01 Clase I Introduccion(ING. HIDRAULICA)

DIPLOMADO EN INGENIERÍA HIDRAÚLICA 2015 Módulo I –Hidrología Avanzada MSc. Ing.. Jorge Zafra Cordova

COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ CD Huanuco

CLASE I: INTRODUCCION

Imagen Fuente : www.senamhi.gob.pe



INTRODUCCION PERSONAL • Ing. Mecánico de Fluidos, UNMSM, Lima Perú • Estudios de Maestría en Ing. Hidráulica, UNI, Lima, Perú • MSc. Hydrology and Water Resources, UNESCO IHE, DelQ Holanda

• Profesor de Hidrologia, Facultad de Ingenieria Civil, USMP, Lima Peru • Consultor en Hidrología e Hidraulica



INTRODUCCION PERSONAL • Experiencia de Trabajo en el Peru: Norte (Chiclayo,Pucallpa), Centro (Huancayo,Huancavelica, Cerro de Pasco,Huaral), Sur (Moquegua,Tacna,Juliaca,Arequipa)

• Experiencia de Trabajo Fuera del Perú: Nueva Zelanda, EWopía , Francia, Holanda

• Experiencia en Modelamiento Hidrológico, Diseño de Drenaje de Vías, Hidrogeología y pruebas de bombeo para pozos, Diseño y supervisión de estructuras hidráulicas (canales, encimamiento de presas),sistemas de bombeo. Hidrologia Isotopica

• Publicacion de arWculos cienWficos, y reconocimientos varios.



INTRODUCCION PERSONAL

• Nombre completo, y especialidad

• Que esperan aprender en este curso?

• Que es la hidrologia?

• Es uWl para mi este curso ?



CLASE I: INTRODUCCION

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Clase I Contenido:

• Hidrología en la Ingeniería

• Ciclo Hidologico

• Cuenca Hidrografica y Balance de Aguas



HIDROLOGIA EN LA INGENIERIA

NASA The Earth System – 5 Spheres Working Together

Litósfera

Biosfera

Hidrosfera

Atmósfera

Criosfera



Como Obtener un Sostenible y Mejor Manejo Integrado de Recursos

Hídricos ?



HIDROLOGIA EN LA INGENIERIA Como podremos obtener un un mejor (sostenible) Manejo Integrado de los Recursos Hídricos ?

Este año se presentará la máx ima en 100 años?

InvesWgación del Sistema Hidrológico

Análisis de Datos y Modelamiento

Análisis de Resultados EsWmación de Riesgos e Impacto Económico



P robability

0.9999 0.999 0.99 0.9 0.5 0.2 0.1 0.02 0.01 0.005 0.002 0.0001

R eturn Period

1.0 1.1 2 5 10 50 100 200 500 10000

Flow (cm

s)

10.0

100.0

1000.0

Bulletin 17B P lot for Gedeb_F low_Freq_Analys is

C omputed C urve Expected Probability C urve 5 Percent C onfidence L imit 95 Percent C onfidence L imit Observed E vents (Weibull plotting pos itions) High Outlier L ow Outlier

InvesWgación del Proceso Hidrológico

Análisis de Datos y Modelamiento Hidrológico

EsWmación de Riesgos e Impactos Economicos



•  BALANCE HIDRICO : dS/dt = Q + E – P

• EVENTOS EXTREMOS : SEQUIAS / INUNDACIONES

• ESCENARIOS PARA : • CAMBIO DE USO DE TIERRAS • CAMBIO CLIMATICO • ESTRATEGIAS DE MANEJO DE RRHH

El Manejo Integrado de Recursos Hídricos Necesita :

Información

Entend

imiento de

l sistem

a hidrológico y

mod

elam

iento…

!!



Ciencia que trata los procesos que gobiernan el ingreso y salida de los recursos hidricos en el ciclo hidrologico (Definicion del IHSA)



Obtención de Datos Hidrológicos :

Estaciones Meteorológicas

Estaciones Hidrométricas

Calidad de Agua y Parámetros Químicos

Y Muchas Otras…! -‐  Topografia (GIS) -‐  Covertura Vegetal -‐  Uso de Tierras



Curva Duración de Caudal

USOS : -‐ Hidroelecricas calculo de energia disponible -‐  Analizar impactos de estructuras o manejo de escenarios de caudales en rios -‐  Analisis geomorfologicos



Diseño de Avenidas Si hay suficiente data : -‐  Hidrología EstocásWca (distribuciones probabilísWcas)

-‐ Análisis de Frecuencias -‐ Periodo de Retorno -‐ Probabilidad de Excedencia -‐ Hidrograma Unitario

Si no hay suficiente data : -‐  Hidrología EstadísWca

-‐ Curvas Intensidad Duración Frecuencia

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20

Inte

nsity

of P

reci

pita

tion

(mm

/da

ys)

Duration (days)

IDF Curves for Marcoux (1971-2005)

T = 2 years T = 5 years

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 5 10 15 20 25 30

Discharge in m

3/s

Time in days

Synthetic Design Hydrograph-‐For 4th & 5th Check Dam in Le Bes Sub Catchment-‐

T=2

T=5

T=10

T=25

T=50

T=100



Modelos Hidrologicos

MODELO MATEMATICO Conjunto de expresiones matemáWcas y sentencias lógicas, combinadas con la finalidad de simular el sistema natural.

