principios y fundamentos de hidrologia superficial.pdf

7/28/2019 principios y fundamentos de hidrologia superficial.pdf

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CONTENIDO

Presentacin 3Introduccin 6Prefacio 9

Captulo 1. Fundamentos Bsicos 1.1 Definicin 1.2 Objetivos 1.3 Ciclo hidrolgico 1.4 Procesos hidrolgicos 1.5 Enfoque de los problemas hidrolgicos Referencias

10101010152022

Captulo 2. Cuenca Hidrolgica 2.1 Conceptos Generales 2.2 Cuencas y regiones hidrolgicas en la RepblicaMexicana 2.3 Caractersticas fisiogrficas 2.4 Curva hipsomtrica 2.5 Red de drenaje y aspectos geomorfolgicos 2.6 rea, pendiente y elevacin de una cuenca 2.7 Forma de la cuenca

2.8 Perfil y pendiente del cauce Referencias

2323

242729293537

3945

Captulo 3. Precipitacin 3.1 Fenmenos meteorolgicos 3.2 Elementos climatolgicos 3.3 Estacin climatolgica 3.4 Tipos de precipitacin 3.5 Aparatos de medicin de la lluvia 3.6 Tcnicas de anlisis de los registros de lluvias 3.7 Registros discretos puntuales 3.8 Consistencia de los datos de precipitacin 3.9 Distribucin geogrfica de la precipitacin 3.10 Redes de medicin 3.11 Relacin entre las caractersticas de una tormentay su rea llovida Referencias

4646526163656672767880

82117


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Captulo 4. Escurrimiento

4.1 Fuentes del escurrimiento 4.2 Procesos del escurrimiento 4.3 Hidrogramas

119

119120121

4.4 Anlisis de hidrogramas 4.5 Aforo de corrientes 4.6 Curvas elevaciones-gastos Referencias

124128141153

Captulo 5. Infiltracin 5.1 Aspectos generales 5.2 Factores que afectan a la capacidad de infiltracin

5.3 Medicin de la infiltracin 5.4 Mtodos para calcular la infiltracin 5.5 Mtodos empricos Referencias

154154160

161167175189

Captulo 6. Relaciones lluvia-escurrimiento 6.1 Mtodos empricos 6.2 Mtodo del hidrograma unitario 6.3 Mtodo del hidrograma unitario tradicional 6.4 Mtodo de la curva o hidrograma S

6.5 Mtodo del hidrograma unitario instantneo 6.6 Hidrogramas unitarios sintticosReferencias

190191200201204

207213250

Captulo 7. Trnsito de avenidas 7.1 Introduccin 7.2 Elementos bsicos de vasos de almacenamiento 7.3 Trnsito de avenidas y vasos 7.4 Trnsito de avenidas en cauces Referencias

251251251254268287


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Presentacin

En la primera dcada de siglo XXI y no obstante los avances en la difusindel conocimiento, la publicacin y consulta de libros relacionados con el agua

y la hidrologa es limitada y su edicin, distribucin y costo de adquisicinpara el lector es elevada. Las figuras, grficas, mapas, etc. en color es unfactor que incrementa los costos y aleja las ediciones impresas de las manosde la mayora de las personas a las que se les debe de fomentar la cultura depreservacin y cuidado del agua, as como de los estudiantes de bajosrecursos econmicos (la mayora de poblacin estudiantil en Amrica Latina yel Caribe y de los grupos marginados de habla castellana de los EstadosUnidos de Amrica, Canad, Espaa y de otros pases).

La situacin mencionada se agrava cuando las personas, estudiantes oespecialistas estn en poblaciones pequeas y alejadas geogrficamente delas grandes ciudades en donde se distribuyen y ofrecen con mayor facilidadlos ttulos relacionados con el estudio y conocimiento del agua.

Este libro es el cuarto de una serie de publicaciones electrnicas relacionadascon el recurso agua que constituyen una evidencia de que libros digitales enla web o en disco compacto de temas especializados:

1. Pueden ser producidos con calidad, bajo costo y corto tiempo deedicin por grupos reducidos de especialistas que laboran comoprofesores o trabajadores en las universidades.

2. Coadyuvan a mejorar la formacin de especialistas en el recurso aguay a promover la cultura de su preservacin por parte de la sociedad.

3. Su contenido es pertinente con los entornos locales y regionales yenriquece la literatura internacional sobre el tema.

4. Su cobertura es mundial, a travs de la web, y local en discoscompactos de muy bajo costo, lo que promueve la equidad en suconsulta.

5. Son un complemento y una opcin competitiva, de calidad y pertinenteante la oferta de libros en venta o suscripcin anual por parteempresas editoriales nacionales o internacionales.


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6. Su actualizacin est garantizada al ser la universidad o institucineditora la poseedora de los archivos electrnicos originales.

El presente libro se publica en un espacio de la web de la UniversidadAutnoma Metropolitana dedicado al apoyo de las actividades de docenciainstitucionales (www.uamenlinea.uam.mx), como una experiencia msdesarrollada en una universidad presencial que coadyuva a fortalecer lacultura de la preservacin del recurso agua y a la formacin de especialistasrelacionados con el tema, en un contexto de promocin de la innovacineducativa y del uso de ambientes educativos con el apoyo de las tecnologasde la informacin y de las comunicaciones, accin que se asocia a facilitar laincorporacin gradual de este paradigma en beneficio de los estudiantes yde los profesores.

As mismo, esta publicacin aparece dos meses antes del inicio del IV ForoMundial del Agua, que se llevar a efecto en la Ciudad de Mxico del 16 al 22de marzo del 2006, y es congruente con los principios rectores del Foro, ascomo con sus objetivos, a saber:

a. Promover la participacin activa de actores de todos los sectoresdurante el Proceso Preparatorio y en el Foro mismo.

b. Reforzar la conviccin de que los actores locales enfrentan graves retosen el manejo del agua y la implantacin de acciones.

c. Buscar de manera decidida remover los obstculos que bloquean lasacciones locales.

d. Promover debates regionales dirigidos a tratar retos especficos de lasdiferentes regiones que conduzcan a compromisos globales y de cadaregin.

Los autores del libro (Agustn Felipe Brea Puyol y Marco Antonio JacoboVilla), la responsable de su adaptacin electrnica (Guadalupe AlarcnLizardi) y un servidor como editor, se constituyeron como un grupo deespecialistas en su campo de accin, que desean que este trabajo apoyetanto a los especialistas con todos los recursos disponibles, como a losestudiantes, profesores e interesados en el tema de los lugares ms alejadosdel planeta, en donde sea posible consultarlo, ya sea en un disco compacto oen algn sitio pblico con acceso a Internet.
http://www.uamenlinea.uam.mx/http://www.uamenlinea.uam.mx/


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Extendemos una cordial invitacin al lector a consultar el libro y hacer llegarsus comentarios y sugerencias al Dr. Agustn Brea Puyol o al Dr. MarcoAntonio Jacobo Villa ([email protected]) o a un servidor al [email protected].

Mtro. Raul Placencia AmorozProyectos EspecialesCoordinacin General de Vinculacin yDesarrollo InstitucionalRectora GeneralUniversidad Autnoma MetropolitanaCiudad de Mxico10 de enero de 2006
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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Introduccin

El propsito fundamental que persigue el presente texto es orientar eintroducir tanto a ingenieros hidrlogos como a profesionales de las ciencias

naturales, en el conocimiento de los fundamentos, principios y aplicacionesde la hidrologa de superficie por medio de las tecnologas que estn ahoradisponibles en las instituciones de educacin superior y que tienen comofinalidad facilitar el acceso al conocimiento de una rama tan relevante tantopara las ciencias de la Tierra, como para la ingeniera.

Ahora bien, para desarrollar el texto denominado Principios y Fundamentosde Hidrologa Superficial se ha estructurado en siete captulos donde seincluyen en forma pormenorizada los fundamentos, principios y aplicacionesde eventos hidrolgicos que ocurren en nuestro pas con datos reales.

En el primer captulo denominado Fundamentos bsicos se describen losaspectos de mayor relevancia que intervienen en la hidrologa de superficietales como su definicin y alcances en la ingeniera. Adems, se enumeranlas caractersticas de los procesos involucrados con el ciclo hidrolgico, ascomo el campo de accin del ingeniero hidrlogo o profesionistas cuyocampo de accin es la ingeniera hidrolgica.

Posteriormente, en el captulo 2 se lleva a cabo la descripcin de la cuencahidrolgica, unidad bsica de los estudios hidrolgicos. El contenido comienzacon una explicacin de los aspectos de mayor relevancia de las cuencas y

regiones hidrolgicas que se han implementado en nuestro pas para lagestin, manejo, administracin y planeacin de los recursos hdricos.

En una fase posterior se explican las caractersticas fisiogrficas de lascuencas hidrolgicas tales como: parteaguas y rea de la cuenca; corrienteprincipal y tributarias; orden de corrientes; ancho y orientacin de la cuenca;curva hipsomtrica; red de drenaje; pendiente y elevacin de una cuenca;forma de la cuenca; perfil y pendiente del cauce; y algunas otras ms. Elcaptulo finaliza con varios ejemplos prcticos donde se ilustran, con datosreales, las aplicaciones de los conceptos descritos.

En el captulo 3 se enumeran los conceptos relevantes del procesoinvolucrado con la precipitacin y sus interrelaciones con el medio ambientey las cuencas hidrolgicas de la Repblica Mexicana. Para tal efecto, seexponen los aspectos implicados con los fenmenos meteorolgicos y loselementos climatolgicos que ocurren en nuestro pas, as como susrepercusiones en sus entornos de influencia.


