hidrologia a hidrologia urbana

Hidrología Urbana

Augusto Sisa Camargo (49)

Consideraciones en alcantarillados pluviales

• Redes Secundarias– Recolectan las aguas y las llevan a una red primaria.

– El período de retorno de la tormenta de diseño es 2 a 10 años

– Esta compuesto por sumideros y conductos.

Augusto Sisa Camargo (50)

Consideraciones en alcantarillados pluviales

• Redes Primarias– Transportan las aguas de los sistemas secundarios hasta las plantas o cuerpos de agua naturales.

– El período de retorno de la tormenta de diseño es de 100 años normalmente

– Esta compuesto por box-culverts, puentes, tanques de retención

– Si este sistema falla pueden haber daños en propiedades y vidas humanas.

Augusto Sisa Camargo (51)

Período de Retorno

• Tiempo promedio en el cual un evento es igualado o excedido

( )T1

xXP T =≥

Augusto Sisa Camargo (52)

Períodos de Retorno Sugeridos

Estructura Período de Retorno

Alcantarillas de carreterasTráfico bajo 5-10Tráfico medio 10-25Tráfico alto 50-100

PuentesSistema Secundario 10-50Sistema Primario 50-100

Estructura Período de Retorno

AeropuertosVolúmen bajo 5 -10Volúmen medio 10-25Volúmen alto 50-100

Drenaje AgrícolaCulverts 5-50Surcos 5-50

Drenaje UrbanoCiudades pequeñas 2-25Ciudades grandes 25-50

Augusto Sisa Camargo (53)

Períodos de Retorno RAS

*Parte revestida a 10 años, más borde libre a 100 años

502525Canales abiertos en zonas montañosas (alta velocidad) o a media ladera, que drenan áreas mayores a 1000 ha

252510Canales abiertos en zonas planas y que drenan áreas mayores de 1000 ha *

1055Tramos de alcantarillado con áreas tributarias mayores de 10 ha

532Tramos de alcantarillado con áreas tributarias entre 2 y 10 ha

532Tramos iniciales en zonas comerciales o industriales, con áreas tributarias menores de 2 ha

322Tramos iniciales en zonas residenciales con áreas tributarias menores de 2 ha

Recomendado

(años)

Aceptable

(años)

Mínimo

(años)

Características del área de drenaje

Augusto Sisa Camargo (54)

Longitud de Series Recomendadas

• Diseño y Planeación– Alcantarillados: Mayor a 10 años

– Alivios (CSO) : Mayor a 5 años

• Control y Evaluación– Alcantarillados: Mayor a 20 años

– Alivios (CSO): Mayor a 10 años

Augusto Sisa Camargo (55)

Precipitación

Caudal

Cuenca

INSUMO

PROCESOPRODUCTO

Precipitación – Cuenca – Escorrentía(PCE)

Augusto Sisa Camargo (56)

Hietograma

Hidrograma

CUENCA

Precipitación – Cuenca – Escorrentía(PCE)

Augusto Sisa Camargo (57)

Hietograma

• Es la representación gráfica de una lluvia.

• Expresa la intensidad de una lluvia (mm/hr) distribuida en el tiempo.

• Se obtiene a partir de la medición de la precipitación.

Augusto Sisa Camargo (58)

COLECTOR AUTOPISTA NORTE

Avenida Caracas - Calle 77. Pozo 2

Evento del 17 de Noviembre de 1999

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

23:00

23:08

23:16

23:24

23:32

23:40

23:48

23:56

0:04

0:12

0:20

0:28

0:36

0:44

0:52

1:00

1:08

1:16

1:24

1:32

1:40

1:48

1:56

2:04

2:12

2:20

2:28

2:36

2:44

2:52

3:00

Caudal (lps)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Precipitación (mm) (intervalos de 2 min)

P-Castillo P-Gimnasio Caudal

P total = 13.93 mm

P total = 15.20 mm

Relación entre un evento de lluvia y su respuesta

Augusto Sisa Camargo (59)

Medición de Hietogramas

Augusto Sisa Camargo (60)

Función de Base Radial Kriging

Isoyetas

Augusto Sisa Camargo (61)

Hietograma de Precipitación Efectiva

• La precipitación efectiva es aquella que genera escorrentía superficial, es decir la que no logra infiltrarse en el suelo.Esta cantidad de agua debe ser manejada por el sistema de Drenaje Urbano

Augusto Sisa Camargo (62)

Curva IDF

• Curva Intensidad - Duración - Frecuencia

• Suelen ajustarse a la función de distribución de probabilidad de valor extremo Tipo I o Gumbel.