SIMULACION

Es la descripción variable en el Wempo del sistema natural realizada por el modelo



Modelos Hidrologicos

PROCESO HIDROLOGICO

DETERMINISTICOS ESTOCASTICOS COMBINADOS

EMPIRICOS Caja Negra

CONCEPTUALES JUNTADOS Caja Gris

FISICAMENTE BASADOS Caja Blanca



ETAPAS DEL PROCESO DE MODELACIÓN HIDROLOGICA: (Usuario)

1.  Selección del Modelo más adecuado

2.  Calibración de parámetros

3.  Validación

4.  Análisis de Sensibilidad

5.  Postevaluación?



-‐  Modelo Agregado -‐  HEC Geo HMS

-‐  Modelo Distribuido -‐  Mike SHE

Selección del Modelo más adecuado



Construccion del Modelo y Calibracion de Parametros



Validación



Puro Interés CienWfico

Manejo de Recursos Hídricos

e Ingeniería

Hidrología



INTRODUCCION La importancia del Agua para el Hombre y su Desarrollo: • A pesar de ser uno de los recursos mas importantes y abundantes para el desarrollo de la vida humana, solo 1% esta disponible para su uso seguro en el mundo (FAO).

• Los desastres relacionados con fenómenos hidrológicos causan 25 000 muertes al día. (PNUMA. 1991. Freshwater pollution. UNEP/GEMS Environmental Library, N° 6. Nairobi)

Articulo Para Leer : LOS PROBLEMAS DEL AGUA Y LA AGRICULTURA (FAO,1993)



INTRODUCCION Política y Estrategia Nacional de Recursos Hídricos del

Perú • Planteada por una comisión multisectorial conformada por diversos ministerios

• Presentada en el año 2009, por el ANA (antes parte del MINAG)

• Realiza una discusión breve sobre diversos temas. Articulo Para Leer :

Política y Estrategia Nacional de Recursos Hídricos del Perú, ANA (2009)



INTRODUCCION Política y Estrategia Nacional de Recursos Hídricos del

Perú • Menciona los retos del agua en el Perú

• El agua a futuro en el Perú

• Y la Implementación de acciones de la estrategia nacional de Gestión de Recursos Hídricos

Articulo Para Leer : Política y Estrategia Nacional de Recursos Hídricos

del Perú, ANA (2009)



INTRODUCCION La importancia del Agua para el Hombre y su Desarrollo: Según Ven Te Chow : • El agua es el principal constituyente de todos los seres vivos.

• Mantiene la superficie terrestre en constante cambio (Dooge,1983).

• Es un factor clave en el comportamiento climático del planeta.



INTRODUCCION La importancia del Agua para el Hombre y su Desarrollo: Al ser de gran importancia para el hombre, su demanda tiene como consecuencia: • Aumento de la demanda debido al incremento de población e incremento de la demanda de mejor calidad de vida.

• Cambios en el comportamiento natural hidrológico, y depredación del recurso.



INTRODUCCION La importancia del Agua para el Hombre y su Desarrollo: • A pesar de ser uno de los recursos mas importantes y abundantes para el desarrollo de la vida humana, solo 1% esta disponible para su uso seguro en el mundo (FAO).

• Los desastres relacionados con fenómenos hidrológicos causan 25 000 muertes al día. (PNUMA. 1991. Freshwater pollution. UNEP/GEMS Environmental Library, N° 6. Nairobi)



DEFINICION

Cataratas de Gocta, Amazonas Peru

Se puede definir a la hidrología como el estudio del proceso de distribución y transformación del agua así como también el estudio de la calidad del agua. Este estudio incluye procesos como el ciclo hidrológico, aspectos ambientales y de aprovechamiento eficiente del recurso hídrico.



DEFINICION

Cataratas de Gocta, Amazonas Peru

También la podemos definir como: “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. “ (Ven Te Chow,1987)



RESEÑA HISTORICA:

Leonardo Da Vinci, Study of Turbulence in Water

• Alrededor del año 1000 a.C. Homero ya filosofaba sobre el movimiento del agua (primer observación del ciclo hidrológico?).

• Hacia el año 500 a.C. Anaxagoras de Cazomene (filosofo griego) plantea una incipiente versión del ciclo hidrológico.

• Teofrasto (372-287 a.C.), también filosofo g r i ego me jo ró l o p ropues to po r Anaxagoras e incluyo una explicación lógica de la formación de la precipitación (al considerar la condensación y el congelamiento).



RESEÑA HISTORICA:


• En el siglo XIV, Da Vinci, estudió la distribución de velocidad en los ríos usando una vara con lastre y flotador.

• Pierre Perault (1650) marcó la pauta del ciclo hidrológico como estudio formal y científico. Su obra: De L'origine des F o n t a i n e s , c o n c l u y ó q u e l a s precipitaciones y el derretimiento de la nieve son las fuentes de los ríos.

• Durante el siglo XIX, se avanzo en el estudio de la Hidrología, con los aportes de Dalton (Evaporación)…,



RESEÑA HISTORICA:


• …Mulvaney ( Método Racional),Darcy (Flujo en medios porosos),etc.

• Finalmente, durante el siglo XIX, se produjo un cambio del empirismo, al a n á l i s i s c i e n t í f i c o ( c u a l i t a t i v o y cuantitativo).

