Conceptos Basicos Hidrologia

Unidad temática i INTRODUCCIÓN A LA HIDROLOGÍA

Conceptos básicos Universidad del Magdalena Facultad de Ingeniería Hidrología 2015 - II

CONCEPTOS BÁSICOS

Hidrología: “Es la ciencia natural que estudia el agua, su ocurrencia, circulación y distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos ”. (U.S. Federal Council for Science and Technology, 1962)

“Es la ciencia que trata de los procesos que rigen el agotamiento y recuperación de los recursos de agua en las áreas continentales de la tierra y en las diversas fases del ciclo hidrológico” Organización Meteorológica Mundial

CONCEPTOS PREVIOS

Fenómeno: Es el proceso físico que produce una alteración del estado del sistema, por ejemplo la lluvia, evaporación, infiltración, etc. Variable: Es el valor que describe cuantitativamente un fenómeno, en la hidrología están el caudal, evaporación, lluvia diaria, etc.

Parámetro: Es el valor que caracteriza el sistema, que no establece modificaciones en el tiempo, por ejemplo: n capacidad de infiltración de un suelo, área de la cuenca, etc.

CONCEPTOS PREVIOS

Fenómeno: Es el proceso físico que produce una alteración del estado del sistema, por ejemplo la lluvia, evaporación, infiltración, etc. Variable: Es el valor que describe cuantitativamente un fenómeno, en la hidrología están el caudal, evaporación, lluvia diaria, etc.

Parámetro: Es el valor que caracteriza el sistema, que no establece modificaciones en el tiempo, por ejemplo: n capacidad de infiltración de un suelo, área de la cuenca, etc.

CONCEPTOS BÁSICOS

 Ingeniería hidrológica o hidrología aplicada

Es la ciencia aplicada, que usa principios hidrológicos en la solución de problemas de ingeniería, que surgen de la necesidad de uso y explotación de los recursos hídricos, así como para la protección contra daños ocasionados por éste. Generalmente los proyectos hidráulicos son de dos tipos:  Proyectos que se refieren al uso de agua  Proyectos que se refieren a la defensa contra los daños que ocasiona el

agua La hidrología aplicada moderna exige conocimientos avanzados de matemáticas, tales como la estadística, planteamientos y resoluciones analíticas del comportamiento del ciclo hidrológico que es muy complejo.

CONCEPTOS BÁSICOS

 DIVISIÓN (RAMAS) DE LA HIDROLOGÍA Hidrología Superficial: Estudia el comportamiento del agua sobre la superficie terrestre.

Hidrogeología: Estudia el comportamiento de las aguas subterráneas, su yacimiento y movimiento, sus recargas y descargas de aguas en acuíferos estudio de la presencia y movimiento del agua en acuíferos. Hidrología Estadística: Estudia los fenómenos hidrológicos como fenómenos probalisticos (eliminadas las causas), basados en datos experimentales y análisis estadísticos.

Hidrología Determinista: Es aquel que tiende a establecer relaciones cuantitativas de causaefecto, utilizando una relación directa para obtener una respuesta debida a un requerimiento, sea por medio de una ecuación empírica o por medio de un operador desarrollado a partir de criterios e hipótesis experimentales.

Hidrometeorología: Estudio de la transferencia de agua y energía entre las superficies de tierra y agua y la atmósfera inferior.

Ecohidrología: Estudio de las interacciones entre los organismos vivos y el ciclo hidrológico

CONCEPTOS BÁSICOS

 APLICACIÓN DE LA HIDROLOGÍA EN LA INGENIERÍA AMBIENTAL

Proyectos de Explotación y Uso del Recurso hídrico

Protección Contra Daños

Gestión de Cuencas Hidrográficas

• • • • • •

Abastecimiento de Agua Irrigación ( riego tecnificado y riego por inundación) Aprovechamiento hidroeléctrico Suministro de agua para múltiples usos Navegación Recreación