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Asimismo, para poseer un mayor dominio sobre el proceso de la precipitacinse describen nociones tales como: el role que desempea una estacinclimatolgica; los tipos de precipitacin que ocurren en una cuencahidrolgica; los aparatos que se usan para medir la lluvia en forma continuao discreta; las tcnicas que se utilizan para analizar el comportamiento de

registros discretos de lluvia y su consistencia; la descripcin pormenorizadade la distribucin geogrfica de la precipitacin en los diferentes mbitosgeogrficos del pas; y algunos otros ms. En su fase final, se anexan variosejemplos para ilustrar la aplicacin de los eventos asociados con el procesode la precipitacin.

El objetivo del captulo 4 es describir las interrelaciones que ocurren entre losprocesos del escurrimiento y la lluvia. De acuerdo con el ciclo hidrolgico elescurrimiento se define como la porcin de la precipitacin que ocurre en unazona o cuenca hidrolgica y que circula sobre o debajo de la superficieterrestre y que llega a una corriente para ser drenada hasta la salida de unacuenca o bien alimentar un lago, si se trata de cuencas abiertas o cerradas,respectivamente.

Ahora bien, el escurrimiento que se presenta en el cauce de un ro esalimentado por cuatro fuentes diferentes: precipitacin directa sobre elcauce; flujo subsuperficial; flujo base; y escurrimiento directo. Adems, cadauno de ellos presenta caractersticas muy peculiares, tal como se mencionaen el texto del capitulo 4.

Adicionalmente, se lleva a cabo una narracin de varios conceptos que

intervienen en el proceso del escurrimiento tales como: los hidrogramas y suanlisis; el aforo de corrientes a partir de varios mtodos; anlisis yestimacin de las curvas elevaciones-gastos. Al igual que en los tresprimeros captulos, se incluyen varios ejemplos, con datos reales de cuencasmexicanas, para ilustrar su aplicacin prctica.

Posteriormente en el captulo 5, denominado Infiltracin, se describen lascaractersticas de mayor relevancia de los fundamentos que estn asociadoscon el proceso de la infiltracin. A la cantidad de agua que atraviesa lasuperficie del terreno por unidad de tiempo por la accin de la precipitacin yque se desplaza al subsuelo recibe el nombre de ritmo o tasa de infiltracin.Si el agua que se introduce al terreno por la superficie se desplaza a mayorprofundidad, entonces se dice que ocurre la percolacin. Un porcentaje delagua infiltrada podr desplazarse en forma lateral a travs del materialdispuesto abajo de la superficie del terreno, a lo que se denomina interflujo oflujo subsuperficial.


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Ahora bien, la infiltracin es un proceso complejo ya que esta gobernado porun conjunto de factores relacionados con: el medio poroso o fracturado delsuelo o bien con una combinacin de diferentes medios; los factores queafectan a la capacidad de infiltracin tales como lmina de agua disponible,conductividad hidrulica y caractersticas qumicas en la superficie del

terreno, contenido de agua en los estratos de suelo someros y pendiente dela superficie y rugosidad; y la medicin y mtodos para calcular lainfiltracin.

Los conceptos descritos anteriormente se enumeran en este captulo y parafinalizar se adjuntan varios ejemplos de aplicaciones numricas.

A continuacin, el captulo 6 desglosa los aspectos relevantes del proceso dela transformacin de la lluvia en escurrimiento. Un conjunto de parmetrosparticipan en este proceso sobresaliendo: rea de la cuenca; altura total delluvia y su distribucin en el tiempo; caractersticas fisiogrficas generales opromedio de la cuenca; la distribucin espacial de la lluvia; y algunas otrasde carcter especfico.

Ahora bien, este captulo esta enfocado a la descripcin y aplicacin de losprincipales mtodos que se han desarrollado para analizar la relacin lluvia-escurrimiento en cuencas hidrolgicas. El lector encontrar en este apartadolas concepciones tericas, el desarrollo y algunas aplicaciones numricas delos mtodos que tienen una aplicacin fecunda en nuestro medio tales como:los mtodos empricos; el mtodo del hidrograma unitario tradicional (HU);el mtodo de la curva o hidrograma S; el mtodo del hidrograma unitario

instantneo (HUI); y los hidrogramas unitarios sintticos

Finalmente en el captulo 7, denominado Trnsito de avenidas, se analiza latransformacin que sufre un hidrograma que se traslada a travs de untramo de ro o en el vaso de almacenamiento de una presa. A este procesose le nombra trnsito de avenidas y, en general, el cambio del hidrogramapuede ser tanto en forma como en desplazamiento en el tiempo.

Por su parte, en este captulo se incluyen las nociones de mayor relevanciade los mtodos que se han implementado para resolver los problemas deltrnsito de avenidas en cauces y vasos, incluyendo aplicaciones numricaspara ilustrar los mtodos. No obstante, una aportacin destacada del trnsitode avenidas en vasos es el desarrollo de un mtodo estructurado a partir deun algoritmo de incrementos finitos de fcil aplicacin en una computadorapersonal.


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Prefacio

Esta obra tiene como objetivo ofrecer los conceptos tericos bsicos de laHidrologa Superficial, los cuales sern fundamentales en la adecuada

aplicacin de los mtodos y tcnicas ya aceptados en la IngenieraHidrolgica, as como para el desarrollo de nuevas herramientas que ante laproblemtica actual se requieren.

Asimismo, es pertinente aclarar que en este texto se busc reunir lainformacin terica y prctica necesaria que consideramos se requiere paracomprender las ideas ms importantes de la Hidrologa.Desafortunadamente, la mayor parte del material bibliogrfico que sirve desoporte en el proceso enseanza-aprendizaje de la Hidrologa Superficial,est disperso en mltiples fuentes, muchas de ellas escritas en otro idioma, yse procuro incluir aquel material escrito en espaol de reciente creacin.

En la seccin de referencias, se muestran de manera detallada los artculos,reportes, libros y manuales que se consultaron, de modo que aquellapersona interesada en ampliar o profundizar el conocimiento en alguno delos temas en particular, cuenta con los datos necesarios para recurrir a lareferencia bibliogrfica correspondiente.

La exposicin terica se complementa con aplicaciones prcticas deproblemas reales en nuestro medio. En un futuro se tendr como suplementoun problemario con ejercicios resueltos y ejercicios propuestos con

respuesta, as como un manual de prcticas de campo y laboratorio.

En fin, esperamos que este aporte sea de utilidad tanto para los ingenieroshidrlogos como para aquellos profesionistas interesados en adquirir elconocimiento elemental de la Hidrologa de Superficie, as como para quienesrequieran consultar alguna definicin o algn concepto especfico relacionadocon el tema.

Agustn Felipe Brea PuyolMarco Antonio Jacobo Villa

Ciudad de MxicoNoviembre del 2005


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1. Fundamentos bsicos

1.1.Definicin

La Hidrologa, segn Dingman (1994), es La ciencia que se enfoca al ciclohidrolgico global y a los procesos involucrados en la parte continental dedicho ciclo, es decir, es la geociencia que describe y predice:

Las variaciones espaciales y temporales del agua en las etapas terrestre,ocenica y atmosfrica del sistema hdrico global y;

El movimiento del agua sobre y debajo de la superficie terrestre,incluyendo los procesos qumicos, fsicos y biolgicos que tienen lugar a lo

largo de su trayectoria.

1.2. Objetivos

En general los objetivos de la Hidrologa son:

Adquirir los conocimientos tericos bsicos de los fenmenos hidrolgicos,para resolver los problemas que en este campo se presenten en nuestropas;

Conocer la cantidad, frecuencia y naturaleza de ocurrencia del procesolluvia-escurrimiento sobre la superficie terrestre y;

Determinar eventos de diseo, a partir de los datos hidrolgicos de losdiferentes fenmenos hidrolgicos que son registrados en las redes demedicin.

1.3. Ciclo hidrolgico

El ciclo hidrolgico est compuesto por diferentes variables, las cuales serelacionan entre s por medio de los procesos hidrolgicos. En general, seentiende por proceso a una serie de acciones que producen un cambio odesarrollo en un sistema y para el caso particular de la Hidrologa, losprocesos estn asociados con aquellos fenmenos que intervienen tanto en elmovimiento del agua como en los cambios que sufre sta en suscaractersticas fsicas, qumicas y biolgicas al desplazarse por diversosmedios.


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El ciclo hidrolgico se puede representar como un sistema, es decir, comouna estructura o volumen en el espacio, delimitada por una frontera, cuyoscomponentes internos interactan entre s o con otros sistemas adyacentes(Chow et al, 1988). Los componentes del sistema sern las variables

hidrolgicas y los procesos que las relacionan entre s; los sistemasadyacentes sern aquellos que tienen como lmites comunes las capas altasde la atmsfera y los sistemas geolgicos profundos.

Al considerar una escala a nivel planeta, el ciclo hidrolgico se denominaglobal. Este sistema global se puede subdividir en tres: en un subsistemaatmosfrico, en un subsistema de agua superficial y en un subsistema deagua subterrnea.

En cada subsistema se presentar una capacidad de retencin de volmenesde agua, en cualquiera de sus fases, durante un determinado intervalo detiempo. La capacidad de retencin en un medio tambin recibe el nombre dealmacenamiento y el intervalo de tiempo que permanece un volumen recibeel nombre de tiempo de residencia.

Subsistema atmosfrico

Este subsistema se abastece de la evaporacin (fenmeno que se origina porla incidencia de la energa proveniente del Sol y de la atmsfera alta), esdecir, de los volmenes de vapor de agua que llegan a la atmsfera desde la

superficie del ocano y/o desde la superficie del terreno; en este ltimo caso,si existe una cubierta vegetal, se presenta el efecto combinado que recibe elnombre de evapotranspiracin.

El vapor de agua podr ser desplazado por los procesos de circulacinatmosfrica a otras regiones geogrficas donde, si se presentan lascondiciones adecuadas, abandonar el subsistema atmosfrico al cambiar defase a travs de la precipitacin, es decir, se transformar en lluvia, nieve,hielo, roco, etc.