• Entre los grandes aportes a la hidrología en ese periodo caben mencionar los de Green y Ampt (estudio de la infiltración). Hazen y Williams (análisis de frecuencia de creciente), Sherman (diagrama unitario), y Horton (estudio de la teoría de infiltración).


COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ CD Huanuco Leonardo Da Vinci, Study of Turbulence in Water

• En la antigüedad, grandes obras de ingeniería se realizaron por culturas avanzadas y preocupadas en un desarrollo sostenible.

• El desarrollo de la ingeniería hidráulica en la antigüedad estuvo ligado a un buen entendimiento del proceso hidrológico.

• A continuación presentamos algunos ejemplos

RESEÑA HISTORICA:


COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ CD Huanuco Presa Marib, Valle de Dama, Yemen Wadi Adhanah

• Construida en el siglo VIII a.C. en Yemen.

• Incluye compuertas y torres de anclaje, con una altura máxima de 18 metros aproximadamente.

• El eje de la presa tenia 750 metros de largo y la máxima profundidad al espejo de agua era de 15 metros.

• Usado pa ra i r r i ga r un a rea de aproximadamente 100 km2

RESEÑA HISTORICA:


COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ CD Huanuco Acueducto Pont du Gard, Imperio Romano, sur de Francia.

• Construido por Augustus alrededor del año 19 a.C.

• Gran dominio romano de la Ingeniería Hidráulica., que es parte de un acueducto de 51 km.

• Tres filas de arcos que se elevan 48.8 metros sobre el suelo.

• Se estima que transportaba 200 millones de litros por día hacia Nimes.

RESEÑA HISTORICA:


COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ CD Huanuco Tipon, Oropesa, Cusco, Peru. Imperio Inca

• Ubicado aguas abajo del Rio Huatanay.

• Es un complejo agrícola que ha sido utilizado durante 450 años.

• Demuestra un gran dominio de ingeniería al hacer un manejo integrado del agua, suelo, agricultura y topografía.

• La destreza en el diseño hidráulico, es visible al analizar las secciones de los canales y la disposición de material granular de diferentes diámetros en los andenes.

RESEÑA HISTORICA:



DIVISION Entre las disciplinas mas actuales dentro de la hidrología podemos mencionar: • Ecohidrologia: estudio de la interacción entre organismos vivos y el ciclo hidrológico.

• Hidrogeología: estudia la presencia y movimiento del agua en el subsuelo.

• Hidrología Isotópica: es el estudio de la huella isotópica del agua.



DIVISION E n t r e l a s d i s c i p l i n a s m a s importantes dentro de la hidrología podemos mencionar: • Hidrología Física: Estudia los fenómeno físicos asociados desde una orientación determinística.

• Hidrología Superficial: Estudia el comportamiento del agua sobre la superficie terrestre. • Hidrología Estocástica: Estudia los fenómenos hidrológicos como fenómenos probab i l ís t icos , basado en datos experimentales análisis estadísticos.



IMPORTANCIA DE LA HIDROLOGIA “La hidrología proporciona al ingeniero, los métodos para resolver los problemas prácticos que se presentan en el diseño, la planeación y la operación de estructuras hidráulicas. • Determinar si el volumen aportado por una cierta corriente es suficiente para cubrir la demanda existente. • Definir la capacidad de diseño de obras de infraestructura mayor. • Estos diseños requieren del análisis hidrológico cuantitativos para la selección del evento de diseño nnecesario.” Vertedero Morning Glory, Presa Aguada Blanca

La Tomilla, Arequipa Peru



APLICACIONES DE LA HIDROLOGIA • Estudio y Construcción de Obras Hidráulicas.

• Proyectos de Drenaje e Irrigación

• Prevención de Desastres naturales (Inundaciones y Sequias)

• Control de Polución

• Control de Erosión

• Navegación

• Aprovechamiento hidroeléctrico Rio Moyan, La Libertad,Peru



APLICACIONES DE LA HIDROLOGIA



Preguntas o Comentarios ?



CICLO HIDROLOGICO

Cascada (1961), Litografía M.C. Escher

En la hidrosfera, el movimiento del agua no tiene principio ni fin.



CICLO HIDROLOGICO

• El ciclo hidrológico, no tiene principio ni fin.

• Por lo tanto, su descripción puede comenzar en cualquier punto.

• Todos los procesos del ciclo hidrológico ocurren de forma continua y simultanea.

• El ciclo hidrológico es completamente irregular.


COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ CD Huanuco Cascada (1961), Litografía M.C. Escher



COMPONENTES DEL CICLO HIDROLOGICO • Evaporación: Emisión de vapor de agua por una superficie libre a temperatura inferior a su punto de ebullición.

• Transpiración: El agua de la vegetación pasa a la atmósfera en forma de vapor.

• Evapotranspiración: Agua transferida del suelo a la atmosfera por evaporación y por la transpiración de las plantas.



COMPONENTES DEL CICLO HIDROLOGICO • Condensación: Transición del agua de la fase de vapor a la fase liquida.

• Precipitación: Conjunto de partículas de agua en cualquiera de sus tres estados que se precipitan hacia la superficie terrestre.

• Intercepción: Proceso por el cual la precipitación es detenida y retenida por la vegetación y otros obstáculos, perdidas por evaporación y transpiración, antes de alcanzar el subsuelo.



COMPONENTES DEL CICLO HIDROLOGICO • Almacenamiento: Se presenta en las depresiones del terreno.

