Lluvia
•
•
•
•
•
•
Intensidad
Duración
Distribución
Frecuencia
Precipitación antecedente
Agua en el suelo
Factores que afectan el escurrimiento
• Climáticos
o Intercepción
•
•
•
•
Especie
Composición
Densidad
Estado de crecimiento
Factores que afectan el escurrimiento
• Climáticos
o Evapotranspiración
•
•
•
•
Radiación
Temperatura
Velocidad del viento
Humedad relativa
Factores que afectan el escurrimiento
• Fisiográficos
o De la cuenca en sí
• Geométricos
o
o
o
o
Tamaño
Pendiente
Forma
Longitud de la pendiente
Factores que afectan el escurrimiento
• Fisiográficos
o De la cuenca en sí
• Físicos
o
o
o
o
Condiciones de la superficie del suelo
Uso del suelo
Drenaje interno
Permeabilidad
Factores que afectan el escurrimiento
• Fisiográficos
o De la red de drenaje
• Capacidad de carga
o Sección
o Pendiente
o Rugosidad
Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia
Lluvia relación intensidad/duración/frecuencia
Sub-regiones pluviométricas del Uruguay
htT ,r

1
 34,6 * 1  0,707 * log
1

1  1  r  T


 * t 0.465


Curvas Intensidad, Duración, Frecuencia (IDF)
Índice de Precipitación Antecedente (IPA)
(Shaw, 1963)
P1 P 2 P3 P 4 P5 P6
IPA 





