INTITUTO TECNOLOGICO DE CAMPECHE

HIDROLOGIA SUPERFICIAL

UNIDAD 3 ESCURRIMIENTO E INFILTRACION

CAN TAMAY SERGIO FERNANDO

ING. CIVIL VV-6

SAN FRANCISCO DE CAMPECHE, CAMPECHE OCTUBRE DE 2015

Unidad 3 Escurrimientos e infiltración

3.1 Proceso de escurrimiento

3.2 Tipos de escurrimiento

3.3 Medición de escurrimiento y registro de aforo

3.4 Análisis de registros de escurrimiento

3.5 Proceso de infiltración

3.6 Medición de la infiltración

3.7 Análisis de la infiltración

3.1 Proceso de escurrimientos

La capacidad de estimar con exactitud la escorrentía que producirán la lluvia y/o el deshielo es uno de los aspectos más importantes del proceso de predicción de crecidas.La escorrentía (o escurrimiento) se define como aquella parte de la lluvia, del agua de deshielo y/o del agua de irrigación que no llega a infiltrarse en el suelo, sino fluye hacia un cauce fluvial, desplazándose sobre la superficie del mismo. Se denomina también escorrentía superficial o de superficie.La escorrentía también comprende el agua que llega al cauce fluvial con relativa rapidez justo debajo de la superficie. Junto con la escorrentía superficial, este flujo, que se denomina interflujo o flujo subsuperficial, constituye el volumen de agua que en hidrología se conoce generalmente como escorrentía o escurrimiento.El motivo principal del estudio del proceso de escorrentía es la necesidad de estimar la cantidad de agua que alcanza rápidamente el cauce fluvial. La escorrentía es el elemento más importante de la predicción de crecidas y puede consistir de agua pluvial o del agua generada por el derretimiento de la nieve y del hielo. Las condiciones en la cuenca hidrológica determinan la proporción de lluvia o nieve que se transforma en escorrentía. Conociendo la cantidad de agua esperada en forma de escorrentía, pueden utilizarse otras herramientas, como el hidrograma unitario, para calcular el caudal o gasto correspondiente que se descargará en el cauce.

El movimiento del agua en el suelo es el resultado de tres procesos físicos: entrada, transmisión y almacenamiento. El proceso de entrada, que también se denomina infiltración, ocurre en el límite entre el agua y la superficie del suelo. La transmisiones la percolación, tanto vertical como horizontal, que puede producirse a cualquier profundidad en la capa del suelo. El almacenamiento puede ocurrir en cualquier parte del perfil del suelo y se manifiesta como un aumento en la humedad del suelo.En términos generales, las condiciones ambientales que influyen en estos tres procesos se dividen en dos categorías principales: efectos naturales y efectos antropogénicos. 

A diferencia de los procesos naturales, que pueden tener varios efectos, la actividad humana suele reducir la cantidad de agua que penetra en el perfil del suelo y, por consiguiente, aumenta la escorrentía en la superficie del suelo, con

todos sus conocidos.Empleamos los términos cuenca, cuenca de drenaje y cuenca hidrológica (o hídrica o hidrográfica) para describir el área que contribuye a la escorrentía. 

En términos generales, la escorrentía comienza en la divisoria de las aguas que marca el perímetro de la cuenca. Toda la escorrentía dentro de una cuencadrena en un único sitio, es decir, la salida o desagüe de la cuenca.Si el índice de precipitación excede la capacidad de infiltración, se produce escorrentía superficial. La escorrentía superficial equivale al índice de pluviosidad o a la velocidad de deshielo menos la capacidad de infiltración.

3.2 Tipos de escurrimiento

Como todo es medible, en el ciclo hidrológico intervienen la precipitación, el escurrimiento, la infiltración y la evaporación.En cualquier proyecto relacionado con agua, es importante identificar tanto las condiciones geológicas así como otras características de la zona.

Un escurrimiento no es ajeno a ello, por lo que conocer sus datos históricos, niveles, tipo de río y algunos parámetros más resulta valioso para el diseño de una obra. En paralelo, es importante detectar el origen de los posibles acuíferos y escurrimientos superficiales que transitan por la zona de influencia de un proyecto, así como los materiales que existen, analizando características propias y qué efectos pueden llegar a producir, así como determinar los parámetros hidrodinámicos, potencial y el funcionamiento hidráulico del sistema tanto de los acuíferos como de ríos. 