• Escorrentía: Parte de la precipitación que fluye por el terreno, o por debajo de el (flujo superficial y subsuperficial)

• Flujo Subsuperficial: Flujo que se presenta inmediatamente por debajo de la superficie del terreno.



COMPONENTES DEL CICLO HIDROLOGICO • Infiltración: Movimiento de partículas de agua a través de partículas solidas, ocasionado por la gravedad o diferencia de presiones.

• Percolación: Flujo de un liquido a través de medios porosos, causado por la acción de gradientes hidráulicos moderados, generalmente causado por la acción de la gravedad.



COLORES DEL AGUA A ESCALA GLOBAL

Ph.D. Savenije 2007, TU Delft

Atmosfera

Océanos y

Mares

Evap

Superficie Cuerpos de Agua

Acuíferos Renovables Suelo

Q

Evap P

Qsub

Evap

Qs

Inf

Qs



• Es útil distinguir entre tres tipos diferentes de agua en función de su incidencia en el ciclo del agua (Falkenmark, 1995):

• "blanco" : las precipitaciones y la parte del agua de lluvia que es interceptada y de inmediato se evapora a la atmósfera.

• "verde" : la humedad del suelo en la capa de suelo no saturado, se derivan directamente de las precipitaciones, que es transpirada por la vegetación.

• "azul": el agua que participan en la segunda vuelta (sub-) del ciclo, que consta de las aguas superficiales y las aguas subterráneas (por debajo de la zona no saturada).




AGUA BLANCA VERDE Y AZUL


Las precipitaciones en los sistemas agrícolas en las zonas tropicales semiáridas de África subsahariana (Rockström et al., 2003)



DISTRIBUCIÓN DEL AGUA EN LA TIERRA

Integrated Earth systems. NASA grin

• Alrededor de la tierra el agua no se distribuye equitativamente.

• El agua se encuentra en sus tres estados en siendo su variabilidad, espacial y temporal.

• Conocer como se distribuye en el tiempo y en el espacio ayuda a comprender su comportamiento.



DISTRIBUCION DEL AGUA EN LA TIERRA

Estudios del balance hídrico a escala mundial se empezaron a desarrollar a finales del siglo XIX, Lvovitch (1970), Baumgartner y Reichel (1970). Korzun (1978) Mas recientemente Shiklomanov (2009) recalculo las estimaciones del ciclo global del agua y sus variaciones regionales.




The United Nations World Water Development Report 2 Section 2: Changing Natural Systems, Chapter 4, Part 1. Global Hydrology and Water Resources, p.121

Excluyendo agua subterránea in el antártico, estimado en 2 millones de km3 , incluyendo predominantemente agua fresca en un 50%




The United Nations World Water Development Report 2 Section 2: Changing Natural Systems, Chapter 4, Part 1. Global Hydrology and Water Resources, p.1213



DISTRIBUCION DEL AGUA EN LA TIERRA Tiempo Medio de Residencia (TRM o MRT en ingles): • El tiempo medio de residencia es el volumen de agua en un sub-sistema dividido por el flujo.

• Por ejemplo, en la atmosfera: De Dyck & Peschke (1995) 13000km3 / 577000 km3/a = ??? dias



DISTRIBUCION DEL AGUA EN LA TIERRA Coeficiente de Renovación • Es el reciproco del tiempo de residencia

• Por ejemplo, en la atmosfera De Dyck & Peschke (1995) 577000 km3/a / 13000km3 = ??? año



DISTRIBUCION DEL AGUA EN LA TIERRA • TMR corto: Presente en pequeños sistemas o sistemas con flujos elevados (atmosfera, pequeños lagos)

• TMR Largo: Presente en sistemas de gran envergadura o de flujos pequeños (océanos, acuíferos profundos, algunos glaciares, algunos lagos,etc.)

• El tiempo medio de residencia nos ayuda a analizar , estudiar y evaluar el impacto de la contaminación en el agua. (“efecto de memoria”). Por que?



BALANCE HÍDRICO EN LA TIERRA

Cascada (1961), Litografía M.C. Escher

En la hidrosfera, el movimiento del agua no tiene principio ni fin. P e r o , e s t a f i g u r a p u e d e s e r reproducida en la realidad?




Global Hydrological Cycles and World Water Taikan Oki, et al. Resources



EQUACION DE BALANCE HIDRICO

I (t) – O (t) = ∆s / ∆t I (t) = Ingresos O(t) = Salidas ∆s / ∆t = Cambio en almacenamiento



EQUACION DE BALANCE HIDRICO Para realizar un balance hídrico debemos tener en cuenta que el balance hídrico considera: • Ecuación de balance

• Ecuación de almacenamiento

• Ecuación de continuidad

• Ley de Conservación de la masa

Unidades: Volume/Tiempo (L3/T) Masa/Tiempo (M/T) Profundidad por area fija por tiempo (L/T)



EQUACION DE BALANCE HIDRICO El balance hídrico consiste en el flujo y el volumen de control. El flujo está representado por los flujos de entrada y salida, y tiene como unidad al volumen por unidad de tiempo. El volumen de control es la capacidad del sistema para almacenar el flujo de agua. Esta capacidad de almacenamiento tiene como unidad al volumen. De la división del volumen de control por el flujo, se obtiene una medida útil, llamado tiempo de residencia del flujo en el volumen de control:

Tiempo de residencia = S / I (t)




Ejemplo Si P = 900 mm/año; área de inf luencia es 50 000km2, ¿cuánto es Q en m3/ s, si ET es de 700 mm / año, y la variación anual de almacenamiento es despreciable.




