Unidad Didáctica 4. Precipitación PDF

UNIDAD DIDÁCTICA 4. Precipitación Contenido general Origen de las precipitaciones. Forma de las precipitaciones. Medición de las precipitaciones. Precipitación media sobre una superficie. Métodos para su cálculo. Estudio de series de precipitación. Precipitaciones anuales. Precipitaciones mensuales...

UNIDAD DIDÁCTICA 4. Precipitación Contenido general Origen de las precipitaciones. Forma de las precipitaciones. Medición de las precipitaciones. Precipitación media sobre una superficie. Métodos para su cálculo. Estudio de series de precipitación. Precipitaciones anuales. Precipitaciones mensuales. Precipitaciones diarias, máximas. Caracterización de las lluvias: Altura. Duración. Frecuencia. Periodo de retorno. Distribución de Gumbel. Curvas de altura-duración- frecuencia. Introducción La precipitación, es el vapor de agua que contiene la masa de aire que, a consecuencia de los cambios de presión, temperatura y el movimiento de esas masas, ayudado por la condensación y material sólido en suspensión se reúnen y caen en gotas de agua o cristales de hielo, venciendo la fuerza de la gravedad. El agua en estado líquido o sólido que llega o cae a la superficie de la tierra. Es el componente primario del ciclo hidrológico debido a que en esta fase el agua no es explotada con intervención directa del hombre, aun cuando éste, la modifique cualitativa y cuantitativamente tal como es la producción de lluvia artificial, la reducción de la evaporación, la recarga artificial y por consiguiente aumento de la infiltración. Las precipitaciones tienen importancia porque son la principal fuente de entrada de agua en una cuenca vertiente. Controlan el paisaje natural y las actividades humanas. Formas de producirse las precipitaciones Precipitación propiamente dicha: el agua cae sobre la superficie terrestre en forma líquida (lluvia, llovizna, chubasco); en forma sólida amorfa (granizo); en forma sólida cristalizada (nieve); en formas intermedias (nieve granulada, aguanieve, etc.). Precipitación oculta: por condensación (rocío); por sublimación (escarcha). Medición de las precipitaciones La lluvia o precipitaciones liquidas, se mide en columna de agua o por la altura que alcanzaría en un superficie plana y horizontal antes de sufrir pérdidas por evaporación, infiltración etc. Se expresa en milímetros por día, mes o año, (mm/d, mm/mes. Los instrumentos para medir la precipitación o lluvia se llaman: pluviómetro y pluviógrafo radar y satélite, Análisis del manto de nieve, Condensaciones ocultas, en milímetros (mm) por mes, día o por año. 1 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Tipos de pluviómetros 1. No registradores o pluviómetros. Son los pluviómetros más sencillos y constan de un embudo colector, habitualmente de 8 pulgadas, que recoge la lluvia y la vierte en un tubo medidor de sección menor (1/10 del diámetro del colector), donde por lectura directa (dos veces al día) se conoce la cantidad de lluvia recogida. 2. Registradores o pluviógrafo. Este tipo de pluviómetros suministra la curva de lluvia en función del tiempo. Este gráfico puede ser un pluviograma o un hietograma. El hietograma es el gráfico de la intensidad de la lluvia en función del tiempo, mientras que el pluviograma es la distribución en el tiempo de la precipitación acumulada. Por ello el pluviograma es la integral en el tiempo del hietograma. En la medida de la lluvia existen tanto errores humanos como producidos por el propio aparato. De estos errores los más habituales son los siguientes: 1. El pluviómetro necesita una precipitación mínima para poder registrarla. Este valor mínimo es función del tipo de pluviómetro, pero suele ser aprox. 0,25 mm. Este tipo de error se produce cada vez que se inicia la precipitación con el pluviómetro seco. 2. Errores debidos a turbulencias del viento, muy acusado cuando la precipitación es de nieve. 3. Error por evaporación. Este error depende de las características climáticas de la zona así como del diseño del propio pluviómetro. 