• Drenaje Urbano • Control de la erosión • Encauzamiento de Ríos • Drenaje Vial

• Riesgo de Inundación • Pronostico de Sequias hidrológicas • Reglamentaciones de corrientes hídricas • Establecimiento de los objetivos de calidad para los cuerpos de agua • Hidrosedimentación (Explotación de Material de Arrastre ) • Hidrogeología • herramienta SIG • Agro - Silvo - Pastoriales • POMCAS

CONCEPTOS BÁSICOS

CICLO HIDROLOGICO

Es un fenómeno global de circulación del agua entre la superficie terrestre y la atmósfera, provocado fundamentalmente por la energía solar y la energía gravitacional. Conjunto de cambios que experimenta el agua en la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido y gaseoso), como en su forma (agua superficial, agua subterránea, etc.).

no es nada regular. Una muestra de ello son los periodos de sequías y de inundaciones, que ocurren.

CONCEPTOS BÁSICOS

 Sistema Hidrológico

Estructura o volumen en el espacio rodeado por una frontera, que acepta agua y otras entradas, opera con ellas internamente y la produce como salidas.

A: Subsistema atmosfera B:Subsistema de agua superficial C: Subsistema de agua subsuperficial

CONCEPTOS BÁSICOS

 DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL DEL AGUA EN LA TIERRA

El volumen total del agua dulce del planeta es de 35.2 miles de millones de kilómetros cúbicos (km3). Datos de Shiklomanov y Rodda, 2003.

Fuente: UNESCO – The United Nations World Water Development Report 2. Sectión 2: Changing Natural Systems, Chapter 4. Part 1. Global Hydrology and Water Resources. P 121

CONCEPTOS BÁSICOS

 Modelos Hidrológicos  Es la conceptualización de las interrelaciones

y respuestas de un sistema real y que es capaz de predecir las interacciones principales y sus respuestas a un conjunto de condiciones propuesto  Es la representación artificial del sistema  Se usan principalmente para la predicción

hidrológica y para entender los procesos hidrológicos.

CONCEPTOS BÁSICOS

 Clasificación: Modelos Hidrológicos Los modelos hidrológicos pueden dividirse en dos categorías: 1. Modelos físicos y 2. modelos abstractos

1. MODELOS FÍSICOS

a. Modelos a escala

b. Modelos Análogos Son aquellos modelos en que se usa una representación material del sistema, este tipo Son aquellos que representan el sistema en una escala de modelos comprende: reducida, tal como los Que usan otro sistema físico posea propiedades modelos de una estructura de que control de una obra similares a las del prototipo. hidráulica.

CONCEPTOS BÁSICOS

ALEATORIEDAD

VARIACIÓN ESPACIAL VARIACIÓN TEMPORAL

CONCEPTOS BÁSICOS

 Clasificación: Modelos Hidrológicos

2. MODELOS ABSTRACTOS - (ALEATORIEDAD) a. Modelos determinísticos Los modelos hidrológicos son representaciones conceptuales simplificadas de una parte del - Modelo basado en datos ciclo hidrológico - No consideran aleatoriedad,

b. Modelos Estocásticos

- Usan conceptos matemáticos y -Modelos basados en descripciones Representan el sistema en forma estadísticos para asociar una del proceso. matemática (modelos determinada entrada matemáticos) - Pronósticos - Tratan de representar los Ejemplo procesos físicos observados en el Variables en función del espacio y Entrada: precipitación mundo real. del tiempo Salida: Escorrentía). variables aleatorias.

probabilísticas

o

- Predicción Ejemplo: representaciones: - Escorrentía superficial

- Flujo subsuperficial - Evapotranspiración - Flujo de canal

CONCEPTOS BÁSICOS

 Clasificación: Modelos Hidrológicos

2. MODELOS ABSTRACTOS

a. Modelos determinísticos (Variación Espacial) a-1. Agregados

Flujo Permanente - FP El sistema es promediado en el espacio o considerado como un punto único sin dimensiones en el espacio.