Solución : Emplear el dato de área de la cuenca para obtener el valor del caudal.

mm/ año -mm/ año -Q(t)?=0 mm/ año =Q(t) Convertir mm/ año m3/s

sm

saño

mmm

añomm 71078.2

36001

100011 −×=××

( )( )

2102

22 10*5

1100050000 mkmmkm =×



EQUACION DE BALANCE HIDRICO Ejemplo • Indicar el volumen de control

• Hay mas componentes de ingreso y salida?

• Cua l es la un idad mas apropiada?



EQUACION DE BALANCE HIDRICO Ejemplo • Como calculamos la variación del almacenamiento?

• Cual seria un intervalo de tiempo típico?




World Water Assesement Program 2003



EQUACION DE BALANCE HIDRICO NO OLVIDAR!!!

• ΔS, el almacenamiento y la cantidad de agua en la cuenca, es difícil de medir.

• Cuando se calcula el balance de agua para periodos anuales, el período se elige preferentemente en un momento en que la cantidad de agua almacenada se espera que no varíe mucho.



EQUACION DE BALANCE HIDRICO NO OLVIDAR!!! • Estos períodos anuales, que no necesariamente coincide con el año calendario, que se conoce como año hidrológico.

•  Durante un año hidrológico, ΔS / Dt en general puede ser ignorada



EQUACION DE BALANCE HIDRICO NO OLVIDAR!!! Factores que influencian el ciclo hidrológico: Energía solar (variación estacional, nivel de nubosidad) Clima (eventos de precipitación, sequias, huracanes, tormentas) Cobertura del Suelo (vegetación, superficies impermeables) Modificación de los cauces (presas, canalización) Manejo del agua y el suelo (irrigación, drenaje subsuperficial)



EQUACION DE BALANCE HIDRICO NO OLVIDAR!!! Escala del impacto humano: La falta de información histórica recolectada y los múltiples cambios ocurridos simultáneamente (cambio climático y cambio en el uso de tierras) hacen que sea difícil cuantificar la escala del impacto humano. Estimados razonables pueden ser obtenidos basándose en un entendimiento cuantitativo de los factores que influencian el proceso hidrológico.



El Ciclo Hidrológico Revisado http://waterinstitute.ufl.edu/events/downloads/hornberger-presentation.pdf

Lectura Adicional



Preguntas o Comentarios ?



CUENCA HIDROGRAFICA


COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ CD Huanuco ESCUELA PROFESIONAL: INGENIERÍA CIVIL MSc. Ing. Jorge Zafra Cordova

CUENCA HIDROGRAFICA Definición Se puede definir como la zona (idealmente impermeable), en donde las gotas de lluvia que caen sobre ella, seguirán un patrón de drenaje hasta un mismo punto de salida.



CUENCA HIDROGRAFICA Geomorfología: • La red de drenaje, forma, relieve y otros factores (cobertura vegetal, geología, uso de tierras), caracterizan una cuenca y proporcionan información para estudiar el régimen hidrológico en el área de interés.

• Este patrón distribuye la energía térmica en la superficie de la tierra

• A continuación presentamos algunos conceptos básicos de la geomorfología de una cuenca.



CUENCA HIDROGRAFICA Geomorfología: • El área de drenaje de una cuenca es la proyección horizontal del área delimitada por la cuenca.

• El perímetro, es la longitud del limite exterior de la cuenca.

• Una cuenca puede ser caracterizada también por diversos tipos de longitud.



CUENCA HIDROGRAFICA Geomorfología: • La Longitud de la cuenca Es la longitud de una línea recta trazada paralela al cauce principal

• La longitud del cauce principal, es la longitud de la red de drenaje desde su nacimiento hasta su desembocadura.

• La longitud máxima es la distancia desde el punto mas alejado del cauce hasta el punto final de descarga siguiendo el recorrido del cauce principal.



CUENCA HIDROGRAFICA Índice de Gravelius o coeficiente de compacidad: • Es la relación entre el perímetro de la cuenca y la longitud de la circunferencia de un circulo de área igual a la de la cuenca.

• Kc = 0.28 P/A 1/2

P = perimetro de la cuenca en km A = area de drenaje de la cuenca en km2

Si el coeficiente de compacidad es alto, indica una gran irregularidad de la cuenca.



CUENCA HIDROGRAFICA Factor de Forma: • Es la relación entre el ancho medio y la longitud de la cuenca. En donde el ancho medio es la relación de la longitud de la cuenca por el área.

• Kf = A/L 2

Cuando el factor de forma es bajo, se considera que esta menos sujeta a crecientes, que otra con área similar.



CUENCA HIDROGRAFICA Redes de drenaje: • Existen diversos métodos de clasificación de redes de drenaje (Horton , 1945) y Strahler (1952,1957).

• Los segmentos que se originan en un nudo externo son definidos como tramos de primer orden. Los segmentos que están unidos a una fuente y sin tributarios son definidos como de primer orden.



CUENCA HIDROGRAFICA Redes de drenaje: • Cuando dos segmentos del mismo orden se unen en un nudo interior dan lugar a un segmento de orden superior aguas abajo. Cuando se unen dos corrientes de orden diferente, predomina el orden mayor.

