HIDROLOGIALA CUENCA HIDROGRAFICA Escuela profesional de Ingeniería Civil Sede Ate LA CUENCA HIDROGRAFICA LA CUENCA Es una zona de la superficie en donde las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser drenadas hacia un mismo punto de salida. La cuenca hidrográfica se compone básicamente de un conjunto de superficies vertientes a una red de drenaje formada por cursos de agua que confluyen hasta resultar en un único lecho colector. 2.1 Cuenca Desde el punto de vista de la salida: existen tres tipos de cuencas: Endorreicas: el punto de salida esta dentro de los limites de la cuenca ejemplo: lago, la cuenca del río Ilave. Exorreicas: El punto de salida se encuentra en los limites de la cuenca y esta en otra corriente o en el mar. Un ejemplo es la del Rímac. Arreicas: Las aguas se evaporan o se filtran en el terreno ejemplo: el desierto de sahara. 2.2 PROCEDIMIENTO PARA LA DELIMITACIÓN DE LAS UNIDADES HIDROGRÁFICAS Criterios cartográficos para delimitar unidades hidrográficas, se tendrá en cuenta con los conceptos básicos de cuencas, así como sus tipos y características. El proceso de delimitación, es válido si se utiliza tanto en el método tradicional – delimitación sobre cartas topográficas-, así como en el método digital con ingreso directo sobre la pantalla de un ordenador, utilizando algún software SIG como herramienta de digitalización. Para la delimitación de las unidades hidrográficas, se consideran las siguientes reglas prácticas: Primera: Se identifica la red de drenaje o corrientes superficiales, y se realiza un esbozo muy general de la posible delimitación. (Ver figura 1y2). Figura 1. Se identifica la red de drenaje o corrientes superficiales Figura 2. Se realiza un esbozo muy general de la posible delimitación Segunda: Invariablemente, la divisoria corta perpendicularmente a las curvas de nivel y pasa, estrictamente posible, por los puntos de mayor nivel topográfico Figura 3. La divisoria corta perpendicularmente a las curvas de nivel Tercera: Cuando la divisoria va aumentando su altitud, corta a las curvas de nivel por su parte convexa. Figura 4. La divisoria corta a las curvas de nivel por su parte convexa, tal como muestra las flechas negras. Cuarta: Cuando la altitud de la divisoria va decreciendo, corta a las curvas de nivel por la parte cóncava. Figura 5. La divisoria corta a las curvas de nivel por su parte cóncava, tal como muestra las flechas negras. Quinta: Como comprobación, la divisoria nunca corta una quebrada o río, sea que éste haya sido graficado o no en el mapa, excepto en el punto de interés de la cuenca (salida). Figura 6. La divisoria no debe cortar ningún flujo de agua natural, excepto en el punto de salida de la cuenca. VISTA DE LA CUENCA-ESTACIONES S5 P2 P1 S4 P. HIDRO1 S3 P3 P3 S2 S1 P5 P4 P6 http://www.geogpsperu.com/2014/02/descargar- 2.3 Características geomorfológicas de la cuenca: A continuación, se exponen diversas características de una cuenca así como parámetros para definirla: 2.3.2 Área de la cuenca (A): El área (A) se estima a través de la sumatoria de las áreas comprendidas entre las curvas de nivel y los límites de la cuenca. Esta suma será igual al área de la cuenca en proyección horizontal. . 17 Aplicación del software Hec - Hms Área de la Cuenca El área de la Cuenca puede ser generada en forma automática por el W.M.S. ó mediante el uso de AutoCAD. La sub-cuencas las definen puntos de control Area Cuenca (Km 2) S1 9.0 S2 16.9 S3 22.1 S4 107.2 EST. 5 S5 125.8 S5 TOTAL 281.0 TUNEL BY PASS S4 S3 EST. 4 S2 RESERVORIO S1 EST. 2 EST. 1 2.3.3 Perímetro de la cuenca (P): Es la longitud total de los límites de la cuenca; El perímetro (P) es la longitud del límite exterior de la cuenca y depende de la superficie y la forma de la cuenca. . 20 2.3.4 Longitud de la cuenca: Es la longitud de una línea recta con dirección “paralela” al cauce principal. 2.3.5 Longitud del cauce principal: Es la distancia entre la desembocadura y el nacimiento. 