• Estan basadas en en eventos seleccionados de 5, 10, 20, 30 , y más Minutos).– Se usan las profundidades máximas anuales.

– O, las excendencias si la serie es pequeña.

• Cada una de estas series duraciones son ordenadas para calcular la curva IDF

Augusto Sisa Camargo (63)

Curva IDF

Curva IDF StatGraphics

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

0 100 200 300 400 500 600

Duración (min)

Intensidad (mm/h)

T= 2 años T=10 años T= 25 años T= 50 años

63.0

36.0

d

T3.206i =

Augusto Sisa Camargo (64)

Curva IDF

• Según el RAS

Información pluviográfica localAlto

Información pluviográfica regionalMedio alto

SintéticaBajo y medio

Obtención mínima de curvas IDF

Nivel de complejidad del

sistema

Augusto Sisa Camargo (65)

Hidrograma

• Es la representación gráfica de la distribución del caudal en el tiempo. Muestra el balance a largo plazo de la precipitación, la evaporación y el caudal de la cuenca.

Augusto Sisa Camargo (66)

Hidrograma

• Limbo ascendente:– Depende de las características de la precipitación y la morfología de la cuenca

• Limbo descendente:– Depende de las características morfológicas de la cuenca

Augusto Sisa Camargo (67)

Q

t

A

B

A

B

Interacción - PCE

• Respuesta en una cuenca por su forma

Augusto Sisa Camargo (68)

Q

t

Mayor pendiente

Menor pendiente

Interacción - PCE

• Respuesta en una cuenca por pendiente

Augusto Sisa Camargo (69)

Q

t

Más impermeable

Menos impermeable

Interacción - PCE

• Respuesta en una cuenca por permeabilidad

Augusto Sisa Camargo (70)

Interacción - PCE

• Respuesta en una cuenca por humedad antecedente

Q

t

Más humedad

Menos humedad

Augusto Sisa Camargo (71)

Q

t

Partes altas

Partes bajas

Interacción - PCE

• Respuesta en una cuenca por ubicación de la lluvia

Augusto Sisa Camargo (72)

Efectos de la Urbanización

Augusto Sisa Camargo (73)

Q

t

Efectos de la Urbanización

Augusto Sisa Camargo (74)

Q

t

Efectos de la Urbanización

Augusto Sisa Camargo (75)

Q

t

Efectos de la Urbanización

Método Racional

Augusto Sisa Camargo (77)

Método Racional

• Considera una intensidad de precipitación constante durante todo el tiempo de lluvia

• Supone que las precipitaciones causantes de problemas de inundación son aquellas de corta duración y gran intensidad.

• Duración de la lluvia igual al tiempo de concentración de la cuenca.

• i se obtiene a partir de la curva IDF de período de retorno escogido.

Augusto Sisa Camargo (78)

Método Racional

• Sistema Inglés– Q cfs

– i in/hr

– A acres

– C entre 0 y 1

• Sistema Internacional– Q L/s

– i mm/hr

– A Ha

– C entre 0 y 1

CiAQ = CiA78.2Q =

Augusto Sisa Camargo (79)

Método Racional

• Este método suele sobreestimar el caudal pico, y es por esta razón que no se recomienda para cuencas muy grandes, mayores a 10km2.– Según el RAS máximo 700 Ha

• El caudal pico ocurre cuando toda el área de drenaje está contribuyendo. – Es decir, la intensidad correspondiente a un evento con duración igual al tiempo de concentración.

Augusto Sisa Camargo (80)

Corrección de la intensidad

• Para áreas grandes es posible corregir la intensidad determinada de la curva IDF de la siguiente manera

0,88800-1600

0,90400-800

0,93200-400

0,95100-200

0,9950-100

Factor de reducciónÁrea de drenaje (Ha)

Augusto Sisa Camargo (81)

Factor de Escorrentía

0,20-0,35Parques recreacionales

0,30Laderas con vegetación

0,60Laderas sin vegetación

0,30Residencial, con predominio de zonas verdes y parques cementerios

0,45Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados

0,40-0,60Residencial unifamiliar, con casas contiguos y predominio de jardines

0,60-0,75Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre éstos

0,75Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras

0,60-0,95Zonas comerciales o industriales

0,70-0,85Vías adoquinadas

0,70-0,95Pavimentos asfálticos y superficies de concreto

0,75-0,95Cubiertas

CTIPO DE SUPERFICIE

Augusto Sisa Camargo (82)

Factor de Escorrentía

• Para algunos lugares del mundo se han determinado ecuaciones (regresiones estadisticas) que permiten determinar el coeficiente de escorrentía como función de parámetros de las cuencas.

