Tema 6 Escorrentía PDF

Dpto. de Geología Tema 6: Escorrentía Dr. Pedro Huerta 1.- Introducción La escorrentía superficial es la parte de la precipitación que no se infiltra y no es devuelta a la atmósfera, (lluvia eficaz) y que corre por la superfic...

Dpto. de Geología Tema 6: Escorrentía Dr. Pedro Huerta 1.- Introducción La escorrentía superficial es la parte de la precipitación que no se infiltra y no es devuelta a la atmósfera, (lluvia eficaz) y que corre por la superficie del terreno por gravedad. Este proceso es probablemente el proceso más importante desde el punto de vista de la ingeniería. La mayoría de los estudios en ingeniería están enfocados al aprovechamiento de las corrientes de agua y a la prevención y protección de las inundaciones. La escorrentía está constituida por diversas contribuciones: Flujo subsuperficial o hipodérmico: Es la parte del agua que tras haberse infiltrado circula por las capas superiores del suelo, y cuando las condiciones topográficas del suelo lo permiten vuelve a aparecer en la superficie. Flujo subterráneo: consiste en la aportación de los acuíferos al flujo superficial. Estas aportaciones son las surgencias, los manantiales, fuentes, etc. Este flujo es el responsable del caudal de los ríos después de las precipitaciones. Precipitación directa: Es aquella que cae directamente sobre la lámina que está escurriendo. Esta precipitación se incorpora directamente y en su totalidad a la escorrentía. 2.- Variables que caracterizan la escorrentía La escorrentía superficial la podemos caracterizar por medio de varios parámetros para indicar su cantidad y su calidad. 2.1.- Caudal: Es el volumen de agua que pasa por una determinada sección por unidad de tiempo. Q=V/t, sus unidades son generalmente l/s o m3/s. El caudal lo podemos indicar como caudal máximo, mínimo o medio. 2.1.- Caudal específico: es el caudal divido por el área de la cuenca, se da en l/s/km2, ó m3/s/km2. Este parámetro nos sirve para comparar caudales entre cuencas con distintos tamaños. 2.3.- Aportación: Es el caudal en una unidad de tiempo mayor, como un mes, un año, etc. Es decir, el volumen que pasa por una determinada sección a lo largo de un mes un año, etc. (Hm3) 2.4.- Módulo: es el caudal medio (l/s; m3/s) que pasa por una determinada sección en un periodo de tiempo. 2.- Variables que caracterizan la escorrentía 2.5.- Lámina de agua equivalente: Es la altura de la lámina de agua que resultaría si dividiésemos la aportación anual de la cuenca entre la superficie de la cuenca. Nos permite comparar entre precipitaciones medias anuales y la escorrentía de la cuenca. 2.6.- Coeficiente de escorrentía: Es la relación entre el volumen de agua de escorrentía superficial total y el volumen de agua precipitada en un determinado intervalo de tiempo. Ce=Vesc/Vp Este coeficiente se puede referir a una determinada lluvia o a un periodo de tiempo mayor. Generalmente se expresa en %. 2.7.- Tiempo de concentración (tc): Es el tiempo que la lluvia que cae en la cuenca en el punto más alejado tarda en llegar al punto de obra. El tiempo de concentración indica el tiempo que se tarda en que toda la cuenca contribuya a la escorrentía superficial en el punto de obra. Se mide en minutos y horas. 2.8.- Periodo de retorno: Es el periodo de tiempo promedio en años, en que un determinado evento, es igualado o superado al menos una vez. 3.- Medida del caudal La acción de medir el caudal se conoce como aforar. Para medir el caudal de una corriente de un río o arroyo debemos conocer en primer lugar la sección por la que está circulando el agua y en segundo lugar la velocidad de la corriente. 3.1.-Medida directa del caudal, (sin estaciones) 1º Para medir la sección medimos la profundidad a lo largo de una sección perpendicular a la corriente. Con un metro conociendo la profundidad en distintos puntos dibujamos la sección. 