Unidad 2 Clase 5 Monitoreo 1 PDF

HIDROLOGÍA UNIDAD 2 MONITOREO PRECIPITACIÓN Y CAUDALES 2024 El balance hídrico: cuantificación del balance hídrico y la ecuación del balance hídrico a nivel de cuencas Esquema del ciclo hidrológico EL BALANCE HÍDRICO = UN BALANCE DE MASAS Ecuaci...

HIDROLOGÍA UNIDAD 2 MONITOREO PRECIPITACIÓN Y CAUDALES 2024 El balance hídrico: cuantificación del balance hídrico y la ecuación del balance hídrico a nivel de cuencas Esquema del ciclo hidrológico EL BALANCE HÍDRICO = UN BALANCE DE MASAS Ecuación del balance hídrico a nivel de cuencas: P = Q + EVT + ΔS/Δt  P = Q + EVT + ΔS/Δt S (storage) representa el almacenamiento de agua en la cuenca. Varias fuentes de almacenamiento: Nieve, glaciares. Lagos, lagunas, embalses, humedales. El suelo. Otras?  P = Q + EVT + ΔS/Δt S representa el almacenamiento de agua en la cuenca. Δt es el periodo de tiempo para el cual se calcula el balance hídrico en la cuenca (dia, mes, año, más). ΔS es la variación del almacenamiento de agua en la cuenca durante el periodo de tiempo. ΔS = Sal final del periodo – Sal inicio del periodo  P = Q + EVT + ΔS/Δt Dos ejemplos, cuenca pluvial, el suelo como principal fuente de almacenamiento. Mes de julio. Δt es 1 (un mes). P = 250 mm. Q = 103 mm. EVT = 35 mm. 250 = 103 + 35 + ΔS ΔS = 250 – (103 + 35) = 112 mm.  P = Q + EVT + ΔS/Δt Para el mes de junio: 250 = 103 + 35 + 112 ΔS = 112 mm. ΔS = Sal final del periodo – Sal inicio del periodo = 112 mm Sal final del periodo = 112 + Sal inicio del periodo Sal final del periodo > Sal inicio del periodo Qué pasó en la cuenca en términos de agua almacenada? Agua almacenada son las reservas de agua en la cuenca.  P = Q + EVT + ΔS/Δt Hagamos un ejemplo para un mes de enero. Δt es 1 (un mes). P = 5 mm. Q = 25 mm. EVT = 85 mm. 5 = 25 + 85 + ΔS o ΔS = 5 – (25 + 85) = ? mm.  P = Q + EVT + ΔS/Δt Para el mes de enero: 5 = 25 + 85 + ? ΔS = ? mm. ΔS = Sal final del periodo – Sal inicio del periodo = ? Sal final del periodo = ? + Sal inicio del periodo Sal final del periodo > (o < ???) Sal inicio del periodo Qué pasó en la cuenca en términos de agua almacenada? Agua almacenada son las reservas de agua en la cuenca.  P = Q + EVT + ΔS/Δt El año hidrológico en Chile se mide desde el 1 de abril al 31 de marzo del año siguiente. Al final del periodo de verano. Sal final del periodo ~ Sal inicio del periodo ΔS = Sal final del periodo - Sal inicio del periodo ~ 0 La ecuación simplificada del balance hídrico: P = Q + EVT Usaré la ecuación simplificada del balance hídrico: P = Q + EVT para retomar el concepto de cuenca hidrográfica. Si la divisoria de la cuenca es correcta, P es la única forma de ingreso de agua a la cuenca. Si se dispone de buenos registros de precipitación, caudal y una buena estimación de la EVT a niveles anuales, que significa que: P (2450 mm); Q = 800 (mm); EVT 800 (mm) 2450 no es igual a 800 + 800 O si P (2450 mm); Q = 2100 (mm); EVT 800 (mm) 2450 no es igual a 2100 + 800 Qué puede estar pasando?  Divisoria superficial Divisoria superficial La cuenca superficial (o topográfica) no es la misma que la cuenca subterránea. Precipitación  P = Q + EVT + ΔS/Δt P es la forma de ingreso de agua al sistema cuenca. A falta de registros de Q, los modelos para estimar Q son del tipo → Q = f (P; otras variables). Estaciones Pluviométricas son más abundantes que estaciones Fluviométricas y de otro tipo. Más datos de P que cualquiera de los otros componentes del balance hídrico en cuencas.  P = Q + EVT + ΔS/Δt Precipitación son todas las formas en las cuales el agua llega a la superficie del suelo: Lluvia. Nieve. Granizo. Rocío.  P = Q + EVT + ΔS/Δt Precipitación → Tipos de precipitación: Frontales (frentes fríos y cálidos). Orográficas. Convectivas.  