CURSO HIDROLOGIA

Profesor:Edmundo González

HIDROLOGÍA

Concepto de hidrología

“La Hidrología es la ciencia de la naturaleza que estudia el agua dentro del planeta tierra, tanto en los aspectos de ocurrencia como acumulación y circulación desde el punto de vista cualitativo, cuantitativo y estadístico.”

“Ciencia que trata de las aguas de la tierra, su existencia, circulación y distribución, sus propiedades físicas y químicas y sus reacciones con el medio ambiente incluyendo su relación con los seres vivos.”

Según: Federal Council for Science and Technology (EE:UU)

Esquema del ciclo hidrológico.

Distribución de agua en el planeta.

Relación con otras cienciasRamas afines Meteorología

Geología

Oceanografía

Geomorfología

Geografía Física

Climatología

Disciplinas afines Agronomía

Mecánica y física de los suelos

Hidráulica y Mecánica de los Fluidos

Estadística

Análisis de Sistemas

HIDROLOGÍA

METEREOLOGIA(Origen del agua)

CLIMATOLOGÍA

GEOLOGÍA

HIDRAULICA(Agua en proceso de Mov.

OCEANOGRAFÍA

ESTADISTICA

CÁLCULO DE PROBABILIDADES

Reseña Histórica

La Hidrología como ciencia moderna se inicia en el siglo XIX, con el desarrollo de la Física, la aceptación del concepto “Ciclo Hidrológico” y con la iniciación de medidas de precipitación y caudal.

-XV Leonardo da Vinci introduce la idea de evaporación y condensaciónBarnard Polissy, propone el concepto del “Ciclo Hidrológico”

-XVII Perrault, Mariotte y Halley, avanzan el concepto del Ciclo Hidrológico en los aspectos de Escorrentía y evaporación.Halley, cuantifica la evaporación mundial y compreba que es suficiente para cubrir todos los cursos de aguas.

-XVII y XIX Avances en la HidráulicaPitot, Bernouilli, Chezy, Venturi, etc.,Hacen avanzar la hidrología por las necesidades producidas por le desarrollo de las Obras Hidráulicas.

-XIX Se generaliza las medidas de Precipitación y CaudalDarcy; Movimiento del agua en medios porosos, impulsando la Hidrogeología y la Hidrología

-XX El deseo de la Hidrología aporte datos para la predicción.Teoría del H. U. De ShermanAnálisis estadístico de series temporales (Wiemar 1948)Gumbel (1958) distribución de máximos

-XX Desarrollo de Modelos Matemáticos

El Ciclo Hidrológico

En el caso más general, el agua puede ser almacenada en:

•Atmósfera (generalmente como vapor)

•Lagos, ríos y embalses (agua dulce)

•Océanos ( agua salada)

•Acuíferos (agua subterránea

Asimismo, el agua puede estar almacenada en:

•Suelo

•Vegetación

•Nieve Hielo

La transferencia de agua entre cada elemento de almacenamiento se denomina:

Existen otros fenómenos de transferencia tales como:

Deshielo, paso del agua de fase sólida a líquida.

Sublimación, paso de fase sólida a gas.

Flujo, en ambos sentido entre acuífero y masas de agua.

Precipitación (lluvia, nieve) paso del agua desde la atmósfera a la superficie.

Evaporación, paso del agua desde la sup. Terrestre a la atmósfera.

Evapotranspiración, evaporación de los vegetales.

Infiltración, paso del agua entre la sup. Terrestre y las capas inferiores.

Esquema del ciclo hidrológico.

BALANCE HIDROLOGICO

Es la aplicación de la conservación de la masa de agua existente a nuestro planeta, total (Oceanos, ríos, subterránea, etc).

En hidrología, el balance se limita a las fases no gaseosas correspondientes a una zona concreta y a un período de tiempo determinado.

•ZONA FISICA : Cuenca hidrográfica

•PERIODO DE TIEMPO : Un año hidrológico; Chile: Abril – Marzo

Cuenca Hidrográfica

Es un área topográficamente delimitada por un curso de agua, o un sistema conectado de cursos de agua, de modo tal que el caudal efluente es descargado por una sola salida.

Ecuación del Balance Hidrológico

SOI Donde: I = entrada al sistema O = salida del sistema S = variación de almacenamiento

Dentro de un período considerado, para el balance hidrológico tenemos:

Si = reserva existente al inicio del período P = volumen de precipitación recibida en el período E = evaporación sufrida durante el período Q = volumen de escorrentía Sf = reserva existente al final del período

Luego:

if SSQEP )(Ecuación aparentemente simple, pero cada uno de los subelementos muy complejos

Ej. De reservas existentes

Volumen de aguas de embalses y lagos Volumen de aguas en ríos Reservas subterráneas Agua existente en forma de hielo o nieve Agua existente en el suelo vegetal, etc.

Es habitual referirse al balance hidrológico en que las reservas sean mínimas (Abril), se supone al mínimo y sea estable, de forma que el valor sea constante para años sucesivos

0)( if SSQEP

EQP

PQ

: Déficit de escorrentía

Donde

: Coeficiente de escorrentía.

Ecuación general del balance hidrológico

La ecuación más general para una cuenca queda expresada como sigue:

NZSLSeZASA SSSSQIETEQQP

donde P = precipitación Qsa = gasto superficial afluente a la cuenca (natural o artificial) Qza = gastos subterráneos afluentes E = Evaporación media desde superficies de agua libre ET = Evapotranspiración media I = intercepción de la precipitación en la vegetación Qse = gasto superficial efluente de la cuenca Qze = gasto subterráneo efluente SL = volúmenes de agua almacenada superficialmente (lagos, embalses, lagunas,etc) SS = volumen de agua almacenado en suelos no satorados ( en forma de humedad) SS = almacenamiento subterráneo en los acuíferos SN = variación del agua almacenada en nieves y glaciares

Las unidades de cada término pueden ser expresadas en milímetros sobre el área de la cuenca (mm) o en metros cúbicos (m3).

