Estimación de variables hidrológicas. Dr. Mario Martínez Ménez

Transcripción

1 Estimación de variables hidrológicas Dr. Mario Martínez Ménez 2005

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3 El calculo de las variables hidrológicas se utilizan para conocer la eficiencia técnica y el diseño de obras de conservación del suelo y agua: El escurrimiento medio, para estimar el volumen de agua por almacenar o retener El escurrimiento Máximo instantáneo para diseñar obras de excedencia (vertedores, cauces empastados, canales, etc) Producción de sedimentos y degradación específica de los suelos

4 Escurrimiento medio Vm C Pm A Donde: Vm Volumen medio que puede escurrir (m 3 ) A Área de la cuenca (ha) C Coeficiente de escurrimiento (adimensional) Pm Precipitación media (mm)

5 Coeficiente de escurrimiento Uso del suelo Bosque Pastizales Cultivo Pendiente del terreno Textura del suelo Gruesa Media Fina Plano (0-5% pendiente) Ondulado (6-10% pendiente) Escarpado (11-30% pendiente) Plano (0-5% pendiente) Ondulado (6-10% pendiente) Escarpado (11-30% pendiente) Plano (0-5% pendiente) Ondulado (6-10% pendiente) Escarpado (11-30% pendiente)

6 Ejemplo de calculo Estimar el volumen medio de una cuenca de 50 ha, con: Terrenos planos (5%), de textura arenosa, con cultivo de maíz (20 ha) (C 0.3) Terrenos de pastizales, de textura media con pendiente de 6% (30 ha) (C 0.36) Precipitación media anual es de 800 mm. Coeficientes ponderado C (20x0.3) + (30x0.36) V m (0.34) (800) (50) (10) V m 136,000 m 3

7 Escurrimiento máximo instantáneo El escurrimiento máximo instantáneo para el diseño de obras de excedencia se puede estimar por los métodos de: Huellas máximas A Huellas máximas q p AV Racional Racional modificado V r 2 / 3 s n 1/ 2 Curvas numéricas o del SCS (USA).

8 Levantamiento de secciones transversales

9 Huellas Máximas para estimar el escurrimiento máximo instantáneo Q A* V Q - Escurrimiento máximo m 3 /seg A Area de la sección m 2 V Velocidad del flujo m/seg he A d + hi + 2 h ( e 1 2 ) V R 2 / 3 * S n 1 / 2 R Ancho (m) Tirante (m) d1 0.9 h1 2.5 d2,3,4,5 1.0 h2 2.7 d6 1.3 h3 2.8 h4 2.7 h5 1.8 P 9 A P ( dhe dhe A + dh 1 i + ) * *1.8 A ( + 1* ) A R 1. 43m 9 V / 3 * / Q * m / seg

10 Método Racional Donde: q p CIA 360 q p Escurrimiento máximo instantáneo (m 3 /seg) C Coeficiente de escurrimiento L Intensidad máxima de la lluvia para un período de retorno dado (mm/hr) A Área de drenaje (ha) 360 Factor de ajuste de unidades

11 Método racional modificado q p CLA 360 Donde: q p Escurrimiento máximo instantáneo (m 3 /seg) C Coeficiente de escurrimiento L Lluvia máxima en 24 horas para un período de retorno dado (mm) A Área de drenaje (ha) 360 Factor de ajuste de unidades

12 Calculo del escurrimiento máximo instantáneo (Racional) Determinar el escurrimiento máximo para un período de retorno de diez años: Área: 100 ha Localización: Guaymas, Son. (a) 40 ha de terreno plano, con una textura gruesa y sembrados de trigo; (b) 20 ha de terreno ondulado (5-10%) de pasto natural y textura media y (c) 40 ha de terreno plano, cultivado de maíz y con textura media. El coeficiente de escurrimiento para las tres condiciones; (a) 0.30; (b) 0.36 y (c) 0.50 C ((0.30*40) (0.36*20) (0.50*40)/100)) C Intensidad máxima de 50 mm/hr (10 años) q p *50 * q p 5.44 m 3 /seg