Frente frío: Precipitaciones de alta intensidad Frente cálido: Precipitaciones frontales Precipitaciones de menor intensidad  Mayor precipitación en el “tercio superior” de la barrera. Precipitaciones orográficas  Cristales de hielo Nubosidad Cumuliforme Turbulencias/i nestabilidad Altas temperaturas Precipitaciones intensas, no siempre y humedad abarcan una área extensa Precipitaciones convectivas  Porqué importa conocer el tipo de precipitación dominante en el área de estudio? Cual es la orientación de la cuenca al tipo de precipitación dominante. Cuencas orientadas hacia el nor-oeste tendrán a recibir más precipitación que las orientadas al sur-este ante precipitaciones de origen frontal en Chile.  Porqué importa conocer el tipo de precipitación dominante en el área de estudio? Cual es la orientación de la cuenca a la localización de un pluviógrafo?  La Cordillera de la Costa, Chile Oeste Este Efecto orográfico Sistemas frontales Registrador de precipitación P  Precipitación (lluvia) Unidades de medida. Equipos de medición. Instalación de los equipos. Fuentes de error en las mediciones: El viento. Otras fuentes.  Precipitación Unidades de medida Se expresa en milímetros (mm, unidad de Longitud); 1 mm = 1 litro/m2. Intensidad en mm/hora (mm/h, unidad de Longitud por unidad de Tiempo, es una Velocidad).  Precipitación Equipos de medición: Pluviómetros. Totalizadores. Pluviógrafos. Estaciones meteorológicas. Estimación de la precipitación a partir de: Uso de radares. Imágenes satelitales. Calibración con mediciones en estaciones. Este tema NO será tratado en esta asignatura.  Precipitación Equipos de medición: Pluviómetros y Totalizadores. Pluviómetros Totalizadores, nivómetros  200 cm2 Estándar de la OMM 1,5 metros Nivel del suelo Pluviómetro (o pluviógrafo) a nivel del suelo  Volumen Precipitación en el periodo, h (mm) Área captación (es una constante del equipo) Área captación (es una constante del equipo) Volumen  Pluviómetros y totalizadores: Precipitación ACUMULADA de un periodo determinado. Se expresa en milímetros (1 mm = 1 l/m2). Pluviómetros: Precipitación diaria (24 horas) o P24. Precipitación a las 8* AM, 14* PM y 19-20* PM (Chile, horario invierno). Totalizadores: semanas, un mes, varios meses. * Puede ser +/- 1 hora, dependiendo de las agencias meteorológicas del país respectivo.  Precipitación Equipos de medición: Pluviógrafos digitales. Pluviógrafo digital con tipping buckets. Tipping buckets Tipping buckets, resolución de ~ 0,2 mm (para este equipo). Un pluviógrafo un poco especial: Área captante de 600 cm2. Con un “calentador”. Su propósito?? Pluviógrafos: Registro continuo. Precipitación acumulada para diferentes periodos (mm). Intensidades de lluvia (mm/h) para eventos de diferentes duraciones. Pluviógrafos mecánicos: cambiar el papel de registro y dar cuerda al reloj. En gabinete, un trabajo tedioso para cálculo de P. Pluviógrafos digitales, los datos se descargan directamente a cualquier sistema digital (notebook, tarjeta, pendrive) o son transmitidos del pluviógrafo a un equipo receptor remoto (vía teléfono celular o radio). Software asociado permite que P salga calculada.  Precipitación Equipos de medición: Pluviógrafos en estaciones meteorológicas.  Estaciones meteorológicas Fuentes de energía: conexión a la red eléctrica; baterías (recambio); paneles solares (para cargar baterías). Instalación de los equipos Fuentes de error en las mediciones: El viento: como se resuelve este problema. No es una tarea fácil, pero debe ser de responsabilidad de la agencia que opera las estaciones. 1. Diseño de equipos. Alter shield Brooks shield Modelo aerodinámico Nipher shield Fuentes de error en las mediciones: Otras: hay varias, algunas de ellas son…. 1 Cambio en la localización: ubicación, exposición. 2 Cambios en el entorno. Después de unos años → 3 Cambio (??) en las condiciones para pasar de volumen a lámina de lluvia. Si se rompe el tubo graduado (específico al pluviómetro) la solución local podría ser buscar otro tubo graduado. Cual????? Precipitación (h, mm). Pero h es función del volumen de lluvia y el área de captación del pluviómetro. h ?? 4 En pluviógrafos, la resolución real es diferente a la definida por el fabricante. 5 En pluviógrafos, falla de los mecanismos (buckets), las pilas o baterías, los sistemas de almacenamiento de datos, los sistemas de transmisión de datos.  