Esta precipitacin podr tener lugar tanto en la superficie del ocano como

en el continente y, en algunas situaciones, el agua precipitada no seincorporar a ningn proceso de los subsistemas de agua superficial ysubterrnea, regresando a la atmsfera; a esta variable se le da el nombrede intercepcin o prdidas, y queda ejemplificada por aquella porcin deagua lquida atrapada en las copas de los rboles, techos de las casas, etc.


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Subsistema del agua superficial

Para este subsistema la precipitacin se considera como una entrada. Una

vez eliminada el agua interceptada, el volumen restante se transformar enescurrimiento sobre la superficie del terreno, el cual a su vez llegar alsistema de drenaje del rea de captacin para formar el escurrimientosuperficial; parte de estos escurrimientos saldrn del subsistema comoinfiltracin al subsistema subterrneo o bien como escurrimiento por mediode los sistemas de drenaje regionales que finalmente llegan al ocano.

Subsistema del agua subterrnea

La entrada a este subsistema proviene bsicamente de la infiltracin. Parte

del volumen infiltrado al subsuelo percola a mayor profundidad, llegando alalmacenamiento del agua subterrnea; la otra parte se almacena en laregin intermedia entre la superficie del terreno y el almacenamiento deagua subterrnea de mayor profundidad. En las dos zonas mencionadas delsubsuelo tiene lugar el desplazamiento del agua: en el primer caso, se tratadel flujo subterrneo, y en el segundo caso se trata del flujo subsuperficial.

El flujo subterrneo puede abarcar grandes extensiones y actuar como unasalida del agua subterrnea al ocano o a otros sistemas regionales.

El flujo subsuperficial es generalmente local y es un proceso importanteentre diferentes variables dentro del subsistema; este flujo tambin se puedeconvertir en una salida del subsistema por medio de la evapotranspiracin.

En la figura 1.1 se muestra la representacin esquemtica del sistema delciclo hidrolgico global. Se puede notar que el sistema tiene una relacinestrecha con dos sistemas adyacentes:

Con la parte superior de la atmsfera, a travs de la energa que llega delSol y los estratos superiores, y

Con los sistemas geolgicos profundos como aquellos que estn asociadosa sistemas geotrmicos y que pueden interactuar con los componentesrecarga, flujo subterrneo y flujo subsuperficial.


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Capas superiores de la atmsfera

ES

Ev It Ev y ET

Ocano Continente

Escurrimiento a los ocanos

FSs

R

P

Est

Es

If

FSb

Sistemas geolgicos Profundos

Sistema adyacente

Subsistema

atmosfrico

Subsistema

de agua

superficial

Subsistema

de agua

subterrnea

Sistema global

de ciclo

hidrolgico

ProcesoFrontera entre sistema y

subsistema

Sistema adyacente

Figura 1.1. Representacin esquemtica del sistema global del ciclo hidrolgico

El significado de cada componente del ciclo hidrolgico representado en lafigura 1.1.es:

ES, Energa solar de los estratos superiores de la atmsfera;Ev, Evaporacin;ET, Evapotranspiracin;It, Intercepcin;P, Precipitacin;

Est, Escurrimiento superficial sobre el terreno;Es, Escurrimiento superficial;If, Infiltracin;FSs, Flujo subsuperficial;R, Recarga;FSb, Flujo subterrneo.

Los valores volumtricos estimados para diferentes elementos ocomponentes del ciclo hidrolgico se presentan en la tabla 1.1.


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Tabla 1.1. Volmenes globales estimados de almacenamiento

Componente rea,en 106 km2

Volumen,en km3

Porcentajedel total

(%)

Porcentajede agua dulce

(%)

Ocanos 361.3 1 338 000 000 96.50

Agua Subterrnea- Agua dulce- Agua salada

134.8134.8

10 530 00012 870 000

0.760.93

30.10

Humedad delsuelo

82.0 16 500 0.0012 0.05

Hielo polar 16.0 24 023 500 1.70 68.60

Otros tipos de

hielo y nieve

0.3 340 600 0.025 1.00

Lagos- Agua dulce- Agua salada

1.20.8

91 00085 400

0.0070.006

0.26

Humedales 2.7 11 470 0.0008 0.03

Ros 148.8 2 120 0.0002 0.006

Agua biolgica 510.0 1 120 0.0001 0.003

Agua atmosfrica 510.0 12 900 0.001 0.04

Total 510.0 1 385 984 610 100.00

Total agua dulce 148.8 35 029 210 2.50 100.00

Fuente: Chow et al (1988)

Ahora bien, en la tabla 1.2 se presentan las estimaciones del balancehidrolgico global anual tanto para el ocano como para el continente.


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Tabla 1.2. Volmenes globales estimados de almacenamiento

por componente del ciclo hidrolgico.

Componente Unidades Ocano Continente

rea km2 361 300 000 148 800 000

Precipitacin- Volumen anual- Lmina anual

km3/aomm/ao

458 0001 270

119 000800

Evaporacin- Volumen anual- Lmina anual

km3/aomm/ao

505 0001 400

72 000484

Escurrimiento a los ocanos

Por ros:- Volumen anualPor agua subterrnea:- Volumen anual

km3/ao

km3/ao

44 700

2 200

Escurrimiento total- Volumen anual- Lmina anual

km3/aomm/ao

47 000316

Fuente: Chow et al (1988)

1.4. Procesos hidrolgicos

Para cuantificar cualquier variable hidrolgica involucrada en un procesodeterminado, se hace uso de los principios de conservacin, as como deexpresiones empricas y semi-empricas que se han obtenido a travs deaos de investigacin.

Dependiendo del enfoque del estudio, se decide el tipo de herramientamatemtica a utilizar en el planteamiento y solucin de algn problemaparticular. Si el inters se centra en una partcula de un sistema cualquiera,

entonces se hace uso de las herramientas disponibles para el anlisis desdeel punto de vista Lagrangiano. Si el anlisis de un sistema es conveniente atravs de volmenes de control, entonces se aplica la herramienta quebrinda el punto de vista Euleriano. No obstante, el punto de vista Eulerianoes el de mayor inters, el cual tiene una herramienta muy poderosa: laecuacin de transporte de Reynolds.


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La ecuacin de Reynolds se aplica a las propiedades extensivas (aquellas quedependen de la masa) del fluido que est bajo estudio. Si N es la propiedadextensiva total en estudio, entonces:

+

=

vc sc

dAvdV

t

dt/dN

(1.1)

donde vc indica volumen de control; sc es la superficie de control; es lapropiedad de inters dividida por la masa; es la densidad del fluido; v es elvector velocidad media del fluido; dA es el vector asociado con las superficiesde control; dV es el diferencial del volumen de control; y t es el tiempo.

Como se puede observar, el trmino a la izquierda del signo de igualdad,representa el cambio en el tiempo de la propiedad de inters; el primertrmino a la derecha del signo de igualdad representa el cambio del volumenpor unidad de tiempo dentro de la seccin de control; y el segundo trminode la derecha corresponde a un flujo neto a travs de las superficies quelimitan al volumen de control.

Ahora bien, a partir de la ecuacin (1.1) se pueden obtener las ecuaciones deconservacin. As, para deducir la ecuacin de continuidad, si es igual a launidad, se obtiene la expresin siguiente:

VSE =

(1.2)

donde E es la entrada por una de las superficies que limitan al volumen decontrol o sistema; S es la salida por otra de las superficies limitantes; y Ves el cambio en el almacenamiento en un intervalo de tiempo definido.

La densidad se supone constante y de manera similar se pueden obtener lasecuaciones de energa y momento.

Las ecuaciones anteriores se complementan con las ecuaciones empricas ysemi-empricas, ofreciendo as los elementos para analizar y cuantificar lasvariables y los procesos hidrolgicos que se presentan en cualquiera de lossubsistemas mencionados en el inciso 1.3.

Por otra parte, algunos de los procesos de mayor relevancia que ocurren enel ciclo hidrolgico se comentan a continuacin:


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La energa que llega a la superficie terrestre desde el Sol y de losestratos atmosfricos superiores

La energa que proviene bsicamente del Sol y de las partes altas de la

atmsfera, y que alcanza la superficie de la Tierra, es el elemento primordialdel ciclo hidrolgico.

Esta energa puede ser absorbida, reflejada o emitida por los diferentes tiposde superficie terrestre. El porcentaje que se refleja se denomina albedo, y ala resta de la parte absorbida menos la emitida se le denomina radiacinneta, la cual se expresa como:

ein R)1(RR =

(1.3)

donde Rn es la radiacin neta; Ri es la radiacin que incide en la superficie; es el albedo; y Re es la radiacin emitida.

La radiacin emitida, Re, se puede estimar a travs de la ley de Stefan-Boltzmann:

4e TeR =

(1.4)

donde e representa la emisividad; es la constante de Stefan-Boltzmann

(tiene un valor numrico aproximado de 5.67 10-8 W/[m2 K4]); y T es latemperatura absoluta en la superficie.

El transporte atmosfrico por vientos

Un proceso importante para el transporte de masas de aire es el viento. Lacuantificacin de la velocidad del viento cercano a la superficie del terreno selleva a cabo a travs de la expresin del perfil logartmico, que est enfuncin de la altura y de las condiciones relacionadas con la capa lmite

expresada por la ecuacin:

[ ]0* z/zln

1

u

u

=

(1.5)

donde u es la velocidad del viento a la altura z, medida desde la superficiedel terreno; u* es la velocidad asociada al cortante (u* = [0/]1/2, 0 es el


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esfuerzo cortante en la capa lmite y , la densidad del fluido); es laconstante de Karman (con un valor aproximado de 0.4); y z0 es la alturarepresentativa de la rugosidad de la superficie.

La evaporacin

Existe una gran cantidad de mtodos y tcnicas para estimar la evaporacinde una superficie particular. Para los fines que en esta seccin se persiguen,se indica uno de los mtodos ms sencillos de aplicar, para estimar laevaporacin a partir de valores medidos en el tanque evapormetro.