7.20

Ind078.0Inf25

P829.0PR

HUMEDADSUELO

EIMPERMEABL

−

⋅+⋅

+⋅=

Inglaterra (Buttler)

Augusto Sisa Camargo (83)

Duración de la tormenta

• Con frecuencia se toma como duración de la tormenta el tiempo de concentración de la cuenca.

• A partir de la morfología de la cuenca se han establecido algunas ecuaciones que simulan este efecto.

sistema elen viajesistema al entrada T T Tc +=

Augusto Sisa Camargo (84)

Tiempo de Entrada

• Tiempo para que la escorrentía llegue al sumidero del colector (FAA – EEUUA)

• Donde:– L = Longitud tramo

– S = Pendiente tramo

– C = Coeficiente de escorrentía

3/1

2/1)1.1(707.0

S

LCTe

⋅−⋅=

Augusto Sisa Camargo (85)

Tiempo de Entrada

• Kerby

• Donde:– m= Retardo

TLm

Se = ⋅

144 1

2

0 467

.

.

0,80Pastos densos

0,70Terrenos arborizados

0,30Pastos

0,20Superficie sin cobertura moderadamente rugosa

0,10Suelo sin cobertura, compacto y liso

0,02Impermeable

mTipo de superficie

Augusto Sisa Camargo (86)

Tiempo de Entrada

• Tiempo de entrada al colector (SCS)

s

ct V60

LT

⋅=

Augusto Sisa Camargo (87)

Tiempo de entrada

• Vs esta dada por

V a SS = ⋅12

6,50Áreas pavimentadas y tramos iniciales de quebradas

3,15Suelos desnudos

2,70Áreas cultivadas en surcos

2,00Pastos y patios

0,70Bosque con sotobosque denso

aTipo de superficie

Augusto Sisa Camargo (88)

Tiempo de Viaje

• Tiempo de viaje en el colector (SCS)

• Longitud recorrida a una velocidad dada

V60

LT ct ⋅=

Augusto Sisa Camargo (89)

Tiempos de Concentracion

• En algunas condiciones es posible estimar el tiempo de concentración de la cuenca de drenaje a partir de las ecuaciones empíricas utilizadas en cuencas naturales

Augusto Sisa Camargo (90)

Ecuaciones

• Hay muchas por su base física– Fórmula de Kirpich.

– Fórmula Californiana (del U.S.B.R.).

– Fórmula de Giandotti

– Fórmula de Ventura-Heras

– Fórmula de Passini.

– Fórmula de Témez.

– Fórmula California Culvert Practice.

Augusto Sisa Camargo (91)

Fórmula de Kirpich.

• Calcula el tiempo de concentración, Tc, en minutos– L la longitud del cauce principal de la cuenca, en metros

– S la diferencia entre las dos elevaciones extremas de la cuenca, en metros, dividida por L (es decir, la pendiente promedio del recorrido principal en m/m).

S L 0.01947 = T-0.3850.77

c

Augusto Sisa Camargo (92)

Fórmula de Californiana (del U.S.B.R.).

• Tc es también en horas,– L y J la longitud y la pendiente promedio del cauce principal de la cuenca, en Km y en m/m, respectivamente.

)J

L( 0.066 = T 1/2

0.77

c

Augusto Sisa Camargo (93)

Fórmula de Giandotti

• Proporciona el tiempo de concentración de la cuenca, Tc , en horas.– L y J los definidos anteriormente – A la superficie de la cuenca en Km2.

L J 25.3

L 1.5 + A 4 = T c

Augusto Sisa Camargo (94)

Fórmula de Ventura-Heras

• Tc, tiempo de concentración en horas – A y J los ya definidos anteriormente.

0.13 0.04 J

A = T

0.5

c ≤≤αα

Augusto Sisa Camargo (95)

Fórmula de Passini.