4. Errores debidos a la incorrecta instalación del pluviómetro. Fundamentalmente se trata de la no horizontalidad del colector. Por último para que las medidas de lluvia sean fiables se necesita una red pluviográfica suficientemente densa. El número de pluviómetros recomendado por unidad de superficie es función de la orografía, en terrenos montañosos se necesitan más estaciones pluviométricas. La distribución de las lluvias es otro condicionante para definir la densidad de pluviómetros. En zonas llanas basta con una estación cada 100/150 Km2, en zona montañosa la densidad debe de ser superior del orden de una cada 20/30 Km2. 2 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra.  Esquema de un Pluviómetro ordinario Pluviómetro ordinario Partes del pluviómetro ordinario: ▪ depósito ▪ Probeta graduada para medir colector ▪ Colector ▪ Cilindro receptor con la boca con sección horizontal superior. La precipitación es un fenómeno discontinuo y por eso no se puede hablar de variaciones diarias o anuales como otros elementos meteorológicos. Su distribución tanto en el espacio como en el tiempo es variable. 3 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra.  Formas de producirse las precipitaciones: Las precipitaciones se originan por procesos de Enfriamiento del aire por cambios de presión como las precipitaciones verticales o convencionales. Por Enfriamiento del aire por contacto de superficies frías en el caso de las precipitaciones horizontales u ocultas. Por enfriamiento del aire por cambios de presión pueden ser: a. Convectiva. Originadas por el calentamiento de la masa de aire próxima a la superficie del suelo que ha recibido una fuerte insolación. b. Frontal o ciclónica. Se origina en las superficies de contacto de masas de aire (frente) con temperatura y humedad relativa diferentes. Puede ser frente frío o cálido, o la oclusión de un frente. c. Orográfica o lluvia de relieve, propia de zonas montañas, por el enfriamiento y condensación de vapor de agua en las masas de aire que al tropezar con una ladera ascienden por ellas. No obstante, las precipitaciones están originadas por combinaciones de dos de los tipos anteriores o de tres. Precipitaciones ciclónicas 4 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Cálculo de la pluviometría en una cuenca. Métodos para su cálculo. Para el cálculo de la precipitación media sobre el área de una cuenca, se realiza a partir de los datos de las estaciones meteorológicas (pluviométricas), pueden utilizarse varios procedimientos: El primero y más simple es tomar como precipitación media, la media aritmética de los valores observados en las distintas estaciones meteorológicas localizadas dentro de la cuenca. Esto sólo es aconsejable cuando la distribución de las estaciones en la cuenca sea bastante uniforme en las zonas bajas y convenientemente elegidas en zonas de montaña. Estas dos condiciones normalmente no se dan en la mayoría de las cuencas de, por lo que este procedimiento resulta poco aproximado. Para determinar la precipitación media de la cuenca con este método se aplica la expresión matemática Siguiente: 𝑃 = (𝑝1 𝑎1) + (𝑝1 𝑎2) + (𝑝3 𝑎3) … + (𝑝𝑛 𝑎𝑛) ÷ 𝐴 ∑ 𝑝𝑛 𝑎𝑛 𝑃= 𝐴 Donde: P= precipitación media de la cuenca. pn= precipitación media de cada estación meteorológica localizada dentro de la cuenca. n= número de estaciones meteorológicas localizadas dentro de la cuenca. Estaciones meteorológicas 5 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra.  Método de la media aritmética Un segundo procedimiento, es el de los polígonos de Thiessen. La red poligonal se traza formando los polígonos mediante las perpendiculares en el punto medio a los segmentos que unen cada dos estaciones. Se supone que cada estación es representativa del área del polígono que la encierra, de manera que la precipitación media de la superficie limitada por cada polígono es la que se registra en la estación meteorológica correspondiente. Polígonos de Thiessen. 6 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra.  Método de los polígonos de Thiessen Así, la precipitación media de la cuenca se obtiene sumando los productos de las precipitaciones de cada estación por el área del polígono correspondiente y dividiendo la suma entre el área total de la misma cuenca: 𝑃 = (𝑝1 𝑎1) + (𝑝1 𝑎2) + (𝑝3 𝑎3) … + (𝑝𝑛 𝑎𝑛) ÷ 𝐴 ∑ 𝑝𝑛 𝑎𝑛 P= 𝐴 Donde: P= precipitación media de la cuenca, p= precipitación media de cada polígono (corresponde a la precipitación media de la estación limitada por cada polígono), a= área correspondiente a cada polígono. A= Área total de la cuenca Las áreas de los polígonos se calculan mediante el empleo de papel milimétrico, del planímetro o de sistemas de información geográfica. 