Ante ello, conocer el tipo de escurrimiento aportará datos valiosos para la realización de un proyecto hidráulico en un sitio determinado. Para ello, resulta importante e interesante identificar el tipo de escurrimientoLa clasificación de un río, en relación al tipo de escurrimiento, está basada en función de la disposición de la red formada por las corrientes fluviales y sus afluentes.El sistema dendrítico en conjunto presenta la forma de nervaduras de una hoja y se desarrolla en zonas donde la formación superficial es homogénea o en donde las capas sedimentarias tienen una posición horizontal.El sistema arborescente, que es una variedad del dendrítico, se presenta cuando la roca que aflora es homogénea y fácilmente erosionable. La red de escurrimiento en más cerrada que en el sistema dendrítico.El agua de lluvia que no sufre evapotranspiración ni infiltración discurre superficialmente a través de la red de drenaje y constituye la escorrentía.

Todas las aguas de escorrentía no proceden, en primer término, exclusivamente de la circulación de agua de lluvia, sino que también pueden tener su origen en aguas subterráneas. Así, las aguas que circulan por los ríos pueden proceder de manantiales, algo que suele ocurrir especialmente en verano.

 Escorrentía superficial: circulación (por acción de la gravedad) del agua que ha escapado de la evapotranspiración y de la infiltración. : la escorrentía en surco o laminar

fluye sobre la superficie antes de llegar al cauceSe denomina escorrentía superficial a la precipitación que alimenta los cursos superficiales. 

Escorrentía directa: suele ser de poca magnitud en superficies de agua continentales.Escorrentía hipodérmica o subsuperficial (interflujo): fracción de agua infiltrada en las capas superficiales del suelo y vuelve a salir a superficie en alguna depresión, talud, etc. Escorrentía subterránea: desempeña un papel regulador, si bien susaportes solamente representan una pequeña fracción de los caudales en el momento de la crecida y van aumentando progresivamente hasta que en estiaje son los que alimentan la escorrentía.

3.3 Medición de escurrimientos y registro de aforos.

La hidrometría, es la rama de la hidrología que estudia la medición del escurrimiento. Para este mismo fin, es usual emplear otro término denominado aforo. Aforar una corriente, significa determinar a través de mediciones, el caudal que pasa por una sección dada y en un momento dado.

Existen diversos métodos, para determinar el caudal de una corriente de agua, cada uno aplicable a diversas condiciones, según el tamaño de la corriente o según la precisión con que se requieran los valores obtenidos. Los métodos más utilizados son:

Aforos con flotadores Aforos volumétricos Aforos químicos Aforos con vertederos Aforos con correntómetro o molinete Aforos con medidas de la sección y la pendiente

Aforo con flotadoresUna forma sencilla de aproximar el valor del caudal de un cauce, es realizar el aforo con flotadores (figura 4.2). Por este método, se mide la velocidad superficial (v) de la corriente y el área de la sección transversal (A), luego con estos valores aplicando la ecuación de continuidad, se calcula el caudal con la formula: Q = v × A .... (4.1)

Para realizar este aforo, se debe escoger en lo posible un tramo recto del cauce de longitud L.

Aforo volumétrico

Este método consiste en hacer llegar la corriente a un depósito o recipiente de volumen (V) conocido, y medir el tiempo (T) que tarda en llenarse dicho depósito. Para calcular el caudal, hacer: Calcular o medir el volumen del depósito o recipiente (V). Con un cronómetro, medir el tiempo (T), requerido para llenar el depósito. Calcular el caudal con la ecuación: TV Q = .… (4.2) donde: Q = caudal, en l/s ó m3/s V = volumen del depósito, en l o m3T = tiempo en que se llena el depósito, en s

Aforo químico Consiste en inyectar, en el curso de agua que se quiere aforar, el cual tiene un contenido natural de sales de concentración C0 (gramos de sal por litro de agua), un caudal constante q de una solución concentrada C1, de un producto químico (figura 4.4). Esta solución se diluye en el agua del río para dar lugar a una mezcla homogénea de concentración C2, de la que se puede sacar muestras, aguas abajo.