2º Medimos la velocidad, bien midiendo lo que tarda un cocho flotando en recorrer (arrastrado por la corriente) una distancia determinada, o bien con un molinete.  Los molinetes son unas hélices con unas cazoletas que dan vueltas conforme el agua las mueve. El molinete cuenta las vueltas que da la hélice por unidad de tiempo y lo transforma en velocidad.  Puesto que la velocidad no es uniforme ni en profundidad ni a lo ancho del cauce, para ser precisos, deberíamos realizar varias medidas. Las medidas se harían a distintas profundidades y en distintos puntos de la sección, calculándose posteriormente el caudal medio. 3.1.-Medida directa del caudal, (con vertederos) Aforadores de vertedero Son una pequeña presa o vertedero, que hace pasar el agua por una determinada sección y hace que la lámina de agua sea horizontal. Se usa en arroyos de montaña, o cauces que tienen rápidas variaciones en su sección, y la lámina de agua no es horizontal. La sección puede ser rectangular para arroyos grandes o triangular (Vertedero Thomsom ) en arroyos pequeños para poder medir mejor las variaciones en la altura de la lámina de agua. Muchos de estos vertederos son “portátiles”, ya que se pueden montan y desmontar después de unos años. Vertedero triangular Q=1,4 H 2,48 Vertedero rectangular Q=1,9L·H3/2 3.2.-Aforos químicos Este método consiste en arrojar al cauce, (generalmente se hace en cauces de pequeño tamaño) una sustancia química de concentración conocida, no contaminante y que no se encontrase en las aguas del río, y recoger muestras de agua, aguas abajo para ver como ha disminuido la concentración, ya que la dilución será proporcional al caudal del río. Este método se puede hacer mediante un vertido constante o mediante un único vertido. (es vital asumir que el compuesto se mezcla).. 3.2.1.-Aforo químico con vertido constante. Echamos una sustancia con concentración conocida C1 y con un pequeño caudal (q) (un chorrillo) al cauce con caudal por conocer Q, durante el intervalo de tiempo que dura la medida, y tomamos muestras aguas abajo que tendrán una menor concentración C2. Así, C1 · q = C2 · Q Entonces Q=q · (C1/ C2) 3.2.2.-Aforo químico con vertido único. Consiste en echar un determinado peso (gramos) de sustancia química y tomar muestras aguas abajo, suponiendo que la sustancia química se ha mezclado completamente. Aguas abajo se toman muestras, a iguales intervalos de tiempo, desde que llega la sustancia hasta que se va. Esto se calcula previamente o se añade un tinte. Así, el Peso vertido = peso vertido en todos los intervalos de tiempo. Peso vertido= C1. Vol, en todos los intervalos Peso vertido=C1 · Q ·∆t en todos los intervalos Q=Peso vertido/(ΣCi · ∆t)  3.3.-Aforos indirectos La mayor parte de las estaciones de aforo no realizan medidas directas del caudal. Lo que hacen es medir la altura de la lámina de agua y convertirla en caudal. Estas medidas se realizan con limnímetros o limnígrafos. Estas medidas se realizan en zonas en las que la pendiente del cauce es baja. De lo contrario se usan aforadores de vertedero. Es importante realizar los ajustes entre nivel y caudal cada cierto tiempo, puesto que la sección transversal del cauce puede modificarse por erosión de los márgenes o sedimentación en el fondo.  3.3.1.-Limnímetros Los limnímetros son escalas graduadas, situadas en el margen de un río, en las que se puede observar la altura de la lámina de agua. Requieren de la presencia de un operario que anote las variaciones (generalmente diarias) del nivel del agua. En cauces muy abiertos puede ser necesario instalar varias escalas que registren las variaciones máximas del nivel del río.  3.3.2.