7 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Un tercer procedimiento es el método de las isoyetas, que es el más preciso. Consiste en trazar isolíneas de igual precipitación (isoyetas). La precipitación media de la cuenca se calcula sumando los productos de las áreas comprendidas entre cada dos isoyetas, por su correspondiente precipitación media, y dividiendo la suma entre el área total de la cuenca. Cuando las isoyetas discurren paralelas, la precipitación media del área comprendida entre cada dos es la semisuma de los valores de éstas. Isoyetas Método de las isoyetas 8 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Para determinar la precipitación media se emplea la siguiente expresión: 𝑃 = (𝑝1 𝑎1) + (𝑝1 𝑎2) + (𝑝3 𝑎3) … + (𝑝𝑛 𝑎𝑛) ÷ 𝐴 ∑ 𝑝𝑛 𝑎𝑛 𝑃= 𝐴 Donde: P: precipitación media de la cuenca, p: precipitación media correspondiente al área comprendida entre cada dos isoyetas, a : área comprendida entre cada dos isoyetas. A Área total de la cuenca El área comprendida entre cada dos isoyetas se calcula mediante el empleo de papel milimétrico, del planímetro o de sistemas de información geográfica. Curvas Intensidad - Duración – Frecuencia (IDF) Las curvas Intensidad – Duración – Frecuencia (IDF), son curvas que resultan de unir los puntos representativos de la intensidad media en intervalos de diferente duración, y correspondientes todos ellos a una misma frecuencia o período de retorno (Témez, 1978). Con la definición de las curvas, surgen otros elementos a considerar, como son la intensidad de precipitación, la frecuencia o la probabilidad de excedencia de un determinado evento. Es de suma importancia tener claro el concepto de cada una de estas variables, de modo de tener una visión más clara de las curvas Intensidad-Duración- Frecuencia. Se debe destacar que la intensidad, según Chow et al (1994), se define como la tasa temporal de precipitación, o sea, la profundidad por unidad de tiempo (mm/h), y ésta (1) se expresa como 𝑃 𝑖= 𝑇𝑑 Donde P es la profundidad de lluvia en mm o pulgadas, y tiempo de duración (Td) es la duración, dada usualmente en horas. 9 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra. Duración. Se mide en minutos o en horas. Es el tiempo transcurrido entre el comienzo y el fin de la tormenta. Período de duración.- Es un concepto importante. Es un período de tiempo dentro de la duración de la tormenta. Se escogen períodos de duración tipos. Por ejemplo: 10 m., 30 m., 60 m., 120 m., 240 m. Lo que se busca, como veremos, son las intensidades máximas para estos períodos de duración. Frecuencia.-Se presenta este concepto mediante un ejemplo. Una tormenta de frecuencia 1/15 significa que es probable que se presente, como término medio, una vez cada 15 años. Los 15 años vienen a constituir el tiempo de retorno o período de retorno de dicha tormenta. Se expresa en mm/h. y su valor varía durante la tormenta. El análisis de tormentas tiene por objeto obtener aseveraciones como la de este otro ejemplo, más completo. "En el lugar tal, es probable que se presente una tormenta de intensidad máxima 48 mm/h., para un período de duración de 20 minutos, cada 15 años en promedio". Referencias consultadas 1] Daker, Alberto. Captación, Elevación y Mejoramiento de Agua. Agua en la Agricultura. Volumen 2, Sexta Edición – Revisada y ampliada. Editora Librería Freitas Bastos S. A. 1983. 2] González del Tánago, Marta. Unidad Docente Hidráulica e Hidrología. Departamento de Ingeniería Forestal. E.T.S. De Ingenieros De Montes. Universidad Politécnica de Madrid. 3] Instituto Nacional de Ecología, México 4] Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos, INDRHI. República Dominicana. 5] Pizarro T. Roberto; Flores V. Juan Pablo; Sangüesa P. Claudia; Martínez A. Enzo. SOCIEDAD ESTÁNDARES DE INGENIERÍA PARA AGUAS Y SUELOS LTDA. Disponible en: http://eias.utalca.cl/Docs/pdf/Publicaciones/manuales/b_modulo_IDF.pdf Consultada: 7 de febrero 2018, Hora 9:28am 6] Ven Te Chow, Maidment, David R., Mays, Larry W. Hidrología Aplicada. McGraw-HIL, 2003. 10 Ing. Miguelina Isolina de los Ángeles Brugal Ayra.