2.3.6 Longitud máxima (Lm) o recorrido principal de la cuenca: Es la distancia entre el punto de desagüe y el punto más alejado de la cuenca siguiendo la dirección de drenaje. El recorrido principal, es la máxima distancia recorrida por el flujo de agua dentro de la cuenca. Longitud del cauce principal S5 Longitud Longitud Sub-cuenca Acumulada (Km) (Km) S5 10.82 10.82 S4 12.07 22.89 S3 5.20 28.09 S4 S2 7.72 35.81 S1 4.45 40.26 L5 S3 L4 S2 S1 L3 L2 L1 2.3.7 Longitud mayor del río (L): Se denomina así a la longitud del curso de agua más largo. 2.3.8 Ancho promedio (Ap): Es la relación entre el área de la cuenca (A) y la longitud mayor del curso de agua (L). Rio Rímac. Rio Santa Eulalia 2.4 Pendiente media de una cuenca: Es la media ponderada de todas las pendientes correspondientes a áreas elementales en las que pudiéramos considerar constante la máxima pendiente. Métodos de cálculo 2.4.1- Pendiente de un tramo: Se toma la diferencia cotas extremas existentes en el cauce (∆h) y se dividirá entre su longitud horizontal (l). La pendiente así calculada será más real en cuanto el cauce analizado sea lo más uniforme posible, es decir, que no existan rupturas. 2.4.2 Método de las áreas compensadas: Es la forma más usada de medir la pendiente de un cauce, que consiste en obtener la pendiente de una línea, (AB en la Figura adjunta), dibujada de modo que el área bajo ella sea igual al área bajo el perfil del cauce principal. PENDIENTE EQUIVALENTE CONSTANTE (3) Distancia (4) Distancia (1) Cotas intervalos (2) Diferencia (5) Distancia inclinada (6) Pendiente por horizontal entre inclinada entre cotas (7) Si(^1/2) (8) li**/Si^(1/2) de clase(msnm) de cotas (m) acumulada (m) segmento Si (2/3) cotas li* (m) li**(m) 660-680 20 7100 7100.03 7100.03 0.0028 0.0531 133774.82 680-700 20 500 500.4 7600.43 0.0400 0.2000 2502.00 700-720 20 3375 3375.06 10975.49 0.0059 0.0770 43843.32 720-740 20 5375 5375.04 16350.53 0.0037 0.0610 88116.24 740-760 20 850 850.24 17200.77 0.0235 0.1534 5542.89 760-780 20 1330 1330.15 18530.92 0.0150 0.1226 10847.04 780-800 20 350 350.57 18881.49 0.0571 0.2390 1466.54 800-820 20 350 350.57 19232.06 0.0571 0.2390 1466.54 820-840 20 880 880.23 20112.29 0.0227 0.1508 5838.79 840-860 20 950 950.21 21062.5 0.0211 0.1451 6548.87 860-880 20 400 400.5 21463 0.0500 0.2236 1791.09 880-900 20 540 540.37 22003.37 0.0370 0.1925 2807.84 22000 22003.37 304545.97 S3 0.00522 2.4.3 Índice de compacidad o coeficiente de Gravelius (Kc): Es el cociente que existe entre el perímetro de la cuenca respecto al perímetro de un círculo de la misma área. Kc es un coeficiente adimensional. Este coeficiente nos dará luces sobre la escorrentía y la forma del hidrograma resultante de una determina lluvia caída sobre la cuenca. Si Kc ≈ 1 cuenca regular Kc≠ 1 cuenca irregular Kc es menos susceptible a inundaciones. 2.4.4 Rectángulo equivalente: Es el rectángulo que tiene igual superficie, perímetro, coeficiente compactividad, y distribución hipsométrica que la cuenca en mención. Sus lados están definidos por: RECTANGULO EQUIVALENTE (2) Área acumulada de hoya (3) Longitudes acumuladas del rectangulo (1) Cotas intervalo de clase (msnm) hidrográfica (km2) equivalente (km2) 940-920 1.92 0.313 920-900 4.82 0.785 900-880 8.5 1.384 880-860 12.57 2.047 860-840 17.17 2.796 840-820 20.09 3.271 820-800 39.94 6.503 800-780 63.69 10.370 780-760 93.96 15.299 760-740 126.05 20.524 740-720 153.91 25.060 720-700 169.36 27.575 700-680 177.25 28.86 Sinuosidad de las corrientes de agua: Es la relación entre la longitud del rio principal medida a lo largo de su cauce , L, y la longitud del valle del rio principal medida en línea curva o recta, Lt. Este parámetro da una medida de la velocidad de la escorrentía del agua a lo largo de la corriente. Un valor de S menor o igual a 1.25 indica una baja sinuosidad , es decir un rio con alineamiento recto. 2.5 Métodos de cálculo: 2.5.1 - Critério de Alvord: Donde: D: Desnivel entre las curvas de nivel. A: Área de la cuenca. li: longitud de la curva de nivel “i” . 