Aforo con vertederos

Este método consiste en interponer una cortina en el cauce con el fin de represar el agua y obligarla a pasar por una escotadura (vertedero) practicado en la misma

cortinaLos vertederos, son los dispositivos más utilizados para medir el caudal en canales abiertos, ya que ofrecen las siguientes ventajas:

Se logra precisión en los aforos. La construcción de la estructura es sencilla. No son obstruidos por los materiales que flotan en el agua. La duración del dispositivo es relativamente larga

3.4 Análisis de registros de escurrimientosLos registros de caudales recopilados, de los aforos realizados durante un largo período, forman un conjunto de datos que es necesario analizar y clasificar. Algunos valores representativos son:

Caudales promedios diarios, son calculados a partir de la altura h, leída en la escala limnimétrica o de la registrada por un limnígrafo de la estación de aforo, considerada para el día, utilizando la curva de calibración. La altura promedio se determina de 3 lecturas tomadas a las 7 a.m. 12 m y 5 p.m.

Caudales promedios mensuales, son calculados tomando la media aritmética, del caudal diario registrado en el mes considerado.Caudales promedios anuales o módulos, se calcula tomando la media aritmética, de los caudales correspondientes a los 12 meses del año.

Medida de las alturasLa altura del tirante de un curso de agua, puede ser medida de dos maneras:

ô€‚ƒ Con un limnímetro, que no es otra cosa que una regla graduada (estadia), colocada adecuadamente, en una de las márgenes del río. Esta escala puede ser en metal, en madera o en cemento. Se debe procurar que su extremidad inferior, esté siempre sumergida en el agua, aún en épocas de estiaje.

ô€‚ƒ Con un limnígrafo, el cual permite obtener un registro continuo, de las variaciones del nivel del agua. Los más empleados son los limnígrafos o flotadores, que mediante un mecanismo adecuado registran los movimientos de un flotador.

La información recolectada acerca del comportamiento de los ríos, puede analizarse tanto estadística como gráficamente, con lo que se facilita su compresión y análisis.

Algunas de las curvas representativas de los caudales son: Curva de variación estacional Curva masa o de volúmenes acumulados Curva de duraciónEstas curvas, proporcionan una información sobre la distribución de los valores hidrológicos, respecto al tiempo y la probabilidad de que dichos eventos o valores ocurran. Permiten por ejemplo, determinar cuál sería el caudal, quese puede presentar con una determinada probabilidad.

3.5 Proceso de infiltraciónEl agua precipitada sobre la superficie de la Tierra, queda detenida, escurre por ella, o bien penetra hacia el interior. De esta última fracción se dice que se ha filtrado. El interés económico del fenómeno, es evidente si se considera que la mayor parte de los vegetales utilizan para su desarrollo agua infiltrada y que el agua subterránea de una región tiene como presupuesto previo para su existencia, que se haya producido infiltración.Infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en el suelo, a través de la superficie de la tierra, y queda retenida por ella o alcanza un nivel acuífero incrementando el volumen acumulado anteriormente. Superada por la capacidad de campo del suelo, el agua desciende por la acción conjunta de las fuerzas capilares y de la gravedad. Esta parte del proceso recibe distintas denominaciones: percolación, infiltración eficaz, infiltración profunda, etc.

Descripción del proceso de infiltraciónConsidérese un área de suelo suficientemente pequeña, de modo que sus características (tipo de suelo, cobertura vegetal, etc), así como la intensidad de la lluvia en el espacio puedan considerarse uniformes, aunque la última cambie en el tiempo. Supóngase que, al inicio de una tormenta, el suelo está de tal manera seco que la cantidad de agua que puede absorber en la unidad de tiempo, es decir, su capacidad de infiltración es mayor que la intensidad de la lluvia en esos primeros instantes de la tormenta

Bajo estas condiciones, se infiltraría toda la lluvia, es decir (Aparicio, 1999): Si i  fp , t > tp, f = fpDonde fp decrece con el tiempo.

3.6 Medición de la infiltración

Para medir la infiltración de un suelo se usan los infiltrómetros, que sirven para determinar la capacidad de infiltración en pequeñas áreas cerradas, aplicando artificialmente agua al suelo.