En sntesis, la evaporacin media estimada se obtiene al afectar el valorobtenido de la lectura del tanque evapormetro por un coeficiente que varaentre 0.6 y 0.8.

La evapotranspiracin

La evapotranspiracin es un proceso combinado que depende de la influenciade las condiciones atmosfricas sobre el sistema agua-suelo-planta. Uno delos mtodos ms sencillos para estimar la evapotranspiracin, entre muchosexistentes, es el de Thornthwaite, el cual requiere, bsicamente, deinformacin climatolgica y geogrfica (Remenieras, 1974).

Segn el autor, el valor de la evapotranspiracin potencial es funcin de las

variables siguientes:a).La temperatura media mensual t, en C, por medio de ndices trmicos

mensuales i calculados por:

5.1

5t

i

=

(1.6)

b).La latitud, en la cual va implcito el valor de insolacin.


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El escurrimiento superficial

El flujo en cauces naturales y en canales generalmente se estudia haciendouso de las ecuaciones de conservacin y de la ecuacin de Manning, la cualtiene la forma siguiente:

2/13/2h SRn

1v =

(1.7)

donde v es la velocidad media a travs de la seccin del cauce o canal; n esla constante de Manning; Rh es el radio hidrulico; y S es la pendiente.

El proceso lluvia-escurrimiento en cuencas pequeas

En el proceso lluvia-escurrimiento es de uso comn la frmula Racional, lacual relaciona el gasto pico del escurrimiento, Qp, con la intensidad media dela lluvia, I, en una cuenca de rea A. Asimismo, existe un coeficiente deproporcionalidad, denominado coeficiente de escurrimiento C, que se obtienede tablas (Aparicio, 1989).

De acuerdo con Viessman et al (1989) la expresin tiene la forma siguiente:

AICQp =

(1.8)

donde Qp es el gasto pico o mximo de escurrimiento; I es la intensidadmedia de la lluvia; y C es el coeficiente de escurrimiento.

El flujo subsuperficial y la infiltracin

El flujo subsuperficial y la infiltracin generalmente tienen lugar en ladenominada zona no saturada, es decir, aquella parte del subsuelo que seencuentra localizada entre la superficie del terreno y los sistemas de flujosubterrneo. Al encontrarse este medio en una condicin de saturacin

parcial, la expresin para determinar en forma cuantitativa el movimiento delagua es diferente a la del flujo subterrneo.

As, si el medio es poroso, la ecuacin que representa a estos procesos es ladenominada ecuacin de Richards, la cual presenta la forma siguiente (Hillel,1980):


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20

[ ] z/K)(Kt/ +=

(1.9)

donde es el contenido de humedad; es el operador gradiente; K() es laconductividad hidrulica no saturada que es funcin del potencial mtrico

;y z es la coordenada vertical del sistema de referencia.

El flujo del agua subterrnea

El flujo subterrneo se representa matemticamente a travs de la ecuacinde Darcy, la cual relaciona la velocidad media del agua en un medio porososaturado, v, con el cambio de la carga hidrulica, h, a lo largo de unadireccin determinada del espacio, x, tambin denominado gradientehidrulico, h/x. La proporcin de esta relacin est dada por el coeficientede conductividad hidrulica a saturacin, K.

La expresin es de la forma siguiente:

x/hKv =

(1.10)

donde v es velocidad media del agua en un medio poroso saturado; K es elcoeficiente de conductividad hidrulica; y h/x es el gradiente hidrulico.

1.5. Enfoque de los problemas hidrolgicos

El campo de accin del ingeniero hidrlogo es disear o revisar, construir osupervisar el funcionamiento de instalaciones hidrulicas que deben resolverproblemas prcticos de muy variado carcter.

Es as que el ingeniero hidrlogo tendr que disear puentes, estructuraspara el control de avenidas, presas, vertedores, sistemas de drenaje parapoblaciones, carreteras, aeropistas, sistemas de abastecimiento de agua, etc.

Asimismo, en la etapa de diseo o revisin, se determinan las dimensionesfsicas o la capacidad de conduccin de una estructura hidrulica, desde

luego, de acuerdo con los volmenes y gastos que se deseen almacenar ocontrolar.

Para la fase anterior se requieren estudios hidrolgicos para determinar ladisponibilidad de fuentes naturales y para saber si el abastecimiento de lafuente es adecuado en todo tiempo, o si se requerir de otras estructuras


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para corregir las deficiencias o para disponer de los volmenes excedentesde agua.

En el diseo de presas, se determinar la capacidad del vertedor y laelevacin mxima del embalse, a partir de la estimacin de la tormenta de

diseo y de su conversin a una avenida generada en la cuenca. Asimismo,se analizar el comportamiento de las olas y la marea generadas por elviento en el embalse de la presa.La estabilidad de muros y terraplenes depende de los estudios hidrolgicos ehidrulicos que definen los niveles probables del agua, as como la duracin ycambios en el tiempo de dichos niveles.

Adems, la Hidrologa juega tambin un papel importante en la operacinefectiva de estructuras hidrulicas, especialmente en aquellas que sedestinan a la generacin de energa y control de avenidas, donde se requierecon frecuencia de pronstico de avenidas y sequas.


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Referencias

Aparicio, F. (1989). Fundamentos de Hidrologa de Superficie. EditorialLimusa; Mxico

Chow, V. T., Maidment, D. R. y Mays, L. W. (1988). Applied Hydrology.Editorial Mc Graw-Hill; Estados Unidos de Amrica.

Dingman, S. L. (1994). Physical Hydrology. Editorial Prentice-Hall; EstadosUnidos de Amrica.

Hillel, D. (1980). Fundamentals of Soils Physics. Editorial Academic Press;Estados Unidos de Amrica.

Remenieras, G. (1974). Tratado de hidrologa aplicada. Editores Tcnicos

Asociados, S.A.; Espaa.

Viessman, W., Lewis, G.L. y Knapp, J.W. (1989). Introduction to Hydrology.Editorial Harper and Row, 3 Edicin; Estados Unidos de Amrica.


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2. Cuenca hidrolgica

2.1.Conceptos generales

La cuenca es aquella superficie en la cual el agua precipitada se transfiere alas partes topogrficas bajas por medio del sistema de drenaje,concentrndose generalmente en un colector que descarga a otras cuencasaledaas, o finalmente al ocano. La cuenca hidrolgica, junto con losacuferos, son las unidades fundamentales de la hidrologa.

Desde el punto de vista de su salida existen dos tipos de cuencas:endorreicas (cerradas) y exorreicas (abiertas).

a) En el primer tipo, el punto de salida se ubica dentro de los lmites de lacuenca y generalmente es un lago.

b)En el segundo tipo, el punto de salida se localiza en los lmites de lacuenca y a su vez la descarga se vierte en una corriente o en el mar, talcomo se observa en la figura 2.1.

Figura 2.1. Cuenca hidrolgica exorreica


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2.2.Cuencas y regiones hidrolgicas en la Repblica Mexicana

Premisa fundamental del manejo de los recursos hidrulicos es la adopcin

de la cuenca hidrolgica y del acufero como las unidades de gestin delrecurso agua. En nuestro pas, este principio ha sido incorporadorecientemente en la Ley de Aguas Nacionales (CNA, 1992).

Los conceptos de unidad de cuenca hidrolgica y acufero, que incluye ladebida interrelacin entre las aguas superficiales y subterrneas, en calidady cantidad, conduce a considerar no solo conceptos tcnicos. Por ejemplo, elproblema de trazar las fronteras hidrolgicas superficiales es relativamentesencillo, pero se dificulta cuando se pretende trazar las fronteras de unacufero, situacin producida por la carencia de informacin adecuada yprecisa.

A partir del concepto de cuenca hidrolgica diferentes organismos federales,encargados de la gestin de recurso agua en nuestro pas, han regionalizadoel territorio nacional con diferentes esquemas y criterios.

La primera regionalizacin nacional, que considero como criterios bsicos laorografa e hidrografa, fue elaborada en los aos 60 por la entoncesDireccin de Hidrologa de la Secretara de Recursos Hidrulicos, agrupandopara ello las cuencas del pas en 37 regiones hidrolgicas y que hoy daprevalecen como base de los estudios tcnicos en materia de agua y de las

diferentes regionalizaciones realizadas a lo largo del tiempo.

La tabla 2.1 seala las caractersticas de mayor importancia de las 37regiones hidrolgicas del pas, mientras que en la figura 2.2 se indican suslmites geogrficos (CNA, 2004).

Posteriormente y con el propsito de formular el Plan Nacional Hidrulico1975 (SRH, 1975), se definieron trece regiones administrativas y 102subregiones hidrolgicas conforme a criterios que incorporan adems de losaspectos hidrolgicos, la dimensin geopoltica y semejanzas econmicas ysociales.

En una fase posterior se estructura el Plan Nacional Hidrulico 1981 (SARH,1981) considerando catorce regiones administrativas y 104 subregioneshidrolgicas. Asimismo, se adopta un criterio ms apegado a las realidadeshidrolgicas, el cual ha prevalecido hasta la fecha.


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Para obtener un conocimiento ms detallado de los recursos hidrulicos yhacer ms eficaz la administracin y la planeacin del agua, en el programasectorial de mediano plazo denominado Plan Nacional Hidrulico 1995-2000(CNA, 1996), las 314 regiones hidrolgicas con que cuenta el pas seagruparon en 72 subregiones hidrolgicas y seis regiones administrativas.

Finalmente, la CNA propone con bases hidrolgicas, en 1996 una nuevaregionalizacin administrativa, integrada por 13 regiones cuyo objetivoprincipal es facilitar el manejo de los recursos hidrulicos, propiciar el flujooportuno de informacin y favorecer la integracin de los Consejos deCuenca y la participacin de los usuarios.