Las fuentes de error mostradas en los ejemplos 1, 2, 3 y 4 anteriores generan errores sistemáticos, y pueden corregirse. Más adelante veremos como se hace. En el caso del ejemplo 5, puede ocurrir una pérdida total o parcial de los datos. Escorrentía - Caudal Ecuación del balance hídrico a nivel de cuencas: P = Q + EVT + ΔS/Δt  Relación precipitación-escorrentía en cuencas.. Escorrentia (L/s) Tiempo (Día del año)  Fuentes de escorrentía en una cuenca. El hidrograma: Sus componentes fundamentales. Flujo base y escorrentía directa. Tipo de hidrogramas.  Empieza a El hidrograma Caudal (l/s) llover de una crecida Tiempo  El hidrograma Caudal máximo Caudal de una (l/s) crecida Tiempo  El hidrograma Caudal de una (l/s) crecida Flujo base Tiempo  Precipitación Escorrentía directa = precipitación que Infiltración cae directamente sobre los cauces + parte de la precipitación que llega al cauce Percolación durante la tormenta Flujo base = de Napa, agua subterránea la reserva de precipitaciones anteriores  El hidrograma de una crecida Caudal (l/s) producida por una lluvia Tiempo  El hidrograma por derretimiento nival Caudal (l/s) Un día Tiempo Un paréntesis: respuesta de las cuencas a un evento de precipitaciones y parámetros morfométricos. Dos cuencas cercanas, de similar tamaño responden diferente a una tormenta de Caudal precipitaciones (l/s) similar en las cuencas. Porqué? Tiempo CAUDAL o ESCORRENTÍA ???  Caudal (m³/s) 0 4 8 12 30-05-05 00:00 03-06-05 00:00 01-jun-05 00:00 07-06-05 00:00 11-06-05 00:00 15-06-05 00:00 19-06-05 00:00 23-06-05 00:00 27-06-05 00:00 01-07-05 00:00 05-07-05 00:00 01-jul-05 00:00 Intervalo (h) 09-07-05 00:00 13-07-05 00:00 17-07-05 00:00 21-07-05 00:00 25-07-05 00:00 29-07-05 00:00 02-08-05 00:00 01-ago-05 00:00 Caudal (Q) se expresa en las siguientes unidades: m3/s l/s (litros/segundo) 1 m3/s = 1000 l/s Q es “discharge”. La Escorrentía se expresa en: mm Representa el Volumen de agua por unidad de superficie de la cuenca que sale de la misma en un periodo de tiempo determinado (hora, día, mes, año). Escorrentía es “runoff”. Caudal y escorrentía, ¿es lo mismo?: Q tiene unidades L3 T-1 Q/superficie de la cuenca: (L3 T-1)/ L2 = L T-1 Expresado para un periodo de tiempo T, queda como: (L T-1) * T = L Es decir, queda en unidades de “escorrentía”. Se puede pasar de Q a Escorrentía (y viceversa), y usar ambas expresiones para representar la cantidad de agua que sale del punto de cierre de la cuenca, en un periodo de tiempo determinado. Veamos algunos ejemplos en la pizarra, teniendo a la vista la figura siguiente:  Caudal (m³/s) 0 4 8 12 30-05-05 00:00 03-06-05 00:00 01-jun-05 00:00 07-06-05 00:00 11-06-05 00:00 15-06-05 00:00 19-06-05 00:00 23-06-05 00:00 27-06-05 00:00 01-07-05 00:00 05-07-05 00:00 01-jul-05 00:00 Intervalo (h) 09-07-05 00:00 13-07-05 00:00 17-07-05 00:00 21-07-05 00:00 25-07-05 00:00 29-07-05 00:00 02-08-05 00:00 01-ago-05 00:00 Caudal: Lo que se mide en el cauce es el caudal. Medir el caudal → aforar el cauce (realizar un aforo). El lugar donde se mide el caudal se conoce como la SECCIÓN DE AFORO. La Sección de Aforo puede: Usarse por única vez, o muy esporádicamente. Ser permanente, en este caso sin duda tendrá algunos equipos o instalaciones básicas. En este caso se denomina ESTACIÓN DE AFORO, o ESTACIÓN FLUVIOMÉTRICA o ESTACIÓN DE CONTROL (que “controla” una cuenca de superficie determinada). ESTACIÓN DE AFORO (o ESTACIÓN FLUVIOMÉTRICA o ESTACIÓN DE CONTROL): Sección natural del cauce. Sección natural “mejorada”. Sección artificial: Vinculada a alguna estructura hidráulica (embalse, canal de riego) Construida especialmente sólo para registrar caudales: ❖ Vertederos. ❖ Canal con un diseño hidráulico determinado (“flumes”). ESTACIÓN DE AFORO (o ESTACIÓN FLUVIOMÉTRICA o ESTACIÓN DE CONTROL): Sección natural del cauce. Sección natural “mejorada”. Sección artificial: Vinculada a alguna estructura hidráulica (embalse, canal de riego) Construida especialmente sólo para registrar caudales: ❖ Vertederos. ❖ Canal con un diseño hidráulico determinado (“flumes”). ESTACIÓN DE AFORO (o ESTACIÓN FLUVIOMÉTRICA o ESTACIÓN DE CONTROL): Sección