INTRODUCCION A LA HIDROLOGÍA URBANA

Transcripción

1 INTRODUCCION A LA HIDROLOGÍA URBANA INGENIERÍA SANITARIA II CIV 3239 B M.Sc. Ing. Amilkar Ernesto ILAYA AYZA HIDROLOGÍA Es la ciencia natural que estudia al 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. 1

2 IMPORTANCIA DE LA HIDROLOGÍA La hidrología proporciona al ingeniero o hidrólogo, los métodos para resolver los problemas prácticos que se presentan en el diseño, la planeación y la operación de estructuras hidráulicas. IMPORTANCIA DE LA HIDROLOGÍA Determinación de volumen aportado por cierta corriente. Definir la capacidad de diseño de obras. Aprovechamiento de recursos hídricos. Control de inundaciones, caudales máximos Control de estiajes, caudales mínimos Control de la contaminación, caudales mínimos y capacidad de reaireación. 2

3 CICLO HIDROLÓGICO CUENCA HIDROGRÁFICA Cuenca Hidrográfica Agua de Lluvia 3

4 CUENCA HIDROGRÁFICA Una cuenca hidrográfica es el área geográfica en la cual toda el agua de lluvia precipitada sobre ella escurre por la superficie del suelo y afecta a la sección considerada Una cuenca hidrográfica es definida por la divisoria de aguas que la separa de las cuencas adyacentes. CUENCA HIDROGRÁFICA 4

5 CUENCA HIDROGRÁFICA Todos los problemas prácticos de hidrología se refieren a una determinada cuenca. Es también común estudiar solo una parte de un curso de agua o subcuenca. DIVISORIA DE AGUA Es necesario contar con plani-altimetría para delimitar correctamente una cuenca, la línea divisoria de aguas: Los puntos mas altos generalmente forman parte de la divisoria. Debe cortar las curvas de nivel lo más perperdicularmente posible. 5

6 DIVISORIA DE AGUA PRECIPITACIÓN La precipitacion es el agua proveniente del vapor de agua de la atmosfera que llega a la superficie terrestre a traves de lluvia, granizo y nieve 6

7 MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN La lluvia se mide por la altura de agua caída y acumulada sobre una superficie plana. La cantidad de lluvia es medida por medio de instrumentos llamados pluviómetros y pluviógrafos. CARACTERÍSTICAS Son tres las características de las medidas pluviométricas: Altura pluviométrica (mm). Corresponde a la altura de la lamina de agua que se forma como resultado de cierta lluvia, en el caso de que no exista escurrimiento, infiltración o evaporación del agua precipitada. 7

8 CARACTERÍSTICAS Duración: periodo de tiempo contado desde el inicio hasta el fin de la precipitación, expresado generalmente en minutos. Intensidad de precipitación: es la relación entre altura pluviométrica y la duración de la lluvia expresada en mm/hr o mm/min. Una lluvia de 1 mm/min corresponde a un caudal de 1 litro/min fluyendo en un área de 1 m2 PLUVIÓMETRO Y PLUVIÓGRAFO 8

9 CÁLCULO DEL CAUDAL DE ESCURRIMIENTO MÉTODOS INDIRECTOS Los métodos indirectos son utilizados en localidades donde no existen registros de caudales observados, particularmente en pequeñas cuencas hidrográficas. Todos los métodos indirectos estiman los caudales a partir de los datos de lluvia que son menos escasos que los datos de caudal. MÉTODOS INDIRECTOS MÁS UTILIZADOS Método racional Método del hidrograma unitario Método del Soil Conservation Service (SCS) 9

10 MÉTODO RACIONAL El método racional calcula el caudal pico de aguas pluviales con base en la intensidad media del evento de precipitación con una duración igual al tiempo de concentración del área de drenaje y un coeficiente de escurrimiento. MÉTODO RACIONAL La ecuación del método racional donde: Q = Caudal pico del escurrimiento de aguas pluviales, en L/s C = Coeficiente de escurrimiento medio para un conjunto de superficies, adimensional i = Intensidad media de la lluvia, en L/s/ha A = Área de la superficie de las zonas afluentes, en ha 10