Cabe mencionar que las 13 regiones hidrolgico-administrativas aglutinan las37 regiones hidrolgicas originales establecidas, desde el punto de vistaorogrfico e hidrogrfico, por la Direccin de Hidrologa de la Secretara deRecursos Hidrulicos, para regionalizar la Repblica Mexicana.


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Tabla 2.1. Caractersticas de las regiones hidrolgicas

Extensin Precipitacin Escurrimiento

Regin Hidrolgica territorial media anual natural mediocont inental, 1941-2002, superf ic ial,

en km2 en mm en hm3

1. Baja California Noroeste 28 492 196 3422. Baja California Centro-Oeste 44 314 101 2463. Baja California Suroeste 29 722 165 2234. Baja California Noreste 14 418 133 1125. Baja California Centro-Este 13 626 100 816. Baja California Sureste 11 558 225 1437. Ro Colorado 6 911 130 178. Sonora Norte 61 429 226 2009. Sonora Sur 139 370 478 5 259

10. Sinaloa 103 483 729 13 91511. Presidio-San Pedro 51 717 781 8 24412. Lerma-Santiago 132 916 721 16 51913. Ro Huic ic ila 5 225 1 214 1 67614. Ro Ameca 12 255 939 2 57915. Costa de Jalisco 12 967 1 166 6 07916. Armera-Coahuayana 17 628 828 3 88217. Costa de Michoacn 9 205 1 002 1 63518. Balsas 118 268 949 24 94419. Costa Grande de Guerrero 12 132 1 243 6 05120. Costa Chica de Guerrero 39 936 1 403 18 93321. Costa de Oaxaca 10 514 1 301 3 878

22. Tehuantepec 16 363 1 014 2 60623. Costa de Chiapas 12 293 2 368 9 70324. Bravo-Conchos 229 740 422 7 36625. San Fernando-Soto La Marina 54 961 664 4 23626. Pnuco 96 989 900 19 08727. Norte de Veracruz (Tuxpan-Nautla) 26 592 1 568 16 03428. Papaloapan 57 355 1 808 50 88729. Coatzacoalcos 30 217 2 279 44 14130. Grijalva-Usumacinta 102 465 1 892 73 48731. Yucatn Oeste 25 443 1 192 59132. Yucatn Norte 58 135 1 067 033. Yucatn Este 38 308 1 238 1 125

34. Cuencas Cerradas del Norte 90 829 346 1 56435. Mapim 62 639 302 58036. Nazas-Aguanaval 93 032 385 2 50837. El Salado 87 801 431 1 641

Total Nacional 1 959 248 771 350 514


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Figura 2.2. Lmites geogrficos de las regiones hidrolgicas

2.3.Caractersticas fisiogrficas

En general, para estudiar una cuenca hidrolgica se requieren mtodoscuantitativos y cualitativos. En el primer caso, es fundamental definirparmetros que representen algunas caractersticas particulares importantes,que pueden ofrecer una informacin relevante acerca de las variables y losprocesos hidrolgicos.

Algunos de los parmetros caractersticos de mayor inters se presentan acontinuacin:

Parteaguas. Lnea imaginaria formada por los puntos de mayor niveltopogrfico y que separa dos cuencas adyacentes.


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rea de la cuenca. Es la proyeccin del parteaguas a un plano horizontal,caracterizndose as el tamao de la cuenca. El valor del rea se obtiene delos mapas topogrficos a travs del uso del planmetro o de otros mtodos.

Corriente principal. Es la corriente de mayor longitud que pasa por la

salida de la cuenca hidrolgica.

Corrientes tributarias. Serie de corrientes tributarias con un diferentegrado de bifurcacin.

Orden de corrientes. Se determina a partir del grado de bifurcacin de lascorrientes tributarias.

a) Corriente de orden 1 es un tributario sin ramificaciones;b)Corriente de orden 2 solo tiene corrientes de orden uno;.c) Y as sucesivamente dos corrientes de orden 1 forman una de orden 2,

dos corrientes de orden 2 forman una de orden 3, dos corrientes de orden3 forman una de orden 4, etc.

Longitud del eje mayor de la cuenca. Es la mxima longitud que vadesde el punto de la descarga o salida de la cuenca al punto ms lejano de lacuenca. Este parmetro es importante, ya que da una idea de la forma de lacuenca. Los procesos hidrolgicos, por ejemplo el escurrimiento superficial,responden de manera diferente en una cuenca alargada que a la que se

aproxima a una forma circular.

Ancho de la cuenca. Es la longitud perpendicular a la longitud del ejemayor de la cuenca y para su estimacin se miden las longitudesperpendiculares representativas de cada parte de la cuenca, tomando comoreferencia la recta que se ha trazado para la longitud del eje mayor.

Orientacin de la cuenca. Es el ngulo de orientacin a partir del nortegeogrfico y para su determinacin se toma como punto de referencia ladescarga o salida de la cuenca y utilizando la recta que representa a lalongitud del eje mayor, se determina el ngulo de la orientacin a partir del

norte geogrfico. Este parmetro es importante, ya que los sistemas decirculacin atmosfrica son fundamentales en lo que respecta al rgimenpluviomtrico de una cuenca.

ndice de forma. Es la relacin del permetro de la cuenca entre elpermetro que tendra un crculo con el mismo valor de rea. Con esteparmetro se determina cuanto se aleja la forma de la cuenca de un crculo.


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Relacin de alargamiento. Es la relacin del dimetro de un crculo quetiene el mismo valor de rea de la cuenca entre la longitud del eje mayor.

2.4.Curva hipsomtricaEs una curva que representa en ordenadas, las elevaciones o altitudes de lacuenca que se ubica a partir de las superficies de la descarga o salida enabscisa. Se puede considerar a esta curva como una especie del perfil decuenca de anlisis.

La distribucin espacial de la altitud en la cuenca es fundamental paracaracterizar su condicin morfolgica, es decir, saber que porcentaje de lacuenca corresponde a zonas de montaa, lomeros, planicies, etc. Primero se

requiere obtener un diagrama de frecuencias que asocie rea-altitud; esdecir, determinar el valor de rea correspondiente a un intervalo de altitud,abarcando el rango comprendido entre las elevaciones del terreno mnima ymxima. La marca de clase, o intervalo de la altitud, se define a partir de lascondiciones topogrficas de cada cuenca.

Una vez obtenida la relacin rea-altitud se puede obtener la curvahipsomtrica de la cuenca, que no es otra cosa que una curva acumuladaque parte de la elevacin mnima del terreno localizada en la descarga osalida de la cuenca hidrolgica de anlisis (Remenieras, 1974).

2.5.Red de drenaje y aspectos geomorfolgicos

a) Aspectos generalesLa red de drenaje de una cuenca es el sistema interconectado de cauces, atravs del cual, el agua captada en las partes altas se recolecta y esconducida a las partes bajas.

En algunos tramos de los cauces, los bordos o riberas estarn asociados agrandes extensiones planas adyacentes que sern inundadas en la poca deavenidas que se le conoce con el nombre de planicies de inundacin.

Si la planicie de inundacin se ha creado a travs de la erosin lateral yretroceso gradual de las paredes del valle, formando una delgada capa desedimentos, entonces recibe el nombre de erosional.


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Si el espesor de la capa de sedimentos ha alcanzado valores de una centenade metros (o ms) en el transcurso del tiempo, entonces se dice que laplanicie es de agradacin.

Es conveniente indicar que el sistema o red de cauces que drena una cuencase clasifican en: dendrtico, rectangular, radial, enrejado y multicuenca. Lafigura 2.3 indica la pauta de los diferentes sistemas de cauces.

b) Clasificacin de los ros

b.1) A partir de su posicin topogrfica o edad geolgica los rospueden clasificarse en:

Corriente joven. Son aquellas corrientes que erosionan rpidamente lasriberas, creando secciones en forma de v; no cuentan con planicie deinundacin, o sta es muy poco extensa. Las pendientes del cauce sonpronunciadas y es comn encontrar en su desarrollo cascadas, rpidos ypocos tributarios de longitudes pequeas.

Corriente madura. El potencial erosivo disminuye, suavizando la pendientedel cauce y eliminando las cascadas y rpidos; las extensiones de lasplanicies de inundacin son mucho mayores y se inicia la formacin demeandros, alcanzando as sus profundidades mximas.

Corriente senil. El proceso de ensanchamiento de la planicie de inundacines ms importante que el de la profundizacin.

La figura 2.4 seala las caractersticas predominantes de las corrientes deacuerdo con su ubicacin topogrfica o bien segn su edad geolgica.


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Dendrtico Rectangular

Radial Enrejado

Multicuenca

Figura 2.3. Patrones de drenaje en una cuenca


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32

b.2) A partir de la duracin de su descarga, los ros se puedenclasificar en:

Corriente perenne. Son las que conducen agua durante todo el ao.

Corrientes intermitentes. Conducen agua durante algunas semanas omeses.

Corrientes efmeras. Conducen agua despus de algn evento hidrolgico,es decir por un intervalo de horas o das.

Meandros Corrientes trenzadas

Corrientes ramificadas Corrientes reticulares

Figura 2.4. Caractersticas de las corrientes

c) Parmetros para caracterizar el sistema de drenaje de una cuencaOrden de la corriente. Expresa la relacin de jerarqua entre los diferentestramos de las corrientes (Summerfield, 1991). La figura 2.5 muestra un


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ejemplo para definir el nmero de orden para cada tramo que conforma lared de drenaje de una cuenca hidrolgica.

Relacin de bifurcacin. Es la relacin entre el nmero de segmentos decorriente de un orden dado, entre el nmero de tramos del orden mayor

siguiente.

De acuerdo con Summerfield (1991), si la litologa en una cuenca eshomognea, entonces la relacin de bifurcacin rara vez es mayor de 5 omenor de 3; si la cuenca es muy elongada, con una alternancia deafloramientos contrastantes en sus caractersticas litolgicas, puedenobtenerse valores mayores a 10.