d1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6
Día
PP
di
18/12
0
8
19/12
17
7
20/12
30
6
21/12
0
5
22/12
20
4
IPA = 25
23/12
0
3
24/12
0
2
25/12
15
1
26/12
75
0
Índice de Precipitación Antecedente (IPA)
(Shaw, 1963)
Intercepción
Intercepción de la lluvia por un monte de Eucaliptus
L. Martínez y P. Durán (2002)
Medidas promedio de 9 meses
Árboles de 7 años de edad
•
•
•
•
Precipitación total
Precipitación directa
Precipitación fustal
Intercepción
176 mm/mes
156 mm/mes
13 mm/mes
7 mm/mes (4%)
Efecto de la pendiente
V f(h0.5)
EC f(V2)
Cant f(V5)
Tam f(V6)
> pendiente, > V, < tiempo para infiltrar, > escurrimiento
V*2
V*2
V*2
EC*4
Cant*32
Tam*64
Efecto del tipo de suelo
Planosol – Horizonte A Fr.Ar., profundidad 50 cm, AD 62 mm
Brunosol – Horizonte A Fr.Arc., profundidad 20 cm, AD 40 mm
Lluvias - Verano 69/70 162 mm (p<1%)
- Verano 70/71 688 mm (p<7%)
Efecto del laboreo
Efecto del laboreo
INIA La Estanzuela – promedio de 9 años
Relación de caudales pico (L. Silveira et al, 2003)
Relación de volúmenes específicos escurridos
Modificación de los coeficientes de escorrentía por
el desarrollo forestal (Silveira y Alonso, 2004)
Tendencias de Coeficientes de escorrentía anual
Efecto de la red de drenaje
Capacidad de carga (factores de la fórmula
de Manning)
Cuenca
Es toda superficie del terreno limitada por
divisorias de agua
Cuenca chica
•
•
•
•
•
•
Menos de 1000 km2 (100.000 has)
La mayoría del esc sobre el terreno
No hay efecto de retardo
Picos de esc muy cerca de picos de pp
Sensible a cambios de uso del suelo
Sensible a lluvias intensas y cortas
Cuenca grande
•
•
•
•
Mayor de 1000 km2
Importante efecto de los cursos de agua
Retardo del escurrimiento
Importante papel de almacenamiento de
aguas de drenaje
4. Predicción del escurrimiento
4.1. Caudal pico de escurrimiento
Selección del método de cálculo
• Si TdeC < 20’
Método Racional
• Si TdeC > 20’ y Ac > 400 há
Método S.C.S.
• Si TdeC > 20’ y Ac < 400 há
Ambos métodos
Método Racional (C.E.Ramser, 1927)
•Conceptos básicos
•Supuestos en que se basa
C. I(m/h). A(m 2 )
3
Q MAX (m /s) 
3600
Coeficiente C: Para obtener el coeficiente de escorrentía “C” de tabla, es
necesario estimar la pendiente de la cuenca y fijar el período de retorno a
utilizar
 L.C.N x IV
Pendiente
Area Cuenca
L.C.N. = Longitud de las curvas de nivel (m)
I.V. = intervalo vertical (m) entre las curvas de nivel
Area de la cuenca (m2)
Período de Retorno (T)
1
T
1  (1  r)(1/vu)
T = Período de retorno
r = Riesgo asumido
vu = Vida útil de la obra
Criterios de diseño generalizado para estructuras de control de agua
(Período de Retorno)
1. Presas con poca probabilidad de pérdida de vidas
1.1. Presa pequeña
1.2. Presa mediana
1.3. Presa grande
Volumen (m3 *
10)
Altura (m)
P.R. (años)
60 - 1.250
7.60 – 12.20
50 – 100
1.250 - 61. 650
12.20 - 30.50
100 - +
61.650 - +
30.50 - +
E.L.V.
2. Alcantarillas
5 – 10
3. Drenaje agrícola
5 – 50
Fuente: adaptados de Chow, V.T., Hidrología Aplicada
RELACIONES LLUVIA/ESCURRIMIENTO
Coeficientes de escorrentía “C” para ser usados en el Método Racional.
Fuente: Chow, V.T., 1994. Hidrología aplicada. Los valores son los utilizados en Austin, Texas.
Tormenta de diseño Es la máxima intensidad de lluvia (I)
para una duración igual al tiempo de concentración (Tc) de la
cuenca, para un determinado período de retorno (T).
TIEMPO DE CONCENTRACIÓN
1.
Método de V. T. Chow
Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente
Condiciones de la superficie
Pendiente (%)
0-3
4-7
8 –11
12 - +
Bosques
0 - 0.46
0.46 - 0.76
0.76 - 0.99
0.99 - +
Pasturas
0 - 0.76
0.76 - 1.07
1.07 - 1.30
1.30 - +
Cultivos
0 - 0.91
0.91 - 1.37
1.37 - 1.67
1.67 - +
Pavimentos
0 - 2.59
2.59 - 4.11
4.11 - 5.18
5.18 - +
Canales naturales mal definidos
0 - 0.61
0.61 - 1.22
1.22 - 2.13
2.13 - +
Canales naturales bien definidos
Calcular por fórmulas
Flujo no concentrado
Flujo concentrado
Tc = D / V
2.1 Método de Ramser y Kirpich (para flujo concentrado)
Tc = 0.0195 L 0.77 S -0.385
Donde:
Tc - tiempo de concentración (minutos)
L - longitud hidráulica de la cuenca en (m) (mayor trayectoria de flujo)