13 Calculo del escurrimiento máximo instantáneo (Racional Modificado) Determinar el escurrimiento máximo para un período de retorno de cinco años: Área: 100 ha Localización: Guaymas, Son. (a) 40 ha de terreno plano, con una textura gruesa y sembrados de trigo; (b) 20 ha de terreno ondulado (5-10%) de pasto natural y textura media y (c) 40 ha de terreno plano, cultivado de maíz y con textura media. El coeficiente de escurrimiento para las tres condiciones; (a) 0.30; (b) 0.36 y (c) 0.50 C ((0.30*40) (0.36*20) (0.50*40)/100)) C Precipitación de 75 a 150 mm. q p 0.392* 75* q p 8.16 m 3 /seg

14 Escurrimientos medios y máximos (Método del SCS o Curvas Numéricas) Para estimar el escurrimiento medio por evento se requiere: Precipitación por evento Para estimar el escurrimiento máximo instantáneo se utiliza: Precipitación máxima para un periodo de retorno deseado

15 Proceso hidrológico

16 Escurrimiento medio Q 2 ( P 0.2S ) ( P + 0.8S ) Donde: Q Escurrimiento medio (mm) P Precipitación por evento (mm) S Potencial máximo de retención (mm) Grupo hidrológico de suelos S CN CN Donde: S Potencial máximo de retención (mm) CN Curvas numéricas (adimensional) Condición hidrológica del área de drenaje Uso de suelo Humedad antecedente

17 Grupos hidrológicos de suelos Grupo de suelos A B C D Descripción de las características del suelo Suelo con bajo potencial de escurrimiento, incluye arenas profundas con muy poco limo y arcilla; también suelo permeable con grava en el perfil. Infiltración básica 8-12 mm hr -1. Suelos con moderadamente bajo potencial de escurrimiento. Son suelos arenosos menos profundos y más agregados que el grupo A. Este grupo tiene una infiltración mayor que el promedio cuando húmedo. Ejemplos: suelos migajones, arenosos ligeros y migajones limosos. Infiltración básica 4-8 mm hr -1. Suelos con moderadamente alto potencial de escurrimiento. Son suelos someros y suelos con considerable contenido de arcilla, pero menos que el grupo D. Este grupo tiene una infiltración menor que la promedio después de saturación. Ejemplo: suelos migajones arcillosos. Infiltración básica 1-4 mm hr -1. Suelos con alto potencial de escurrimiento. Por ejemplo, suelos pesados, con alto contenido de arcillas expandibles y suelos someros con materiales fuertemente cementados. Infiltración básica menor 1 mm hr -1.

18 Condición hidrológica por uso de suelo Uso del suelo Pastos naturales Áreas boscosas Pastizales mejorados Rotación de praderas Cultivos Condición hidrológica Pastos en condiciones malas, dispersos, fuertemente pastoreados con menos que la mitad del área total con cobertura vegetal. Pastos en condiciones regulares, moderadamente pastoreados con la mitad o las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal. Pastos en buenas condiciones, ligeramente pastoreados y con mas de las tres cuartas partes del área total con cubierta vegetal. Áreas en condiciones malas, tienen árboles dispersos y fuertemente pastoreados sin crecimiento rastrero. Áreas de condiciones regulares, son moderadamente pastoreadas y con algo de crecimiento. Áreas buenas, están densamente pobladas y sin pastorear. Pastizales mezclados con leguminosas sujetas a un cuidadoso sistema de manejo de pastoreo. Son considerados como buenas condiciones hidrológicas. Praderas densas, moderadamente pastoreadas, usadas en una bien planeada rotación de cultivos y praderas son considerados como que están en buenas condiciones hidrológicas. Áreas con material disperso, sobrepastoreado son considerados como malas condiciones hidrológicas. Condiciones hidrológicas buenas se refieren a cultivos los cuales forman parte de una buena rotación de cultivos (cultivos de escarda, praderas, cultivos tupidos). Condiciones hidrológicas malas se refiere a cultivos manejados basándose en monocultivos.