Cuenca homognea; 5R3 b

Cuenca muy elongada; 10Rb >

donde Rb es la relacin de bifurcacin.

Figura 2.5. Orden de la corriente

Magnitud de la corriente. Este parmetro se relaciona estrechamente conlas proporciones del rea total de la cuenca que contribuyen al escurrimientosuperficial (Summerfield, 1991). En la figura 2.6 se muestra un ejemplo paradefinir los valores de magnitud de la corriente.


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Figura 2.6. Magnitud de la corriente

Densidad de corriente. Es la suma de las longitudes de los tributarios (Ns)dividida por el valor de rea (A) de la cuenca y se define a travs de laexpresin:

A

ND ss =

(2.1)

donde Ds es la densidad de corriente, en km/km2; Ns es la suma de las

longitudes de los tributarios, en km; y A es el rea de la cuenca, en km2.

Este parmetro da informacin valiosa sobre las condiciones climticas ylitolgicas de la regin: valores altos, mayores a 500 km/km2, se puedendeber a la combinacin de un rgimen pluvial elevado con una litologafcilmente erosionable; valores menores a los 5 km/km2 pueden serindicativos de un rgimen pluvial de poca cuanta, o que la resistencia delmaterial litolgico sea mucho mayor, es decir no se producen erosionesrelevantes.

2s km/km500D > , combinacin de un rgimen pluvial alto con una litologa

fcilmente erosionable.

2s km/km5D < , rgimen pluvial de poco valor o resistencia del material

litolgico de gran magnitud.


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35

Densidad de drenaje. Es la relacin de la suma de las longitudes de lascorrientes (L) entre el valor del rea (A) de la cuenca y se calcula con laexpresin:

A

LDd =

(2.2)

donde Dd es la densidad de drenaje, en 1/km; L es la suma de las longitudesde las corrientes, en km; y A es el rea de la cuenca, en km2.

2.6.rea, pendiente y elevacin de una cuenca

a) rea y permetro del parteaguas de la cuencaEl rea drenada de una cuenca hidrolgica es el rea en proyeccinhorizontal encerrada por el parteaguas y se determina con el planmetro obien con otro mtodo que definen superficies de zonas irregulares.

El permetro es la longitud total del parteaguas y por lo regular se utiliza elcurvmetro para medirlo.

b) Pendiente media de la cuencaEste parmetro mide la pendiente media en dos ejes principales (x, y) y apartir de estos valores se determina la pendiente media de la cuenca,definida como la inclinacin o declive promedio de su topografa.

El mtodo de mayor aplicacin es el Horton y para estimar la pendientemedia en la cuenca de anlisis se traza una malla cuyo eje principal (x) sigaaproximadamente el sentido del cauce principal.

A partir de la malla, se mide la longitud de cada lnea de la mallacomprendida dentro de la cuenca y se cuentan las intersecciones ytangencias de cada lnea con las curvas de nivel.

La pendiente de la cuenca en cada direccin de la malla se calcula con elapoyo de las expresiones siguientes:


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36

x

x

xL

DNS =

(2.3)

y

y

yL

DN

S =

(2.4)

donde D es el desnivel constante entre curvas de nivel, en m; Lx es lalongitud total de lneas de malla comprendidas dentro de la cuenca en ladireccin x, en m,; Ly es la longitud total de lneas de malla comprendidasdentro de la cuenca en la direccin, en m; Nx es el nmero totalintersecciones y tangencias de las lneas de la malla con las curvas de nivelen la direccin x; Ny es el nmero total intersecciones y tangencias de laslneas de la malla con las curvas de nivel en la direccin y; Sx es la pendiente

de la cuenca en la direccin x, adimensional; por ltimo Sy es la pendiente dela cuenca en la direccin y, adimensional.

La pendiente media de la cuenca se determina con la expresin:

L

secDNSc

= (2.5)

donde: L = Lx + Ly, en m; N = Nx + Ny; e el ngulo entre las lneas de la

malla y las curvas de nivel; en tanto que D es el desnivel constante entrecurvas de nivel, en m.

En aplicaciones prcticas se recomienda que = 1.57 (valor promediosugerido por Horton).

c) Elevacin media de la cuencaEste parmetro fisiogrfico mide la variacin en elevacin de una cuenca.Aplicando el mtodo de las intersecciones se obtiene la elevacin media deuna cuenca con el apoyo de la expresin:

N

)E(

E

n

1i

i

m

==

(2.6)


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37

donde Em es la elevacin media de la cuenca, en msnm; E i es la elevacin iasociada a la interseccin i, en msnm; y N es el nmero total deintersecciones.

2.7.Forma de la cuenca

La forma de la cuenca interviene de manera importante en las caractersticasde descarga de un ro, en especial en los eventos de avenidas mximas.

Para caracterizar este parmetro se utilizan el coeficiente de compacidad(Kc), la relacin de circularidad (Rci) y la relacin de elongacin (Re) que sondefinidos a continuacin.

Coeficiente de compacidad (Kc). Es la relacin entre el permetro de lacuenca y la circunferencia del crculo que tenga la misma superficie de lacuenca. Su magnitud se obtiene con la expresin:

A

P282.0Kc =

(2.7)

donde Kc es el coeficiente de compacidad, adimensional; P es el permetro dela cuenca, en m; y A es la superficie de la cuenca, en m 2.

De acuerdo con aplicaciones realizadas en un gran nmero de cuencas, si:

128.1Kc = , se trata de una cuenca cuadrada,

0.3Kc = , las cuencas son muy alargadas,

481.1Kc = , la cuenca tiende a un cuadrado (largo y ancho son valores

cercanos)

Relacin de circularidad (Rci). Es el cociente entre el rea de la cuenca y

la del crculo cuya circunferencia es equivalente al permetro de la cuenca yla expresin mediante la cual se calcula es:

2ci P

A4R

=

(2.8)


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38

donde Rci es la relacin de circularidad, adimensional; P es el permetro de lacuenca, en m; y A es la superficie de la cuenca, en m2.

De acuerdo con anlisis realizados (Summerfield, 1991) en diversas cuencashan determinado que si:

0.1Rci = , la cuenca es circular

785.0Rci = , la cuenca es cuadrada

Relacin de elongacin (Re). Es la relacin entre el dimetro (D) de uncrculo que tenga la misma superficie de la cuenca y la longitud mxima (Lm)de la cuenca. La variable Lm se define como la ms grande dimensin de lacuenca a lo largo de una lnea recta trazada desde la desembocadura delcauce principal, hasta el lmite extremo del parteaguas y de manera paralela

al ro principal.

Para estimar su magnitud se aplica la expresin:

mme

L

A128.1

L

DR ==

(2.9)

donde Re es la relacin de elongacin, adimensional; D es el dimetro de uncrculo que tenga la misma superficie de la cuenca, en m; y Lm es la longitudmxima de la cuenca, en m.

A partir de estudios realizados (Summerfield, 1991) en un gran nmero decuencas si:

0.1Re , la cuenca es plana

8.0R6.0 e , la cuenca es de relieve pronunciado


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39

2.8.Perfil y pendiente del cauce

a) Perfil del cauceEs la representacin grafica en un plano vertical de la curva de elevaciones alo largo del desarrollo del cauce principal de una cuenca hidrolgica, tal comose puede observar en la figura 2.7.

b) Pendiente media del cauceLa pendiente de un tramo de ro es la relacin que existe entre los extremosinicial y final y la distancia horizontal de dicho tramo.

Ahora bien, la pendiente de la corriente principal, representa un valor medio,ya que cada tramo de ro tiene una pendiente propia.

En consecuencia, la pendiente media del cauce principal se aproximar masal real, mientras mayor sea el nmero de tramos seleccionados a lo largo delcauce.

De acuerdo con el criterio de Taylor y Schwarz, se considera que el ro puedeestar formado por una serie de tramos de igual longitud o bien por tramos delongitud variable.

La pendiente media para tramos de igual longitud se determina con laexpresin:

2

n21 S

1.....

S

1

S

1

nS

++

=

(2.10)

donde S es la pendiente media del cauce; n es el nmero de tramos de iguallongitud; y Sn es la pendiente del tramo n.

La pendiente media para tramos de longitud variable se calcula con laecuacin:


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40

2

n

n

2

2

1

1

S

l.....

S

l

S

l

LS

++

=

(2.11)

donde S es la pendiente media del cauce; L es la longitud total del ro; ln esla longitud del tramo n; y Sn es la pendiente del tramo n.

Ejemplo 2.1. Calcular la pendiente del ro La H, Quertaro.

En la figura 2.7 se observa que el desnivel desde el inicio (2450 m) de lacorriente hasta la estacin de aforo (1940 m) del ro la H, y su longitud es de30 km.

1,900

2,000

2,100

2,200

2,300

2,400

2,500

0 5 10 15 20 25 30

Distancia, km

Elevaciones,msnm

Figura 2.7. Perfil del cauce del ro la H, Quertaro.


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41

Solucin:

a) Para un solo tramo, la pendiente se define como el desnivel, en metros,entre los extremos inicial y final dividida por la longitud horizontal, enmetros, de dicho tramo, es decir:

L

HS =

donde H es el desnivel entre los extremos del tramo de cauce, en m; L esla longitud horizontal del tramo del cauce, en m; y S es la pendiente deltramo del cauce.

0170.030000

510S == ; esto es

%7.1S =

b) Aplicando el mtodo de Taylor y Schwarz para el caso de tramos delongitud variable. La tabla 2.2 indica el proceso de clculo para cincotramos.

Tabla 2.2. Pendiente de los tramos de longitud variable

Tramo Desnivel, Longitud, Pendiente,en m en m Si

1 300 12,000 0.025 0.1581 75,894.66382 50 2,000 0.025 0.1581 12,649.11063 50 3,000 0.017 0.1291 23,237.90014 100 9,000 0.011 0.1054 85,381.49685 10 4,000 0.003 0.0500 80,000.0000

Total 510 30,000 277,163.1714

iS

i

i

S

l

Utilizando la ecuacin desarrollada por Taylor y Schwarz para determinarla pendiente del cauce de un ro, cuando est integrado por variostramos, se obtiene el resultado siguiente:


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42

2

n

n

2

2

1

1

S

l.....