S - pendiente (m/m)
2.2 Método del S.C.S. (para flujo no concentrado)
Tc = 0.91134 *  (L k (S-0.5))
Donde.
Tc - tiempo de concentración (horas)
L - longitud hidráulica de la cuenca en (Km) (mayor trayectoria de flujo)
S - pendiente (%)
K - coeficiente de cobertura del suelo
Coeficiente K del método del SCS
Cobertura del suelo
K
Bosques con espeso mantillo sobre el suelo
3.953
Barbecho de hojarasca o cultivos de mínimo laboreo
2.020
Pasturas
1.414
Cultivos en línea recta
1.111
Suelo prácticamente desnudo y sin arar
1.000
Vías de agua empastadas
0.666
Área impermeable
0.500
Caudal pico de escorrentía
C. I(m/h). A(m 2 )
3
Q MAX (m /s) 
3600
Volumen total de escorrentía
V
 4810 x Q
x Tc
esc
max
Vesc = m3
Qmáx= m3/s
Tc = horas
Ejemplo
•
•
•
•
•
Área de la cuenca: 50 has
Pendiente promedio: 5%
Cobertura del suelo: pasturas naturales
Máximo recorrido del flujo: 900 m
Ubicación: Young
Coeficiente C de escurrimiento
Características de la superficie
Período de retorno (años)
2
5
10
25
50
100
500
Plano, 0-2%
0.31
0.34
0.36
0.40
0.43
0.47
0.57
Promedio, 2-7%
0.35
0.38
0.41
0.44
0.48
0.51
0.60
Pendiente, superior a 7%
0.39
0.42
0.44
0.48
0.51
0.54
0.61
Plano, 0-2%
0.25
0.28
0.30
0.34
0.37
0.41
0.53
Promedio, 2-7%
0.33
0.36
0.38
0.42
0.45
0.49
0.58
Pendiente, superior a 7%
0.37
0.40
0.40
0.46
Plano, 0-2%
0.22
0.25
0.28
0.31
0.35
0.39
0.48
Promedio, 2-7%
0.31
0.34
0.36
0.40
0.43
0.47
0.56
Pendiente, superior a 7%
0.35
0.39
0.41
Area de cultivos
Pastizales
0.49
0.53
0.60
Bosques
0.45
0.48
0.52
0.58
Tiempo de concentración
Velocidad del agua en función de la cobertura y la pendiente
Condiciones de la superficie
Pendiente (%)
0-3
4-7
8 –11
12 - +
Bosques
0 - 0.46
0.46 - 0.76
0.76 - 0.99
0.99 - +
Pasturas
0 - 0.76
0.76 - 1.07
1.07 - 1.30
1.30 - +
Cultivos
0 - 0.91
0.91 - 1.37
1.37 - 1.67
1.67 - +
Pavimentos
0 - 2.59
2.59 - 4.11
4.11 - 5.18
5.18 - +
Canales naturales mal definidos
0 - 0.61
0.61 - 1.22
1.22 - 2.13
2.13 - +
Canales naturales bien definidos
Calcular por fórmulas
Flujo no concentrado
Flujo concentrado
900 m / 0.86 ms-1 = 1046 s = 17 min 44 s = 0.29 h
Intensidad máxima de la lluvia
88 mm
1.18
25
0.35
0.29
P(d,Tr) = P(3,10) * CT(Tr) * CD(d)
I (mm/h) = P(d,Tr) / d
P(0.29,25) = 88 * 1.18 * 0.35 = 36 mm
I = 36 / 0.29 = 124 mm/h = 0.124 m/h
2)
C.
I(m/h).
A(m
Q MAX (m 3 /s) 
3600
Q = 0.42 * 0.124 m/h * 500.000 m2 / 3600
Qmáx = 7.23 m3/s = 7230 l/s
V
 4810 x Q
x Tc
esc
max
Vol total = 4810 * 7.23 * 0.29 = 10.085 m3
Método del S.C.S.
Números de las curvas de escurrimiento para complejos hidrológicos cubierta- suelo para
antecedentes de condiciones de lluvia e Ia =0.2S
Grupo hidrológico de suelo
Uso del suelo o cubierta
Barbecho
Cultivo en surcos
Grano pequeño
Leguminosas sembradas al
voleo o pradera de rotación
Método o tratamiento
Condición hidrológica
A
B
C
D
Surco recto
________
77
86
91
94
Surco recto
Deficiente
72
81
88
91
Surco recto
Buena
67
78
85
89
Cultivo en contorno
Deficiente
70
79
84
88
Cultivo en contorno
Buena
65
75
82
86
Terraza
Deficiente
66
74
80
82
Terraza
Buena
62
71
78
81
Surco recto
Deficiente
65
76
84
88
Surco recto
Buena
63
75
83
87
Cultivo en contorno
Deficiente
63
74
82
85
Cultivo en contorno
Buena
61
73
81
84
Terraza
Deficiente
61
72
79
82
Terraza
Buena
59
70
78
81
Surco recto
Deficiente
66
77
85
89
Surco recto
Buena
58
72
81
85
Cultivo en contorno
Deficiente
64
75
83
85
Cultivo en contorno
Buena
55
69
78
83
Terraza
Deficiente
63
73
80
83
Terraza
Buena
51
67
76
80
Uso del suelo o cubierta
Método o tratamiento
Condición
hidrológica
Grupo hidrológico de
suelo
A
B
C
D
Deficiente
68
79
86
89
Regular
49
69
79
84
Buena
39
61
74
80
Cultivo en contorno
Deficiente
47
67
81
88
Cultivo en contorno
Regular
25
59
75
83
Cultivo en contorno
Buena
6
35
70
79
Buena
30
58
71
78
Deficiente
45
66
77
83
Regular
36
60
73
79
Buena
25
55
70
77
Granjas
59
74
82
86
Carreteras y derecho de vía
(superficie dura)
74
84
90
92
Pastizal o terreno de pastoreo
Pradera (permanente)
Forestal (terrenos agrícolas
con árboles)
Definición de los grupos de suelo
1. Volumen de escorrentía
(P(TC12/7)  0.2 S) 2
V