19 Condición antecedente de humedad Condición de humedad antecedente Precipitación acumulada de los 5 días previos al evento en consideración (mm) I < 12.7 II III > 38.1 CN( I) CN( II) 0.058CN( II) CN( III) 10 23CN( II) CN( II)

20 Cobertura Grupo de suelos Uso del suelo Tratamiento o práctica Condición A B C D hidrológica Curva numérica Suelo en descanso Surcos rectos Valores de CN para estimar Q bajo diferentes complejos suelo-manejo y cobertura (CN II, Ia0.2S) Cultivo de escarda Cultivos tupidos Leguminosas en hilera o forraje en rotación Pastizales Pasto de corte Surcos rectos Surcos rectos Curva a nivel Curva a nivel Terraza y curva a nivel Terraza y curva a nivel Surcos rectos Surcos rectos Curva a nivel Curva a nivel Terraza y curva a nivel Terraza y curva a nivel Surcos rectos Surcos rectos Curva a nivel Curva a nivel Terraza y curva a nivel Terraza y curva a nivel Sin tratamiento mecánico Sin tratamiento mecánico Sin tratamiento mecánico Curva a nivel Curva a nivel Curva a nivel Mala Mala Mala Mala Mala Mala Mala Mala Mala Mala Regular Mala Regular Bosque Mala Regular Caminos de tierra Caminos pavimentados

21 90 90 Matorral de desierto 80 Matorral herbáceo 90 Variación de CN para diferentes usos de suelo y porcentaje de cobertura vegetal Curvas numéricas Matorral de montaña Pastizales Forestales Porcentaje de cobertura vegetal

22 Escurrimiento máximo Donde: q p Escurrimiento máximo instantáneo (m 3 /seg) Coeficiente de escurrimiento (Q/P) P Precipitación (mm) A Área de drenaje (ha) 360 Factor de ajuste de unidades α αpa q p 360

23 Estimación de Q y q p. Ejemplo de aplicación Estimar el escurrimiento medio y máximo de la cuenca del río Texcoco, considerando una lluvia máxima de 75 mm, con una duración del exceso de agua de 45 minutos y con un periodo de retorno de 10 años. La cuenca del río Texcoco presenta las siguientes características: Zona Cubierta Pendiente (%) Area (ha) 1 Bosque Pastizales Uso agrícola Los suelos de la zona 1 son someros migajones arenosos, con grava en el perfil y la vegetación es de bosque, con coberturas del 60 %. Los suelos de la zona 2 tienen texturas migajones arcillosos y están cubiertos con pastos fuertemente pastoreados. Los terrenos agrícolas son de pendientes que fluctúan de 5 a 20 % y las texturas son francas con cultivos anuales de escarda y una porción con cultivo anual de escarda y terraceado (20 %).

24 Estimación de Q y q p. Ejemplo de aplicación Es importante considerar que en los 5 días previos a la tormenta cayeron 50 mm de lluvia, y que la cuenca tiene una longitud en la corriente principal de 20 km. y un desnivel de 1700 m. Estimación del escurrimiento medio Características de las zonas de la cuenca del río Texcoco. Zona Uso del suelo Condición hidrológica Grupo de suelo 1 Bosque Regular A 2 Pastizal Mala C 3 Agrícola Mala B Valores de CN y S para las diferentes zonas de la cuenca del río Texcoco. Zona Area CN 1 CHA 2 CN 3 S III III III III ) Valor de CN del Cuadro 3. 2) Condición de humedad antecedente. 3) Curva numérica ajustada por humedad. 4) Calculado de la ecuación S(25400/CN)-254.

25 Estimación de Q y q p. Ejemplo de aplicación Cálculo del escurrimiento medio ponderado de la cuenca del río Texcoco Zona Area S (mm) P (mm) Q (mm) QA Q , , , , , * 3000ha *10000m ,600m Q total escurrido Q total 3 Estimación del escurrimiento máximo 2 T C 0.02 L H T C (0.02) T C minutos T C 1.68 horas Tc Tiempo de concentración (min) L Longitud del cauce principal (m) H Desnivel (m)

26 Escurrimiento máximo Qp α PA α α * 44.64*3, P Qp q p m 3 /seg