S

l

S

l

LS

++

= =

2

1714.163,277

000,30

= 0.0117

0117.0S =

%17.1S =

Ejemplo 2.2. Calcular la curva hipsomtrica y la curva de frecuenciasaltimtricas de la cuenca hidrolgica del ro Cihuatln, Colima La tabla 2.3muestra los datos y clculos realizados para la cuenca del ro Cihuatln paradeterminar los dos tipos de curvas.

Tabla 2.3. Estimacin de las curvas hipsomtrica y de frecuencias altimtricas

(1) (2) (3) (4)Elevac in curvas rea entre las Porcentaje del Porcentaje del rea

de nivel, en m curvas, en m2 rea total, sobre lmite inferior,(%) (%)

200-300 500 2.4 100.0

300-400 1,700 8.3 97.6400-500 1,900 9.3 89.3500-600 2,400 11.7 80.0600-700 3,000 14.6 68.3700-800 2,970 14.5 53.7800-900 2,270 11.1 39.2

900-1,000 2,180 10.6 28.11,000-1,100 1,500 7.3 17.51,100-1,200 640 3.1 10.11,200-1,300 410 2.0 7.01,300-1,400 410 2.0 5.01,400-1,500 620 3.0 3.0

Total 20,500 100.0


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Solucin:

a) Con el apoyo de los datos de las columnas (1) y (4) de la tabla 2.3, seelabora la figura 2.8 la cual indica la curva hipsomtrica.

Figura 2.8. Curva hipsomtrica del ro Cihuatln, Colima

b)Asimismo, con el auxilio de las columnas (1) y (3) de la tabla 2.3, sedetermina la figura 2.9 indicando el comportamiento de la curva de

frecuencias altimtricas.

0

400

800

1,200

1,600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Porcentaje del rea sobre el lmite inferior

Elevaciones,msnm


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Figura 2.9. Curva de frecuencias altimtricas del ro Cihuatln, Colima

2.4

8.39.3

11.7

14.6 14.5

11.110.6

7.3

3.1

2.0 2.03.0

0

5

10

15

20

250 350 450 550 650 750 850 950 1,050 1,150 1,250 1,350 1,450Elevaciones, mnsm

%

readelacuenca


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Referencias

CNA, Comisin Nacional del Agua (1992). Ley de Aguas Nacionales. Diario

Oficial de la Federacin, Comisin Nacional del Agua; Mxico.

CNA, Comisin Nacional del Agua (1996). Programa Nacional Hidrulico1995-2000. Comisin Nacional del Agua; Mxico.

CNA, Comisin Nacional del Agua (2004). Estadsticas del Agua en Mxico2004. Un producto del Sistema Unificado de Informacin Bsica del Agua,Comisin Nacional del Agua; Mxico.

Remenieras, G. (1974). Tratado de hidrologa aplicada. Editores TcnicosAsociados, S.A.; Espaa.

SARH, Secretara de Agricultura y Recursos Hidrulicos (1981). Plan NacionalHidrulico 1981. Comisin del Plan Nacional Hidrulico; Mxico.

SRH, Secretara de Recursos Hidrulicos (1975). Plan Nacional Hidrulico1975. Comisin del Plan Nacional Hidrulico; Mxico.

Summerfield, M. A. (1991). Global Geomorphology. Editorial LongmanScientific and Technical; Inglaterra.


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3.Precipitacin

3.1.Fenmenos meteorolgicos

La atmsfera, segn la definicin que brinda la Enciclopedia Britannica(1992), es la cubierta gaseosa que rodea a la superficie de la Tierra y la deotros planetas del sistema solar.

La composicin qumica de la atmsfera terrestre cerca de la superficie,consiste de los gases siguientes: nitrgeno, en un 78% en medidavolumtrica; oxgeno molecular en un 21%; argn en un 0.9%; pequeascantidades de dixido de carbono, vapor de agua, metano, oxido nitroso,helio, nen, criptn, xenn, entre otros. Tambin se encuentran en

suspensin pequeas partculas slidas y lquidas.

Por su parte, la atmsfera o atmsfera (segn el Diccionario de la RealAcademia Espaola) terrestre se ha dividido en 5 regiones principalesconsiderando la variacin de la temperatura con la altitud.

La regin que va de la superficie hasta una altitud que oscila de 6 a 11 km sele denomina troposfera y su caracterstica principal es la disminucin de latemperatura con la altura. En la parte superior de esta regin la temperaturapermanece constante hasta una altitud de 26 km. A esta zona se le designa

con el nombre de tropopausa.Por encima de la tropopausa, la temperatura aumenta hasta llegar a unaaltitud aproximada de 48 km; a esta regin se le conoce como la estratosferay al igual que la regin anterior, en su porcin superior, la temperatura seconserva constante. La regin con esta caracterstica se le denominaestratopausa.

Una diferencia importante entre la troposfera y la estratosfera, es el sentidodel movimiento de las masas de aire: en la primera predominan losmovimientos verticales y en la segunda los horizontales.

Continuando con el anlisis del perfil de la atmsfera terrestre, se observauna abrupta disminucin de la temperatura, conforme aumenta la altitudms all de 50 km. A esta regin se le denomina la mesosfera y a la porcinsuperior donde la temperatura se mantiene constante se le designa con elnombre de mesopausa.


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Posteriormente, al sobrepasar los 90 km, la temperatura aumentanuevamente, preservando esta condicin hasta los 500 km. A esta regin sele denomina con el nombre de termosfera.

Finalmente, a la regin exterior se le conoce como exosfera; en esta regin

la densidad de la atmsfera es muy baja, de modo que la colisin entremolculas es un evento con una probabilidad muy baja, perdiendo as elsentido que comnmente se le asigna a la temperatura (Britannica, 1992).

Por su parte, se sabe que el 90% del peso de la atmsfera se concentra enlos primeros 16 km (McIlveen, 1992), y desde el punto de vista de lameteorologa e hidrologa, el inters se enfoca en la regin cercana a lasuperficie, es decir, a la troposfera.

En la figura 3.1 se muestra el perfil de temperatura de una atmsferarepresentativa de la Tierra (Byers, 1974).

0

20

40

60

80

100

-100 -80 -60 -40 -20 0 20

Temperatura, en C

Altitud,enkm

TROPOSFERA

TROPOPAUSA

ESTRAT OSFERA

ESTRATOP AUSA

MESOSFERA

MESOPAUSA

TERMOSFERA

Figura 3.1. Perfil de la atmsfera terrestre


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En la troposfera no slo existen movimientos verticales o convectivos de lasmasas de aire; tambin los hay horizontales o de adveccin. El movimientose puede deber a cambios espaciales y temporales de los elementosmeteorolgicos temperatura y presin atmosfrica en las proximidades de lasuperficie terrestre. La extensin que abarcan estos cambios, as como su

intensidad, da como resultado fenmenos con diferentes escalas, tal como acontinuacin se indica.

Sistemas meteorolgicos de pequea escala

Si la extensin de los cambios est comprendida entre algunas decenas demetros hasta alrededor de 100 km, se dice que el sistema es de pequeaescala. Uno de los fenmenos principales en esta escala es el de la formacinde nubes del tipo cmulus; dentro de stas, destaca la denominadacumulonimbus, que se asocia con las tormentas que ocurren comnmente encasi todo el territorio nacional, y que dependiendo de las condiciones fsicasen su formacin, se pueden presentar diferentes fenmenos meteorolgicostales como la lluvia, el granizo, la nieve, las trombas, los tornados, los rayosy los truenos.

El esquema evolutivo de un cumulonimbo se puede dividir en tres etapas:cmulo, madurez y disipacin. En la etapa cmulo, que es la primera, sedesarrolla una celda donde el aire se desplaza en forma vertical, debido a unintenso calentamiento de la superficie o a la presencia de una barreraorogrfica. La altura que puede alcanzar el aire desplazado es

aproximadamente 7 500 m, a velocidades de hasta 6 km/h (Viessman et al,1989). Al mismo tiempo se forman corrientes horizontales que son las queabastecen de aire hmedo el interior de la celda formada; asimismo, lastemperaturas en el interior son mayores que las del aire circundante.

En un intervalo de entre 10 y 15 minutos, el nmero y tamao de las gotasde agua aumenta, alcanzando una situacin en la que es posible el inicio dela precipitacin; sta es la etapa madura de la tormenta, y es cuando sedesarrollan fuertes corrientes verticales descendentes que favorecen elenfriamiento del aire, sobre todo en las partes bajas de la celda. Estacondicin de dos corrientes verticales en contrasentido dentro de la celda

dura entre 15 y 30 minutos.

La ltima etapa corresponde a la disipacin y su caracterstica principal es lapredominancia de la corriente vertical descendente, sobre la ascendente,hasta que ambas cesan por el aumento de la temperatura, con el eventualtrmino de la precipitacin.


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La lluvia, el granizo y la nieve se forman dentro de la misma tormenta. Elque las gotas de lluvia se desplacen hacia la superficie, tiene que ver con eltamao; en el caso del granizo, los cristales de hielo son arrastrados por lasfuertes corrientes verticales ascendentes, provocando con ello, un aumento

de tamao por la colisin con otros ncleos, hasta que el peso es tal que laatraccin gravitacional es mayor que el empuje por la influencia de lacorriente ascendente. En el caso de la nieve, los copos nacen cuando lasgotas de agua atraviesan una capa de aire fro que presenta unatemperatura por debajo de los 0 C y se encuentra cercana a la superficie delterreno (Llauge, 1976).