2.5.2 Criterio de mocornita: Criterio similar al anterior, pero que añade un factor de ponderación (f) a las longitudes de las curvas de nivel. Siendo f = 0,5 para la menor y mayor curva de nivel y f =1 para las demás. Resultado la siguiente ecuación: 2.5.3 Criterio del Rectángulo Equivalente: Donde, H: El desnivel total; L: Lado mayor del rectángulo equivalente. 2.6 Número de orden de un cauce: Existen diversos criterios para el ordenamiento de los cauces (o canales) en la red de drenaje de una cuenca hidrográfica; destacando Horton y Strahler. 2.6.1 En el sistema de Horton: Horton propuso un esquema de ordenamiento para la red de drenaje, con base en este ordenamiento, encontró algunas regularidades existentes en la red de drenaje, relacionadas con la estructura de bifurcación, y su distribución espacial. Los primeros resultados empíricos sobre estas regularidades se conocen como las leyes de Horton: la llamada ley de los números de corriente y ley de las longitudes de corriente. Los cauces de primer orden son aquellos que no poseen tributarios, los cauces de segundo orden tienen afluentes de primer orden, los cauces de tercer orden reciben influencia de cauces de segundo orden, pudiendo recibir directamente cauces de primer orden. Entonces, un canal de orden u puede recibir tributarios de orden u-1 hasta 1. Esto implica atribuir mayor orden al río principal, considerando esta designación en toda su longitud, desde la salida de la cuenca hasta sus nacientes. Esquema de definición para el número de orden de un río según diferentes sistemas. 2.6.2 El sistema de Strahler: Las redes de drenaje pueden ser modeladas o representadas como árboles, los cuales están conformados por un conjunto de nodos conectados unos a otros por segmentos de recta de manera que cada nodo tiene solo una ruta hacia la salida. Los nodos que se conectan a un solo segmento son llamados fuentes y los que conectan a más de uno son llamados uniones. Además los segmentos que se conectan a una fuente y a una unión se los denomina tramos exteriores o externos y a aquellos que se conectan a dos uniones se les denomina tramos interiores o internos. Esquema de definición para el número de orden de un río según diferentes sistemas. Para evitar la subjetividad de la designación en las nacientes determina que todos los cauces serán tributarios de aún cuando las nacientes sean ríos principales. El río en este sistema no mantiene el mismo orden en toda su extensión. El orden de una cuenca hidrográfica está dado por el número de orden del cauce principal. El número de orden es extremadamente sensitivo a la escala del mapa empleado. Sistema Strahler 2.6.3 Densidad de drenaje (Dd) : La longitud total de los cauces dentro de una cuenca dividida por el área total del drenaje define la densidad de drenaje (Dd) o longitud de canales por unidad de área. Una densidad alta refleja una cuenca muy bien drenada que debería responder relativamente rápido al influjo de la precipitación; una cuenca con baja densidad refleja un área pobremente drenada con respuesta hidrológica muy lenta. Se puede establecer una relación entre la densidad de drenaje y las características del suelo de la cuenca analizada; tal como se detalla en la Tabla a continuación. Características Densidad alta Densidad baja Observaciones Resistencia a la Fácilmente Asociado a la formación de los cauces erosión erosionable Resistente Muy Nivel de infiltración y escorrentía Permeabilidad Poco permeable permeable Tendencia al encharcamiento y tiempos de concentración Topografía Pendientes fuertes Llanura 2.6.4 Longitud del flujo de superficie (Lo): La longitud promedio del flujo de superficie, puede obtenerse de manera aproximada por medio de la ecuación: [m]; [Km] Donde, Dd es la densidad de drenaje. Esta ecuación ignora los efectos de las pendientes del terreno y de los cauces, que tienden a alargar la trayectoria real del flujo de superficie. Horton, sugirió que el denominador de la ecuación fuera multiplicado por Donde: Sc y Sg son las pendientes promedio de los canales y de la superficie de terreno, respectivamente. 