Los infiltrómetros se usan con frecuencia en pequeñas cuencas o en áreas pequeñas o experimentales dentro de cuencas grandes. Cuando en el área se presenta gran variación en el suelo y vegetación, ésta se subdivide en sub áreas relativamente uniformes, de las cuales haciendo una serie de pruebas se puede obtener información aceptable. 

Siendo la infiltración un proceso complejo, es posible inferir con los infiltrómetros la capacidad de infiltración de cualquier cuenca en forma cualitativa, pero no cuantitativa. La aplicación más favorable de este equipo se obtiene en zonas

experimentales, donde se puede evaluar la infiltración para diferentes tipos de suelo y contenido de humedad. Los infiltrómetros se pueden dividir en dos grupos: de carga constante y simuladores de lluvia. 

Infiltrómetros de carga constante. Permiten conocer la cantidad de agua que penetra en el suelo en un área cerrada a partir del agua quedebe agregarse a dicha área para mantener un tirante constante, que generalmente es de medio centímetro.Los infiltrómetros de carga constante (Figura 1) más comunes consisten en dos aros concéntricos, o bien en un solo tubo; en el primer tipo, se usan dos aros concéntricos de 23 y 92 cm de diámetro respectivamente, los cuales se hincan en el suelo varios centímetros. El agua se introduce en ambos compartimentos, los cuales deben conservar el mismo tirante.

Simuladores de lluvia. Con el objeto de evitar en lo posible las fallas de los infiltrómetros    de carga constante, se usan los infiltrómetros que simulan la lluvia, aplicando el agua en forma constante al suelo mediante regaderas. El área que estos simuladores cubre varía generalmente entre 0.1 y 40 m2. En estos aparatos la capacidad de infiltración se deduce midiendo el escurrimiento superficial resultante de una lluvia uniforme. Existen diversos tipos deinfiltrómetros de esta clase, dependiendo del sistema generador de lluvia y la forma de recoger el escurrimiento superficial del área en estudio. 

La capacidad de infiltración media en la cuenca Æ, se puede obtener con las mediciones de infiltrómetros en puntos representativos de las diferentes características del suelo de la cuenca.

 Æ = (1 / Ac) Vi Ai Donde:Æ = capacidad de infiltración media de la cuenca (m/s)Ac = área total de la cuenca (m2)Vi  = velocidad de infiltración obtenida con el infiltrómetro (m/s)Ai   = área con características similares a las del punto donde se midió Vi (m2) 

3.7 Análisis dela infiltraciónEl análisis de la infiltración en el ciclo hidrológico es de importancia básica en la relaciónentre la precipitación y el escurrimiento, por lo que a continuación se introducen los conceptosque la definen, los factores que la afectan, los métodos que se usan para medirla y el cálculo dedicha componente en grandes cuencas.

La infiltración es el proceso por el cual el agua penetra desde la superficie del terreno haciael suelo. En una primera etapa satisface la deficiencia de humedad del suelo en una zona cercana a la superficie, y posteriormente superado cierto nivel de humedad, pasa a formar parte del agua subterránea, saturando los espacios vacíos.Se denomina capacidad de infiltración a la cantidad máxima de agua que puede absorberun suelo en determinadas condiciones, valor que es variable en el tiempo en función de lahumedad del suelo, el material que conforma al suelo, y la mayor o menor compactación que tiene el mismo.

Factores que afectan la capacidad de infiltración: Influyen en el proceso de infiltración:entrada superficial, transmisión a través del suelo, capacidad de almacenamiento

del suelo,características del medio permeable, y características del fluido.Entrada superficial: La superficie del suelo puede estar cerrada por la acumulación departículas que impidan, o retrasen la entrada de agua al suelo.Transmisión a través del suelo: El agua no puede continuar entrando en el suelo conmayor rapidez que la de su transmisión hacia abajo, dependiendo de los distintos estratos.

Acumulación en la capacidad de almacenamiento: El almacenamiento disponibledepende de la porosidad, espesor del horizonte y cantidad de humedad existente.Características del medio permeable: La capacidad de infiltración está relacionada conel tamaño del poro y su distribución, el tipo de suelo –arenoso, arcilloso-, la vegetación, laestructura y capas de suelos.Características del fluido: La contaminación del agua infiltrada por partículas finas ocoloides, la temperatura y viscosidad del fluido, y la cantidad de sales que lleva.