• Tc el tiempo de concentración en horas– A, L y J los definidos anteriormente

0.13 0.04 J

)L(A = T 0.5

1/3

c ≤β≤β

Augusto Sisa Camargo (96)

Fórmula de Témez

• Es la recomendada en España, para el método racional modificado

• Se utiliza en el cálculo del hidrograma triangular de J.R.Témez.

• Tc es el tiempo de concentración de la cuenca, en horas.– L es la longitud del cauce principal de la cuenca, en Km– J es la pendiente promedio de dicho recorrido en m/m

)J

L( 0.3 = T 1/4

0.76

c

Augusto Sisa Camargo (97)

Fórmula California CulvertPractice

• Tc es el tiempo de concentración en minutos– L la longitud del curso de agua más largo, en millas,

– H la diferencia de nivel entre la divisoria de aguas y el desagüe de la cuenca, en pies

)H

L 11.9( 60 = T

3

c

Augusto Sisa Camargo (98)

Resumen de Formulas Mays 2005

Augusto Sisa Camargo (99)

Resumen de Formulas Mays 2005

Augusto Sisa Camargo (100)

Resumen de Formulas Mays 2005

Augusto Sisa Camargo (101)

Método Racional - Limitaciones

• No tiene en cuenta los volúmenes almacenados– No es útil si hay algún sistema de detención o algo similar en la cuenca

• El valor de C no tiene en cuenta el orden secuencial de zonas impermeables o no permeables

Augusto Sisa Camargo (102)

Valores de C

Augusto Sisa Camargo (103)

Valores de C

Aguas Pluviales

Augusto Sisa Camargo (105)

Función

• Rápida evacuación de aguas lluvias de las vías públicas.

• Evitar generación de caudales excesivos en calzadas.

• Evitar invasión de aguas lluvias a propiedades privadas y públicas.

• Evitar acumulación de aguas en vías de tránsito.

• Evitar paralización de tráfico en un evento fuerte de precipitación.

Augusto Sisa Camargo (106)

Generación de la escorrentía

• Hay dos efectos importantes– Perdidas iniciales:

• Intercepción

• Almacenamiento en depresiones

• Infiltración

• Evaporación

– Precipitación Efectiva• Flujo sobre la superficie

Augusto Sisa Camargo (107)

Escorrentía

• Una vez determinado el caudal de escorrentía su movimiento sobre la cuenca debe ser calculado siguiendo métodos como el del Hidrograma Unitario

Augusto Sisa Camargo (108)

Hidrograma Unitario - HU

• Es el hidrograma de escorrentía superficial total resultante de un volumen unitario de lluvia efectiva, uniformemente distribuida en espacio y tiempo.

• La altura de la lluvia neta corresponde a la altura de la escorrentía

∫∞

⋅=⋅0

e dtQAd

Augusto Sisa Camargo (109)

Consideraciones del HU

• No hay variación estacional

• Se supone que cualquier otra forma de lluvia es lineal e invariante

• Lluvias de igual duración, producen hidrogramas de igual duración

• Superposición

• La escorrentía es proporcional a la intensidad.

1

2

1

2

i

i

Q

Q=

Augusto Sisa Camargo (110)

Superposición de HU

Augusto Sisa Camargo (111)

Uso del HU con un Hietograma

1

2

3

31 2

HidrogramaSalida

Agregar un retraso

Augusto Sisa Camargo (112)

Efectos de la Urbanización el Hidrograma Unitario

Augusto Sisa Camargo (113)

Estimación del HU

• Con frecuencia no se dispone de información para estimar el HU de una cuenca

• En esta situación se hace necesario estimar el HU como un HU - sintetico

Augusto Sisa Camargo (114)

HU - Sintético

• Algunos de estos métodos son lo de:– HU – Snyder

– HU – Snyder Regionalizado• Útil para cuencas urbanas pequeñas

– HU – SCS

– HU – SCS adimensional

– HU – Williams & Hann

– Otros

Augusto Sisa Camargo (115)

Condicione Extremas

• Velocidad mínima0.75 m/S

• El esfuerzo cortante medio3 N/m2

• Velocidad Máxima

10,0PVC

5,0Concreto

5,0Ladrillo vitrificado y gres

3,0Ladrillo común

V (m/s)Tipo de material

Augusto Sisa Camargo (116)

Condiciones (EEUUA)

Mays 2005

Augusto Sisa Camargo (117)

Condiciones (EEUUA)

Mays 2005