x Ac x 10
esc
P(TC12/7)  0.8 S
S =(25400 / NC) -254
P(Tc 12/7) = precipitación con d = Tc x 12/7 (mm)
V esc = Volumen escurrido (m3)
Ac = Área de la cuenca (há)
NC = Número de curva
S = Retención máxima (mm)
2. Caudal máximo
Qmax
qmax
(1.223  (0.2s/P(Tc) ) 2
 0.786
(1.223  (0.8S/P(Tc) )
qmax
 0.310
x PTc x Ac x 10 2
Tc
q max = caudal unitario específico (m3/s/mm/ha)
Q max = Caudal máximo (m3/s)
P(Tc) = Precipitación con d = Tc (mm)
Tc = Tiempo de concentración (horas)
EJEMPLO DE CALCULO DE QMAX Y Vesc
2. UBICACIÓN – Paysandu
AREA: 500 hás
Vegetación: pastura
TC: 1.3 h
Tipo de suelo: C
METODO DEL SCS
NC = 74 – S = (25400/74)- 254 = 89
TC * 12/7 = 1.3 * 12/7= 2.23h
Cd (2.23) = 0.88
CD (1.3) = 0.69
CT (25) = 1.18
P(2.23; 25) = 90*0.88*1.18 =93mm
P(1.30;25) 90 * 0.69 * 1.18 = 73mm
V esc = (93 – 0.2 * 89)2 * 500 * 10 = 172200 m3
(93 + 0.8*89)
Qmax = 0.786 * ( 1.223 – (0.2*89/73)2 = 0.343 m3/s/mm/há
1.223 + (0.8 * 89 / 73)
Qmax = 0.310 * 0.343/1.3 *73 * 500/100 = 29.85 m3/s
4. Predicción del escurrimiento
4.2. Rendimiento de agua
Balance Hídrico – Modelo Precipitación –
Escurrimiento de paso Mensual
Precipitación (P)
Evapotranspiración (ETR)
Excedente (T)
P - T
Suelo
(H(Hmax))
Aporte Superficial
(Asup)
Escorrentia
Total (AT)
Infiltración
(I (Imax))
Aporte Subterráneo
(Asub)
Almacenamiento
Subterráneo
(V)
Balance Hídrico – Modelo Precipitación –
Escurrimiento de paso Mensual
si Pi  Poi
Ti = 0
( Pi  Poi ) 2
Ti 
Pi   i  2Poi
siPi  Poi
i = HMax – Hi-1 + ETP
HMax = CAD * AD
Poi = CPo (HMax – Hi-1)
Hi = MAX ( 0; Hi-1 + Pi – Ti – ETPi )
ETRi = min(ETPi; Hi-1 +Pi – Ti,)
I i  I max
Ti
Ti  I max
A sup i= Ti – Ii
A subi = V i-1 - Vi + Ii
A Ti = A sup i + A sub i
infiltración al almacenamiento subterráneo
escurrimiento superficial
aporte subterráneo
escorrentia Total
Vi  Vi 1 * e
Qi  Qi 1 * e
t
t
 I i *e
t
2
  *I i*t * e

t
Calibración del modelo en Uruguay(12 cuencas):
CAD: 0.916
CP0 = 0.30
 = 2.325
IMAX = 386
ETP Penman = 1.38* ETP Thornthwaite
Isolíneas de evapotranspiración media anual (ETPm , mm/mes)
y ciclo anual medio de evapotranspiración (ETPi/ETPm).
Coeficiente de distribución del ciclo anual
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
1.88
1.56
1.37
0.88
0.58
0.36
0.37
0.47
0.61
0.94
1.25
1.72
Descargar

El proceso del escurrimiento