11 MÉTODO RACIONAL Asimismo, la misma ecuación del método racional, se debe utilizar para las siguientes unidades: Q = C I A donde: Q = Caudal pico de escurrimiento de aguas pluviales, en lt/s C = Coeficiente de escurrimiento medio para un conjunto de superficies, adimensional i = Intensidad media de la lluvia, en mm/h A = Área de la superficie de las zonas afluentes, en Ha MÉTODO RACIONAL De acuerdo con el método racional, el caudal pico ocurre cuando toda el área de drenaje está contribuyendo, y éste es una fracción de la precipitación media bajo las siguientes suposiciones: a) El caudal pico en cualquier punto es una función directa de la intensidad i de la lluvia, durante el tiempo de concentración para ese punto b) La frecuencia del caudal pico es la misma que la frecuencia media de la precipitación c) El tiempo de concentración está implícito en la determinación de la intensidad media de la lluvia por la relación anotada en el punto a) 11

12 APLICABILIDAD DEL MÉTODO RACIONAL El método racional es adecuado para áreas de drenaje pequeñas hasta de 50 ha. Cuando éstas son relativamente grandes, puede ser más apropiado estimar los caudales mediante otros modelos CURVAS DE INTENSIDAD- DURACIÓN-FRECUENCIA (IDF) Las curvas (IDF) constituyen la base hidrológica para la estimación de los caudales de diseño. Estas curvas sintetizan las características de los eventos extremos máximos de precipitación de una determinada zona y definen la intensidad media de lluvia para diferentes duraciones de eventos de precipitación con periodos de retorno específicos. Se debe verificar la existencia de curvas IDF para la localidad. Si existen, éstas deben analizarse para establecer su validez y confiabilidad para su aplicación al proyecto. Si no existen, es necesario obtenerlas a partir de información histórica de las lluvias. 12

13 INTENSIDAD (mm/hr) CURVAS DE INTENSIDAD- DURACIÓN-FRECUENCIA (IDF) CURVAS DE INTENSIDAD-DURACIÓN-FRECUENCIA TIEMPO DE DURACIÓN (min) La obtención de las curvas IDF debe realizarse con información pluviográfica de estaciones ubicadas en la localidad, derivando las curvas de frecuencia correspondientes mediante análisis puntuales de frecuencia de eventos extremos máximos. T = 2 T = 5 T = 10 T = 25 T = 50 T = 75 T = 100 ECUACIONES INTENSIDAD- DURACIÓN-FRECUENCIA En las precipitaciones, la intensidad de lluvia en general no permanece constante durante un período considerable de tiempo, sino que es variable. El tiempo de duración de las precipitaciones debe ser aquel que transcurra desde el inicio de la lluvia hasta que toda el área esté contribuyendo. La frecuencia de las precipitaciones es el tiempo en años en que una lluvia de cierta intensidad y duración se repite con las mismas características. 13

14 EJEMPLO Determinar la ecuación I-D-F: Td (hr) Intensidades (mm/hr) T = 2 T = 5 T = 10 T = 25 T = 50 T = 75 T = FRECUENCIA DE LLUVIAS - PERIODO DE RETORNO DE DISEÑO La selección del periodo de retorno está asociada con las características de protección e importancia del área de estudio y, por lo tanto, el valor adoptado debe estar justificado. Dependiendo de la importancia de la estructura hidráulica, el proyectista debe definir el período de retorno o grado de protección, esto es, mínimo, aceptable o recomendado. 14

15 FRECUENCIA DE LLUVIAS - PERIODO DE RETORNO DE DISEÑO a) Frecuencias de 1 año a 2 años Se utilizan para redes de áreas urbanas y suburbanas. b) Frecuencias de 2 años a 5 años Se utilizan para redes de áreas urbanas residenciales y comerciales. c) Frecuencias de 10 años Para colectores de segundo orden como canalización de riachuelos. d) Frecuencias de 20 años a 50 años Se adoptan para el diseño de obras especiales como emisarios (canalizaciones de primer orden). e) Frecuencias de 100 años Se utilizan para ríos principales que constituyen el sistema de drenaje global de la cuenca. PERIODO DE RETORNO SEGÚN EL GRADO DE PROTECCION 15