Balance hidrológico del suelo

El sistema suelo-agua-planta, puede ser esquematizado como sigue:

Donde:P = precipitaciónET = evapotranspiraciónEI = escorrentía superficialI = infiltraciónH = humedad del sueloPf = percolación profundaES = escorrentía subterráneaIN = intercepciónZ = almacenamiento

Balance hidrológico del suelo

Para un período de tiempo t, se puede establecer el siguiente balance:

ZHESETETIESEIP N 2211

donde H y Z son los cambios de humedad del suelo y las variaciones del almacenamiento subterráneo.Lo anterior, limitado sólo a la zona radicular, tendremos:

HPEIETIEIP fN 21

21 EIETIEIPI N

HPI f

y los aportes o entradas netas de agua al sistema radicular, están constituidos por:

La ecuación de balance, puede ser reescrita como:

Lo anterior puede ser aplicado en la evaluación de:

Estimación de tasas de riegoNiveles de humedad disponible en el suelo

Balance hidrológico de una región

Un sector de una cuenca o región puede ser representada como:

Donde: P = precipitación Q = gasto superficial QZ = escorrentia superficial del río H = humedad de los suelos Z = almacenamiento subterráneo ( agua) ET = evapotranspiración R1 = recarga superficial del sector provenientes de canales o quebradas R2 = descarga superficial del sector ( canales , etc.) DZ = descarga desde almacenamiento subterráneo por pozos o aporte directo de la napa al río. RZ = recarga subterránea

ZHQQETRQRQP zz 222111

ZHDQRQ ZZZZ 21

Aplicada la ecuación a un sistema, tenemos:

y para un subsistema de embalse subterráneo, tenemos:

Algunas aplicaciones a un sector del río, nos permiten pe:

•Estimar pérdidas y recuperaciones de aguas

•Montos de consumos de agua

•Interacción entre río y acuífero

Balance hidrológico en un embalse

Esquemáticamente un embalse puede ser representado como sigue:

Donde:

Qa = caudales afluentes al embalse (ríos, canales, quebradas, etc.) P = precipitación sobre el embalse E = evaporación desde el embalse I = infiltración Qv = gasto efluente por el vertedero del embalse. IM = infiltración por el muro del embalse QD = gasto efluente por obras de entrega. S = volumen de agua almacenada en el embalse

Para un cierto período de tiempo, tenemos:

SEIIQQPQ MDVa

Algunas aplicaciones pueden ser:

Estudios de operación de embalsesDimensionamiento de vertederosReconstitución de la estadística de caudales de un río.

AGUA A NIVEL MUNDIAL

HIDROLOGIA COMO SISTEMA

Se busca relacionar las entradas y las salidas del sistema.

Objetivo Lograr predecir el comportamiento de una variable.

Concepto de sistema

Un sistema es un conjunto de partes conectadas entre sí, que forman un todo.

El ciclo hidrológico, puede ser considerado como un sistema cuyos componentes son:

•Precipitación•Evaporación•Escorrentía•Y otras formas del ciclo hidrológico

Además, estas componentes pueden ser agrupadas en subsitemas para analizar el ciclo total. Estos subsistemas pueden analizarse separadamente y combinarse, para en forma más simple interactuar sus resultados.

Del esquema del ciclo hidrológico pueden considerarse los siguientes subsistemas:

•Agua atmosférica

•Agua superficial

•Agua subterránea

Procesos hidrológicos

Por otra parte, una representación más simple del ciclo hidrológico ha sido desarrollada por medio del concepto de volumen de control. Se aplican las ecuaciones básicas de conservación de masa y de momentum y la energía se verifica en un volumen de control por el cual el fluido circula.

Nota: El conocimiento del sistema físico ayuda al desarrollo de un buen modelo.

Modelo del sistema hidrológico

Un modelo de sistema hidrológico es una aproximación al sistema real. Sus entradas y salidas son variables hidrológicas que se pueden medir y su estructura es un conjunto de ecuaciones que conectan la entrada y la salida

)()( tItQ

Ecs. De transformación del sistema

donde:Q(t) = entrada el sistemaI(t) = salida del sistema= función de transferencia

)()( tCItQ

CtItQ

)()(

kQS

Como es un operador algebraico, tenemos:

con C constante, y la función de transferencia;

Para el caso de un operador diferencial:

donde S representa un almacenamiento en función del caudal (pe. Embalse), tenemos:

•Assumptions All dimensions = mm of moisture storage• R = Rainfall: an input time series• E = Potential evaporation: an input time series

saturation

RR EEoverland flow

field capacity

rooting depth

interflow

wilting pointpercolation

baseflowGroundwater

Soil

Clasificación de modelos hidrológicos

AbstractosMod

FisiModihidroModelos

.

cos.coslog

Modelos Físicos Modelos a escala que representan el sistema a una escala

reducida (pe, modelo hidráulico de un vertedero).

Modelos Abstractos Representan el sistema en forma matemática. La clasificación

mas general de los modelos hidrológicos se representa en el siguiente esquema:

regressioncorrelation

distributedphysically-

basedempirical

lumpedconceptual probabilistic stochastic

statisticaldecisiontheory

statisticalprogramming

blackbox

greybox

whitebox

Systems Hydrology

deterministic statisticalmethods

optimizingnon-optimizing

Clasificación de Modelos hidrológicos

SHETRAN