Flujo No Permanente – FNP Considera que los procesos hidrológicos ocurren en varios puntos del espacio, y define las variables como funciones de las dimensiones espaciales.

El sistema es promediado en el espacio o considerado como a - 2. Distribuidos un punto único sin dimensiones en el espacio. Considera que los procesos hidrológicos ocurren en varios puntos del espacio, y define las (Variación Temporal) variables como funciones de las dimensiones espaciales.

• FP • FNP

(Variación Temporal)

• FP • FNP

CONCEPTOS BÁSICOS

 Clasificación: Modelos Hidrológicos

2. MODELOS ABSTRACTOS

b. Modelos Estocásticos (Variación Espacial) b-1. Independientes en el espacio

Dependientes en el Tiempo - DET

El sistema es promediado en b-2. Correlacionados en el espacio o considerado como el espacio un punto único sin dimensiones en el espacio. Considera que los procesos hidrológicos ocurren en varios puntos del espacio, y define las (Variación Temporal) variables como funciones de las dimensiones espaciales. • DET • CET

Correlacionados en el Tiempo – CET

(Variación Temporal)

• DET • CET

CONCEPTOS BÁSICOS

 ECUACIÓN BALANCE HIDRICO - BH En todo ciclo cerrado, el principio fundamental indica que la masa no se destruye ni se crea, tal es el caso en el ciclo hidrológico, de esto se tiene la ecuación de balance hídrico (Campos Aranda, 1988; Shaw, 1983)

ENTRADAS – SALIDAS = CAMBIO EN ALMACENAMIENTO En la mayoría de los casos, los términos en ella no pueden ser ni adecuada ni muy fácilmente cuantificados.

Representación grafica del BH de una región

CONCEPTOS BÁSICOS

 ECUACIÓN BALANCE HIDRICO - BH Ecuación de Balance hídrico sobre el terreno 𝑃 + 𝑅1 − 𝑅2 + 𝑅𝑔 + 𝐸𝑠 − 𝑇𝑠 − 𝐼 = ∆𝑆 Ecuación de Balance hídrico bajo el terreno 𝐼 + 𝐺1 − 𝐺2 + 𝑅𝑔 + 𝐸𝑔 − 𝑇𝑔 = ∆𝑆𝑔 Donde: 𝑷: 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 E: Evaporación T: Transpiración R: Escurrimiento superficial

I: 𝐼𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 G: 𝐸𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑆𝑢𝑏𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎𝑛𝑒𝑜 S: 𝑇𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑜 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 Subíndices s, g denotan componentes de la ecuación generados en la superficie del terreno y en su interior.

CONCEPTOS BÁSICOS

Finalmente, para toda la cuenca, el balance hídrico general sería: 𝑃 − (𝑅2 − 𝑅1 ) − (𝐸𝑠 + 𝐸𝑔 ) − (𝑇𝑠 −𝑇𝑔 ) − (𝐺2 −𝐺1 ) = ∆𝑆(𝑆𝑆 + 𝑆𝑔 ) 𝑃 − 𝑅 − 𝐸 − 𝑇 − 𝐺 = ∆𝑆

CONCEPTOS BÁSICOS

Ejercicio: Durante un año determinado, una cuenca de 25 Km² recibe 900 mm. de precipitación, el escurrimiento anual aforado en el río que drena la cuenca fue de 5361 millones de m³ Hacer una estimación aproximada de las cantidades conjuntas de agua evaporada y transpirada por la cuenca durante el año. Solución: Suposiciones: La divisoria topográfica y de aguas subterráneas son coincidentes, entonces G=0 Se supone S=0, lo que implica que el volumen de agua subterránea no cambia con el tiempo, El escurrimiento superficial se trasformará en lámina de agua en mm/año, de donde se tiene: 𝑃 − 𝑅 − 𝐸 − 𝑇 − 𝐺 = ∆𝑆