• Los segmentos que se originan en un nudo externo son definidos como tramos de primer orden. Los segmentos que están unidos a una fuente y sin tributarios son definidos como de primer orden.



CUENCA HIDROGRAFICA Redes de drenaje: • A la relación entre la longitud total de los cursos de agua de la cuenca y su área total se le denomina densidad de drenaje (Dd)

Dd = L / A en km/km2

L: longitud total de las corrientes de agua en km A: área total de la cuenca en km2

• Los valores usuales de Dd varían entre 0.5 (drenaje pobre) y 3.5 km/km2 (bien drenadas).



CUENCA HIDROGRAFICA Pendiente Ponderada : • Usando las curvas de nivel de la cuenca se puede proceder a calcular una pendiente ponderada.

si = D/di ; di = ai/li si = Dli/ai Asumiendo que el área parcial es proporcional a la pendiente parcial:

S = Σ si ai / Σ ai Reemplazando estas dos ecuaciones tenemos:

S = Dlt / A

Monsalve G 2006 Hidrología en la Ingeniería



CUENCA HIDROGRAFICA Pendiente Ponderada : Usando las curvas de nivel de la cuenca se puede proceder a calcular una pendiente ponderada.

• li : longitud de la curva de nivel “i” [km] • D: diferencia entre curvas de nivel que representan la curva de nivel “i”. Es constante [km] • di : ancho promedio entre curvas de nivel [km]




CUENCA HIDROGRAFICA Curva hipsométrica: Esencialmente es una distribución cumulativa de elevaciones en una cuenca, expresada en porcentajes. Para obtener la curva hipsométrica , el procedimiento es similar al del calculo de la pendiente ponderada




CUENCA HIDROGRAFICA Curva hipsométrica:




CUENCA HIDROGRAFICA Curva hipsométrica: • En algunos casos, se representa el eje de las abscisas por el área acumulada en vez de en porcentaje.

• Las curvas hipsométricas sirven para observar características geomorfológicas y fisiográficas de las cuencas.

Cuenca con valles extensos y cumbres escarpadas Cuenca con valles profundos y áreas planas extensas Monsalve G 2006 Hidrología en la Ingeniería



CUENCA HIDROGRAFICA Pendiente del cauce principal: La velocidad de escurrimiento del sistema de drenaje de la cuenca es directamente proporcional a la pendiente del cauce. • Pendiente media (S1) Diferencia total de la elevación del cauce de un rio dividido por su longitud entre dos puntos

• Pendiente media ponderada (S2) Para calcularlo, se traza una línea tal que el área debajo de esta, sea igual al área debajo del perfil de rio.




CUENCA HIDROGRAFICA Delimitación de una cuenca: • Al tener el concepto básico de una cuenca y sus características, se puede proceder a delimitarla.

• El concepto básico de delimitación, puede ser utilizado para delinear cuencas por varios medios, desde el método tradicional ( d e l i m i t a c i ó n a m a n o e n c a r t a s topográficas), hasta el uso de softwares SIG.

• Podemos considerar como reglas practicas las siguientes:



CUENCA HIDROGRAFICA Delimitación de una cuenca: • Identificar con un punto el punto de salida de la cuenca a estudiar.

• Identificar los puntos mas altos alrededor de los bordes el cauce principal, avanzando aguas arriba hacia el comienzo de los cauces secundarios.



CUENCA HIDROGRAFICA Delimitación de una cuenca: • Empezando desde el punto de salida de la cuenca, dibujar una line conectando las “x” a lo largo de los cauces que desembocan en el punto de salida de la cuenca. Esta línea siempre debe cruzar las líneas de contorno en forma perpendicular.

• Continuar la línea hasta que pase por el punto mas alejado de la salida de la cuenca y desde ahí seguir las “x” para terminar regresando al punto de salida de la cuenca.



CUENCA HIDROGRAFICA Recordar !!!: • Cuando la divisoria (línea de limite de la cuenca), va aumentando la altitud, corta las curvas de nivel por su parte convexa

• Cuando la altitud de la divisoria va decreciendo, corta a las curvas de nivel por la parte cóncava.



CUENCA HIDROGRAFICA Recordar !!!: • Cuando se utiliza algún software para delimitar cuencas, la escala utilizada varia desde 1:18 000 hasta 1:15 000.

• La divisoria debe pasar, en lo estrictamente posible, por los puntos de mayor nivel topográfico; en otras palabras, la línea divisoria debe unir los puntos con mayores valores de altitud, excepto en aquellos casos que obliguen a realizar trazos poco prácticos, complejos y forzados, que de cierto modo desnaturalicen la forma de la unidad hidrográfica.



CUENCA HIDROGRAFICA Para la próxima clase traer: • Archivo de carta nacional impresa (varias copias)

• Lápiz y borrador

• Calculadora

• Papel milimetrado transparente.



CUENCA HIDROGRAFICA Delimitacion Automatica

Información requerida: •  Imágenes Landsat ETM Bandas 7 4 2, realzadas).