-Limnígrafos Los limnígrafos tienen la misma función que los anteriores, pero estos tienen la salvedad de que registran la variación del nivel constantemente en una gráfica. Para ello se ayudan de un flotador, que generalmente está dentro de un tubo con aberturas que permiten registrar las variaciones del nivel. Las variaciones se registran gráfica o digitalmente en la caseta de la estación de aforo. 3.3.3.-Curva de gasto La curva de gasto es la representación del caudal frente a la altura del agua. Cada curva es característica de una estación de aforo. Es importante realizar los ajustes entre nivel y caudal cada cierto tiempo, puesto que la sección transversal del cauce puede modificarse por erosión de los márgenes o sedimentación en el fondo.  4.-El Hidrograma El hidrograma es la representación gráfica del caudal a lo largo del tiempo. El intervalo de tiempo puede representar desde horas hasta meses o años. El área que hay por debajo de la curva del hidrograma representa el volumen de agua que ha pasado por nuestro punto de aforo. http://www.conae.gov.ar/WEB_Emergencias/Links_de_la_Izquierda/Inundaciones/Inf ormes_Realizados/Evento_Ninio_97_98/ninio2/DNPH/index.html  4.1.-El Hidrograma (teórico) Imaginemos que tenemos una cuenca de laboratorio, o la bañera de nuestra casa, en las que no existe infiltración y la forma es rectangular. En este caso, cuando comiencen las precipitaciones comenzaremos a tener escorrentía, (la que cae directamente sobre el cauce en el punto de aforo), posteriormente el caudal irá aumentando conforme las partes más alejadas de la cuenca contribuyan al punto de aforo. Cuando lleguemos al tiempo de concentración (t1-t0)=(t3-t2), toda la cuenca estará contribuyendo y habremos alcanzado el pico del hidrograma. Si apartir de aquí, la precipitación continúa el caudal se mantendrá constante y la precipitación será igual a la escorrentía. Cuando la precipitación cese, la escorrentía continuará, disminuyendo, hasta que llegue el agua que cayó en el punto más alejado de la cuenca. 4.1.-El Hidrograma (teórico) Si la cuenca, en vez de tener una forma rectangular tuviese una forma más redondeada, el perfil del hidrograma sería más suave debido a la curvatura de las líneas de igual tiempo de llegada.  4.2-Partes del Hidrograma La combinación del hidrograma de una crecida y del hietograma de la lluvia que la produce puede aportarnos una información muy importante sobre los procesos hidrológicos de la cuenca. Para conocer esto es necesario saber como se analiza un hidrograma. Partes del hidrograma:  Curva de agotamiento  Curva de crecida  Punta  Curva de descenso Tiempos del hidrograma  Tiempo base  Tiempo crecida  Tiempo de concentración  4.3- Separación del flujo base. Se considera flujo base al caudal que llevaba el cauce antes de un episodio de precipitaciones o de una tormenta. Figuras desde diapo 17-20 tomadas de http://web.usal.es/~javisan/hidro/  4.3- Separación del flujo base. Método de la curva de agotamiento (Horton, 1933)  La curva de agotamiento obedece a una fórmula de decaimiento exponencial −α ·t Qt = Q0 ·e  Para encontrar el punto donde comienza la curva de agotamiento podemos representar el log de Qt, donde podremos apreciar un cambio en la pendiente. En dicho cambio de pendiente comienza la curva de agotamiento. Q0 es el caudal al comienzo de la curva de agotamiento, α es una cte que depende del acuífeo subterráneo y t es el tiempo.  4.3- Separación del flujo base A,es el método de la línea recta. (desde el comienzo de la c. crecimiento (cc), hasta el comienzo de la la C. agotamiento). B, es el método del flujo base fijo. Consiste en prolongar la curva de agotamiento del hidrograma hasta la línea de punta, y unirlo con un punto situado a un tiempo N después de la punta. N se obtiene como N=0,8A0,2 C, es el método de la pendiente variable, consiste en prolongar la curva de agotamiento hasta la linea de punta, prolongar hacia atrás la curva de agotamiento despues de la escorrentá directa hasta la línea de inflexión, y unir ambos tramos.