16 INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN La intensidad de precipitación que debe usarse en la estimación del caudal de diseño de aguas pluviales corresponde a la intensidad media de precipitación dada por las curvas IDF para el periodo de retorno de diseño y una duración equivalente al tiempo de concentración del escurrimiento, INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN Los valores de intensidad dados por las curvas IDF corresponden a valores puntuales representativos de áreas relativamente pequeñas. En la medida en que las áreas de drenaje consideradas se hacen más grandes, la intensidad media de la lluvia sobre éstas se reduce en razón de la variabilidad espacial del fenómeno de precipitación. 16

17 FACTORES DE REDUCCIÓN COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA El coeficiente de escurrimiento (C), es función del tipo de superficie, del grado de permeabilidad de la zona, de la pendiente del terreno y otros factores que determinan la fracción de la precipitación que se convierte en escurrimiento. Para su determinación se deben considerar las pérdidas por infiltración en el suelo y otros efectos retardadores. 17

18 COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA Para áreas de drenaje que incluyan subáreas con coeficientes de escurrimiento diferentes, el valor de (C) representativo del área debe calcularse como el promedio ponderado con las respectivas áreas. Puede aplicarse Teledetección y SIG donde: Ci = Coeficiente de escurrimiento superficial de cada sector, adimensional Ai = Área de cada sector, en ha A =Área total de la cuenca de drenaje, en ha COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA 18

19 COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA Se recomienda en poblaciones rurales, adoptar para C, valores entre 0,40 y 0,60. Asimismo los valores del coeficiente de escurrimiento superficial (C) para un proyecto de recolección y evacuación de aguas pluviales deben ser elegidos considerando: El efecto de la urbanización creciente, la posibilidad de realización de planes urbanísticos municipales y la legislación local referente al uso del suelo EN FUNCIÓN AL CRECIMIENTO DE LA URBANIZACIÓN 19

20 TIEMPO DE CONCENTRACIÓN O DE DURACIÓN t = t + t d e p Donde: td = tiempo de duración en min. te = tiempo de entrada en min. tp = tiempo de flujo en los conductos en min. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN O DE DURACIÓN El tiempo de entrada corresponde al tiempo requerido para que el escurrimiento llegue al sumidero del colector. El tiempo de recorrido se asocia con el tiempo de viaje o tránsito del agua dentro del colector. 20

21 TIEMPO DE CONCENTRACIÓN O DE DURACIÓN El caudal producido es el máximo si la duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración del área drenada. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN 21

22 TIEMPO DE CONCENTRACIÓN TIEMPO DE ENTRADA (Te) La fórmula de Kerby donde: L = Longitud máxima de flujo de escurrimiento superficial, en m S = Pendiente promedio entre el punto más alejado y el colector, en m/m m = Coeficiente de retardo, adimensional 22

23 COEFICIENTE DE RETARDO (m) TIEMPO DE ENTRADA Según el Soil Conservation Service (SCS) de Estados Unidos: donde: L Longitud máxima de flujo de escurrimiento superficial, en m Ve Velocidad media de escurrimiento superficial, en m/s Ve puede aproximarse por: donde: a Constante, adimensional S Pendiente promedio entre el punto más alejado y el colector, en m/m 23

24 TIEMPO DE ENTRADA a es una constante que depende del tipo de superficie: TIEMPO DE RECORRIDO (Tt) donde: LC Longitud del colector, en m Vm Velocidad media del flujo en el colector, en m/s 24

25 TIEMPO DE RECORRIDO (Tt) El tiempo de concentración mínimo en cámaras de arranque es 10 minutos y máximo 20 minutos. El tiempo de entrada mínimo es 5 minutos. Si dos o más colectores confluyen a la misma estructura de conexión, debe considerarse como tiempo de concentración en ese punto el mayor de los tiempos de concentración de los respectivos colectores. 25