•  Modelos Digitales de Elevación

2.3 Tipos de delimitación empleada:

2.3.1 Delimitación manual digital

Escalas 1:15.000 – 1:25.000

PolígonosCodificación



CUENCA HIDROGRAFICA Delimitacion Automatica-Tipos de delimitacion


2.3.2 Delimitación automática

MDE DIRECCIÓNDE FLUJO

ACUMULACIÓNDE FLUJO

UMBRAL DEACUMULACIÓN

RED DEDRENAJE

WATERSHEDSRASTER APOLÍGONO

DISOLUCIÓNPOLÍGONOSCODIFICACIÓN






RED DEDRENAJE








RED DEDRENAJE








RED DEDRENAJE








RED DEDRENAJE





CUENCA HIDROGRAFICA Delimitacion Automatica-Tipos de delimitacion






RED DEDRENAJE








RED DEDRENAJE








RED DEDRENAJE





CUENCA HIDROGRAFICA Metodo Pfasstetter- Antecedentes

Dentro de una unidad de drenaje mayor, determinar un flujo principal y cuatro tributarios.



CUENCA HIDROGRAFICA Metodo Pfasstetter- Antecedentes

•  Desarrollado por el Ing. Otto Pfafstetter en 1989.

•  El sistema es jerárquico



CUENCA HIDROGRAFICA Metodo Pfasstetter- Caracterisitcas Principales

Por qué se debe usar?

•  Hidrológicamente ordenado

•  Provee una única identificación a cada cuenca

•  Eficiencia de dígitos



CUENCA HIDROGRAFICA Metodo Pfasstetter-Caracterisitcas Principales

•  L a s u n i d a d e s d e drenaje son divididas en 3 tipos:

•  Cuencas, intercuencas y cuencas internas.

Sistema Pfafstetter para identificación de cuencas:

q Las unidades de drenaje son divididas en 3 tipos:cuencas, intercuencas y cuencas internas. Una cuenca Pfafstetter es un área que norecibe drenaje de ninguna otra área. Una intercuenca Pfafstetter es un área que recibedrenaje de otras unidades aguas arriba. Y una cuenca interna es un área dedrenaje que no contribuye con flujo de agua a otra unidad de drenaje o cuerpo de agua,tales como un océano o lago.

CuencaIntercuenca

Cuenca interna8

3

0



CUENCA HIDROGRAFICA Metodología Pfafstetter

•  E n e s t e m é t o d o l a importancia de cualquier río está relacionada con el área de su cuenca hidrográfica.

Metodología Pfafstetter:

En este método la importancia de cualquierrío está relacionada con el área de su cuencahidrográfica.

Se hace una distinción entre río principal ytributario, en función del criterio del áreadrenada.

Así, en cualquier confluencia, el río principalserá siempre aquel que posee la mayor áreadrenada entre los dos.

Se denomina cuencas las áreas drenadas porlos tributarios e intercuencas las áreasrestantes drenadas por el río principal.




•  Subdividir una cuenca hidrográfica.

•  Determinar los cuatro mayores afluentes del río principal.


El proceso de codificación consiste en: subdividir una cuenca hidrográfica, cualquiera quesea su tamaño, determinándose los cuatro mayores afluentes del río principal, en términos deárea de sus cuencas hidrográficas. Las cuencas correspondientes a esos tributarios sonenumerados con los dígitos pares (2, 4, 6 y 8), en el sentido desde la desembocadura hacia lanaciente del río principal. Los otros tributarios del río principal son agrupados en las áreasrestantes, denominadas intercuencas, que reciben, en el mismo sentido, los dígitos impares(1, 3, 5, 7 y 9).

Red de drenaje original, previadeterminación del rio principal

Se delimitan las cuatro mayorescuencas tributarias

Se delimitan las intercuencas


El proceso de codificación consiste en: subdividir una cuenca hidrográfica, cualquiera quesea su tamaño, determinándose los cuatro mayores afluentes del río principal, en términos deárea de sus cuencas hidrográficas. Las cuencas correspondientes a esos tributarios sonenumerados con los dígitos pares (2, 4, 6 y 8), en el sentido desde la desembocadura hacia lanaciente del río principal. Los otros tributarios del río principal son agrupados en las áreasrestantes, denominadas intercuencas, que reciben, en el mismo sentido, los dígitos impares(1, 3, 5, 7 y 9).

Red de drenaje original, previadeterminación del rio principal

Se delimitan las cuatro mayorescuencas tributarias

Se delimitan las intercuencas





Cada una de esas cuencas e intercuencas,resultantes de esa primera subdivisión,pueden ser subdivididas de la misma manera,de modo que la subdivisión de la cuenca 8genera las cuencas 82, 84, 86 y 88 y lasintercuencas 81, 83, 85, 87 y 89. El mismoproceso se aplica a las intercuencasresultantes de la primera división, de modoque la intercuenca 3, por ejemplo, sesubdivide en las cuencas 32, 34, 36 y 38, y enlas intercuencas 31, 33, 35, 37 y 39. Losdigitos de la subdivisión son simplementeagregados al código de la cuenca (ointercuenca) que está siendo dividida.

•  Cada una de cuencas e intercuencas, resultantes de esa primera subdivisión pueden ser subdivididas.




•  En este caso la unidad que presente mayor área de drenaje es asignado el código “9” y la otra, más pequeña, el código “8”.


Una complicación puede aparecer en que las dos unidades finales y más altas del ríoprincipal, son cuencas. En este caso la unidad que presente mayor área de drenaje esasignado el codigo “9” y la otra, más pequeña, el código “8”.



CUENCA HIDROGRAFICA

•  Cuencas Internas


Si un área contiene cuencas internas, la cuenca interna más grande es asignado código“0” y las otras cuencas internas son incorporadas a las cuencas o intercuencas aledañas.