2.6.5 Relación área-elevación: Es una medida indirecta de cuantificar la pendiente del curso de agua principal de la cuenca representando separadamente las mediciones de longitud y desnivel. Este mapeo permitirá analizar y comprobar tendencias a mayor o menor saturación superficial de diversas partes de la cuenca. La relación área-elevación puede expresarse a través de curvas, denominadas curvas área-elevación o curvas hipsométrica, o de manera porcentual a través de los polígonos de frecuencia. Representación esquemática de las relaciones área - elevación de una cuenca. 2.6.6 Curva Hipsométrica: Es la relación entre altitud y la superficie comprendida por encima o por debajo de dicha altitud. Nos da una idea del perfil longitudinal promedio de la cuenca. Una curva hipsométrica se puede construir midiendo con un planímetro el área entre curvas de nivel representativas de un mapa topográfico y representando en una gráfica el área acumulada por encima o por debajo de una cierta elevación (z( ) ). Un buen criterio para elegir las curvas de nivel más representativas es tomar la diferencia de cotas presente en la cuenca y dividirla por seis. Este deberá ser redondeado a un valor múltiplo de la equidistancia usada en la cartografía base (por ejemplo en la carta nacional la equidistancia es 50 m). CURVA HIPSOMÉTRICA (6) Porcentaje (1) Cotas intervalo de (2) cotas media del (4) Area (5) Porcentaje del (7) Columna (2) (3) Area (km2) acumulado de clase(msnm) intervalo (msnm) acumulada(km2) area (%) xcolumna (3) area (%) 940-920 930 1.92 1.92 1.08 1.08 1785.6 920-900 910 2.9 4.82 1.64 2.72 2639 900-880 890 3.68 8.5 2.08 4.80 3275.2 880-860 870 4.07 12.57 2.30 7.09 3540.9 860-840 850 4.6 17.17 2.60 9.69 3910 840-820 830 2.92 20.09 1.65 11.33 2423.6 820-800 810 19.85 39.94 11.20 22.53 16078.5 800-780 790 23.75 63.69 13.40 35.93 18762.5 780-760 770 30.27 93.96 17.08 53.01 23307.9 760-740 750 32.09 126.05 18.10 71.11 24067.5 740-720 730 27.86 153.91 15.72 86.83 20337.8 720-700 710 15.45 169.36 8.72 95.55 10969.5 700-680 690 7.89 177.25 4.45 100.00 5444.1 TOTAL 177.25 136542.1 Existen algunos valores representativos en la curva hipsométrica como: La altitud media, que es aquella para la cual el 50% del área de la cuenca está situado por encima de esa altitud y el 50% por debajo de ella. Nótese que si se grafican juntas la hipsométrica “por debajo” y “por encima”, ambas se cruzan en el valor de la altitud media. 2.6.7 Polígono de frecuencias Se denomina así a la representación gráfica de la relación existente entre altitud y la relación porcentual del área a esa altitud con respecto al área total. En el polígono de frecuencias existen valores representativos como: la altitud más frecuente, que es el polígono de mayor porcentaje o frecuencia. Curva A: refleja una cuenca con gran potencial erosivo (fase de juventud). Curva B: es una cuenca en equilibrio (fase de madurez). Curva C: es una cuenca sedimentaria (fase de vejez). 2.6.8 Coeficiente de torrencialidad Este coeficiente se emplea para estudios de máximas crecidas; y se determina por la ecuación: Donde: N1 : es el número de cursos de primer orden A : Es el área de la cuenca. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: Código Texto PEREZ, Giovene. Manual de Hidrología, 2016.224p. Disponible en: https://es.slideshare.net/gioveneperezcampomanes/manual-de- hidrologia-corregido-y-aumentado Romero, A. Calidad y tratamiento de agua. Editorial Mc Graw Hill. 2002.1248 p APARICIO, F. Fundamentos de la Hidrología de superficie. 3era ed. México: Editorial Limusa. 2008. 320 p. ISBN:968183014-8 CHOW, Ven te. Hidrología Aplicada. Editorial Mc Graw hill.1994.586p ISBN:968183014-8 Rodriguez H. Hidráulica Fluvial. Editorial de la comisión de Ingeniería. Prensa. 2010.372p. MONSALVE, G. Hidrología en la Ingeniería. Colombia: Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. 2006. 890p. VILLON, Máximo. Hidrología. 3 ªed. Costa Rica: Editorial Villón. 2006. FIN DEL TEMA