natural del cauce. Sección natural “mejorada”. Sección artificial: Vinculada a alguna estructura hidráulica (embalse, canal de riego) Construida especialmente sólo para registrar caudales: ❖ Vertederos. ❖ Canal con un diseño hidráulico determinado (“flumes”). ESTACIÓN DE AFORO (o ESTACIÓN FLUVIOMÉTRICA o ESTACIÓN DE CONTROL): Sección natural del cauce. Sección natural “mejorada”. Sección artificial: Vinculada a alguna estructura hidráulica (embalse, canal de riego) Construida especialmente para registrar caudales: ❖ Vertederos. ❖ Canal con un diseño hidráulico determinado (“flumes”). VERTEDERO CANAL ARTIFICIAL VERTEDEROS: Según el tipo de pared: De pared delgada. De pared gruesa. Según la forma: Vertederos triangulares (ángulo del centro variable, 60º o 90º son comunes). Vertederos rectangulares. Trapezoidales. Mixtos. Vertedero de Pared delgada Vertedero de pared delgada en “V” con ángulo al centro de 60º Vertedero de pared delgada rectangular  Mixtos. Trapezoidales. Instalaciones y equipamientos básicos de una estación fluviométrica: La regla Limnimétrica. Esquema de una estación fluviométrica. Regla Limnimétrica. Un tramo. Varios tramos. Estación Limnimétrica Estaciones fluviométricas de la DGA. MOP, Chile  Regla limnimétrica Esquema general de una Estación Fluviométrica: h es la “carga” del vertedero. La posición de la regla limnimétrica y la conexión al “stilling well” Equipos para registrar h. Con flotador. Sensor de presión. Superficie Conectado a un logger h  0.7 0.6 0.5 Altura (m) Los sensores entregan el registro 0.4 0.3 de Altura en función del tiempo. 0.2 0.1 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Intervalo (h) 7.0 6.0 5.0 Caudal (m³/s) Pero, lo que interesa es disponer 4.0 de un registro de Caudal en 3.0 2.0 función del tiempo. 1.0 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Intervalo (h)  0.7 0.6 0.5 Altura (m) 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Intervalo (h) 7.0 6.0 ? 5.0 Caudal (m³/s) 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Intervalo (h)  0.7 0.6 0.5 Altura (m) 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 7 Intervalo (h) 6 Caudal (m³/s) 5 4 3 2 1 0 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 7.0 Altura (m) 6.0 5.0 La Curva de Caudal (m³/s) 4.0 Descarga de la 3.0 Sección 2.0 1.0 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Intervalo (h)  La Curva de Descarga (relación entre h y Q) es del tipo: Q = a hb Para vertederos controlados, los valores de los parámetros a y b los entrega el fabricante o se pueden obtener en un canal de prueba. Para vertederos en V de pared delgada, fórmula empírica que relaciona h con Q funciona (en general) bastante bien: Q = Ce (8/15) (2 * g)1/2 h5/2 tan (α/2) g es la aceleración de gravedad α es el ángulo del centro. Ce coeficiente Q (m3/s) ≈ 1,365 h5/2 tan (α/2) Q (m3/s) y h (m)  La Curva de Descarga (relación entre h y Q) es del tipo: Q = a hb Para otros vertederos (rectangulares, trapezoidales, mixtos), las fórmulas empíricas que relacionan h con Q son orientadoras. Para estos vertederos, y para las secciones naturales y naturales-mejoradas, es necesario construir la Curva de Descarga in-situ. Para secciones artificiales, la Curva de Descarga es única, sin embargo secciones naturales y naturales-mejoradas pueden tener varias Curvas de Descarga.  Construcción de la Curva de Descarga: h de la regla limnimétrica. Q=v*A v es la velocidad media del escurrimiento. A la sección mojada A A se mide (levantamiento topográfico sencillo). v se mide por varios métodos: v A través de la velocidad superficial. Molinete. Otros. Molinete Construcción de la Curva de Descarga: h de la regla limnimétrica. Métodos para calcular directamente Q: Con trazadores (isótopos, color, sales). Métodos acústicos (efecto Doppler). Métodos para calcular directamente Q: Con trazadores (isótopos, color, sales). Se incorpora al flujo un trazador a una concentración superior a la que existe naturalmente en el cauce. Por ejemplo, Sal, cuya presencia afecta la conductividad eléctrica (μS/cm) del agua. ✓ Se inyecta al cauce un q (q