Metodología Pfafstetter




•  Para regiones costeras, sentido de la codificación será ́ horario.

•  Las cuencas serán codificadas de sur a norte.


Para regiones costeras, el sistema Pfafstetter considera que el sentido de la codificaciónserá horario, del tal manera, que las vertientes cuyas aguas desemboquen en un maroriental, serán codificadas de norte a sur; para el caso de una vertiente cuyas aguasdesemboquen en un mar occidental, como es el caso de la vertiente peruana del Pacífico,las cuencas serán codificadas de sur a norte. Para ambos casos se seguirá con el mismocriterio de seleccionar las cuatro cuencas de mayor área de drenaje, quedando lascuencas restantes como intercuencas, y así sucesivamente, las subdivisiones seguiráncon el mismo criterio.

Codificación de norte a sur Codificación de sur a norte

Sentido horario de codificación paraUnidades Hidrográficas costeras


Para regiones costeras, el sistema Pfafstetter considera que el sentido de la codificaciónserá horario, del tal manera, que las vertientes cuyas aguas desemboquen en un maroriental, serán codificadas de norte a sur; para el caso de una vertiente cuyas aguasdesemboquen en un mar occidental, como es el caso de la vertiente peruana del Pacífico,las cuencas serán codificadas de sur a norte. Para ambos casos se seguirá con el mismocriterio de seleccionar las cuatro cuencas de mayor área de drenaje, quedando lascuencas restantes como intercuencas, y así sucesivamente, las subdivisiones seguiráncon el mismo criterio.

Codificación de norte a sur Codificación de sur a norte

Sentido horario de codificación paraUnidades Hidrográficas costeras



CUENCA HIDROGRAFICA Codificación Pfafstetter en el Perú •  El Perú ́, hidrográficamente, se

divide en tres vertientes bien definidas: Pacifico, Amazonas y Titicaca.

•  La vertiente del Pacifico, se encuentra dentro de la Región Hidrográfica 1.

Codificación Pfafstetter en el Perú:

El Perú, hidrográficamente, se divide en tresvertientes bien definidas: Pacifico, Amazonasy Titicaca.

La vertiente del Pacífico, se encuentra dentrode la Región Hidrográfica 1, según lacodificación Pfafstetter para América del Sur,el cual se inicia en el norte de Chile y continúapor Ecuador, Colombia y Venezuela. Lavertiente peruana del Pacífico, recibe el código13 en el nivel 2. Dentro de esta granintercuenca, en el nivel 3, destacamos, por elárea de drenaje, a las cuencas de los ríosQuilca-Vitor-Chili (132), Camaná (134), Ocoña(136) y Chira (138) que comparte sus aguascon territorio ecuatoriano.



CUENCA HIDROGRAFICA Codificación Pfafstetter en el Perú

•  La cuenca del Titicaca, es un caso especial.

•  El Lago Titicaca es la mayor de la innumerable cantidad de cuerpos de agua presentes en esta cuenca.

•  La codificación de esta cuenca es de norte a sur, empezando por al altiplano peruano.


La cuenca del Titicaca, es un caso especial, deacuerdo al método de codificación y clasificación decuencas hidrográficas de Otto Pfafstetter, lascuencas cerradas o endorreicas, como la delTiticaca, reciben el código 0 en el nivel al quepertenece, en este caso, correspondiente al nivel 1,de América del Sur. El Lago Titicaca es la mayor de lainnumerable cantidad de cuerpos de agua presentesen esta cuenca, las cuales, conforman en conjunto,una red de lagunas endorreicas, que cubre parte delos territorios de Perú, Bolivia, Argentina y Chile,abarcando un área aproximada de 740,000 Km².

La codificación de esta cuenca es de norte a sur,empezando por al altiplano peruano y concluyendoen los estados de Mendoza y San Luís en Argentina.De esta manera, tenemos que la cuenca del río Ilaverecibe el código 014 (nivel 3), la del Huancané 0124(nivel 4), la del río Coata 0126, la del río Ayaviri 0128,la del río Azángaro 0129, etc.



CUENCA HIDROGRAFICA Codificación Pfafstetter en el Perú

•  La vertiente del Amazonas, se encuentra dentro de la Región Hidrográfica 4 en el nivel 1.


La vertiente del Amazonas, se encuentra dentrode la Región Hidrográfica 4 en el nivel 1,continental. En el nivel 2, el Perú está cubiertapor las unidades hidrográficas 49 y 46. Launidad hidrográfica 49, en su nivel 3, compartecon el Perú las unidades hidrográficas: 492(cuenca del río Purús), 496 (cuenca del ríoYurúa), 497 (Intercuenca del Amazonas), 498(cuenca del río Marañón) y 499 (cuenca del ríoUcayali). Cabe mencionar que de las cincounidades hidrográficas mencionadas, la cuencadel río Ucayali, se encuentra enteramente el enterritorio peruano. La unidad hidrográfica 46,sólo comparte con el Perú, en nivel 3, la cuencadel río Madre de Dios (466).



CUENCA HIDROGRAFICA Conclusiones – Método Pfafstetter

•  La elaboración de una base digital de cuencas hidrográficas para todo el Perú ́ es una necesidad.

•  De esta manera, permite que el código de cada unidad hidrográfica sea única dentro de un continente.

01 Clase I Introduccion(ING. HIDRAULICA)

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