Los tornados son torbellinos largos y esbeltos (dimetro inferior de 1.5 kmcon una duracin de unos cuantos minutos y velocidades de vientos de entre500 y 600 km/h) unidos a una nube; en la parte central del torbellino sepresentan presiones bajas que hacen que el aire circule hacia adentro y enforma ascendente (Llauge, 1976).

Las trombas se forman de una manera similar a los tornados, pero con unaintensidad menor; sin embargo, la gran cantidad de agua precipitada en unapequea superficie es lo que hace tan temible a este fenmeno (Simons,1996).

Los rayos tambin tienen lugar en el proceso evolutivo de una nube. Sonimpronosticables y con periodos de vida de unos cuantos segundos. Lachispa elctrica que llega a la tierra es quien recibe el nombre de rayo;

mientras que cuando la descarga es entre nubes, se denomina relmpago. Alsonido que sigue despus de la descarga elctrica se le llama trueno (Llauge,1976).

Sistemas meteorolgicos de gran escala en latitudes medias

Las latitudes medias son aquellas que se encuentran acotadas por lostrpicos y los crculos polares rtico y antrtico. En estas zonas, lainteraccin entre masas de aire de diferentes condiciones da lugar afenmenos que abarcan extensas regiones de la superficie terrestre (de

algunos cientos de miles de kilmetros), denominados frentes.

Uno de los efectos de los sistemas meteorolgicos de gran escala es lacreacin de depresiones en reas localizadas que reciben el nombre deciclones extratropicales. Estos se deben bsicamente a las condicionescontrastantes de las masas, las cuales adquieren sus propiedades de la


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superficie sobre la cual se desplazan, siendo posible clasificarlas segnDingman (1994) tal como se muestra en la tabla 3.1.

Tabla 3.1. Caractersticas generales de las masas de aire

Masa de aire Caractersticas Regiones donde se originan

Invierno Verano

Polar cont inental Temperatura baja Ocano rtico, Canad, Norte de Canad, norte deHumedad baja norte de E.U.A., Eurasia Asia

Tropical cont inental Temperatura alta Mxico, suroeste de E.U.A., Norte de Mxico, sur

Humedad baja norte de frica, Arabia y suroeste de E.U.A.,norte de la India Mediterrneo, norte defrica, Arabia, Asia Central

Polar martima Temperatura baja Noroeste del Ocano Norte del Ocano Atlntico,Humedad alta Atlntico, noroeste del Ocano rtico, norte del

Ocano Pac fico Ocano Pac fico

Tropical martima Temperatura alta Parte Central del Atlntico y Parte Central del Atlntico yHumedad alta Pacfico, Mar rabe, Baha Pacfico

de Bengala

La clasificacin corresponde al hemisferio norte

Los centros de las masas de aire son reas de alta presin o anticiclnicas,con una circulacin en el sentido de las manecillas del reloj, en el hemisferionorte. En el hemisferio sur la circulacin es opuesta a las manecillas del reloj.Por otro lado, los ciclones presentan una circulacin en el sentido opuesto alas manecillas del reloj en el hemisferio norte y en sentido horario en el sur.

La formacin de frentes lleva consigo la generacin de nubosidad, la cual esresponsable de la mayor parte de la precipitacin que tiene lugar en las

latitudes medias y altas. En la figura 3.2 se muestra un esquema de laevolucin de un cicln segn Byers (1974).


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simultneas altas presiones en su parte occidental. Algunos investigadoresasocian las sequas severas y los aos extremadamente lluviosos con estosfenmenos.

3.2.Elementos climatolgicos

Para caracterizar a la atmsfera, sobre todo en la parte cercana a lasuperficie del terreno, se utilizan elementos tales cmo la temperatura delaire, el contenido de humedad, el viento, la presin, la precipitacin, lanubosidad, la insolacin, la radiacin y la evaporacin, por mencionar sloalgunos de los ms utilizados por ingenieros y cientficos. Los elementosatmosfricos pueden ser analizados en su variacin diaria, que es la materiasobre la cual versa la meteorologa, o como valores representativos de unaregin particular asociados a periodos de tiempo que abarquen de 20 aos o

ms, que es la materia de la cual se encarga la climatologa.

Temperatura. Como se sabe, la temperatura es una medida del movimientode traslacin medio de las molculas de un sistema, que en nuestro caso setrata del aire. Para evitar perturbaciones por la incidencia directa de losrayos solares sobre los termmetros, se colocan dentro de un abrigometeorolgico, que permite el paso del aire a travs de unas rendijas queforman parte de las paredes. Los valores mximos suelen ocurrir despus delmedioda y los mnimos en la madrugada.

Para ilustrar la distribucin espacial de la temperatura, la figura 3.3 muestrala distribucin de la temperatura del aire en Mxico (Tamayo, 1999),mientras que la figura 3.4 presenta las unidades orognicas y geomrficasdel pas, las cuales tienen una influencia directa sobre la distribucin de loselementos meteorolgicos.


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Figura 3.3. Isotermas medias anuales, en C


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Unidad orognica Regin geomrfica

1 Sierra Madre Occ idental I Planicie Costera Nororiental2 Sierra Madre Oriental II Planic ie Costera de Sotavento

3 Cordillera Neovolcnica III Planic ie Costera del Sureste4 Sierra Madre del Sur IV Altiplanic ie Mexic ana5 Sierra Madre de Oaxaca V Valle Central de Chiapas6 Sierra Atravesada VI Planic ie Costera Noroc cidental7 Sierra Madre de Chiapas VII Planicie Costera Sudoccidental8 Meseta Central de Chiapas VIII Planicie Costera stmica-Chiapaneca9 Plataforma Yucateca IX Vert iente Oriental Californiana10 Sistema Californiano X Vert iente Occ idental Californiana

Figura 3.4. Unidades orognicas y geomrficas de Mxico

Humedad relativa. El contenido de humedad en la atmsfera secaracteriza a travs del parmetro humedad relativa, el cual se define comola relacin de la densidad del vapor de agua en un volumen de aire divididopor la densidad de vapor de agua en condiciones de saturacin (Byers,1974).


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Generalmente se expresa en porcentaje y si la atmsfera presenta un altocontenido de humedad, la humedad relativa se aproximar al valor de 100%.Este elemento climatolgico tambin muestra un comportamiento temporalcomo la temperatura. En la figura 3.5 se puede observar la variacingeogrfica de la humedad relativa en el territorio nacional.

Figura 3.5. Humedad relativa media anual, en %

Viento. Se genera cuando existen diferencias de temperatura en puntosgeogrficos cercanos o por cambios en la presin atmosfrica. As, sepresentan variaciones fuertes en intervalos de tiempo cortos en un lugarparticular. Las montaas se enfran ms rpidamente que las partes bajasque las rodean, de modo que en la noche los vientos mostrarn una direccindescendente; en la maana, la situacin cambiar, de modo que al recibirprimero los rayos solares las partes altas, se provocarn vientos condireccin ascendente.

En zonas cercanas a los mares ocurre que, durante el da, el viento se muevedel continente al cuerpo de agua, y conforme avanza la noche, la direccin


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se invierte. Caso especial son los vientos asociados a los fenmenos descritosen la seccin 3.1.

Presin baromtrica o atmosfrica. Es uno de los elementos msimportantes de la meteorologa y en el pronstico del tiempo atmosfrico se

utilizan cartas donde se configuran los isovalores de presin, definiendo aslos lugares donde se forman las zonas de cicln y anticicln, as como losfrentes.

En la actualidad, las imgenes de satlite son un apoyo fundamental en elpronstico del tiempo y la figura 3.6 muestra la variacin geogrfica de lapresin media anual.

Figura 3.6. Isobaras medias anuales, en mm de mercurio y milibares (mb).

Precipitacin. En la mayor parte del territorio nacional la precipitacincorresponde a la pluvial; sin embargo, en el altiplano las heladas, y en el


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norte la cada de nieve (caso especial son las montaas ms altas, quepermanentemente estn cubiertas de nieve), son formas de precipitacinrelevantes desde el punto de vista regional.La figura 3.7 muestra la distribucin geogrfica de la precipitacin pluvial ypara tal efecto se dibujan en un plano de la Repblica Mexicana las isoyetas

(lneas de igual valor de precipitacin).

En general, los factores geogrficos y geofsicos determinan las condicionesdel clima y de la lluvia en las diversas regiones geogrficas que conforman laRepblica Mexicana, sobresaliendo las zonas de tipo desrtico las cuales sonde gran magnitud en nuestro pas.

Al respecto, puede decirse que en el mbito mundial existen dos franjasdesrticas simtricas con respecto al Ecuador terrestre, una en el hemisferionorte entre los paralelos 9 30 y 37 30 de latitud norte y la otra en elhemisferio sur entre los paralelos 9 30 y 37 30 de latitud sur. En estasregiones se localizan la mayor parte de los desiertos del mundo.

Figura 3.7. Isoyetas medias anuales, en mm


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Ahora bien, al quedar Mxico comprendido entre los paralelos 14 31 y 3243 de latitud norte, toda su extensin se ubica dentro de una de las franjasde desiertos; se salva de esta fatalidad geogrfica gracias a otros factoresque propician la ocurrencia de la precipitacin pluvial.

Asimismo, es importante recalcar que la distribucin de la lluvia en elterritorio mexicano depende de su valor medio anual; as como de sudistribucin a lo largo del ao. La distribucin mencionada se mide a travsdel nmero promedio de das con lluvias por ao y en la figura 3.8 seobservan las isolneas del promedio de nmero de das con lluvias por ao,las cuales de definen al unir los puntos con igual valor medio del nmero dedas con lluvias.

Analizando la figura 3.8 se puede afirmar que los das con precipitacin sonmayores en la costra del Golfo de Mxico, Sierra Madre Oriental, SierraMadre de Oaxaca, Meseta Central de Chiapas y en la vertiente oriental de la

Cordillera Neovolcnica. En cambio en la costa del Pacfico son pocos los dascon precipitacin y lo mismo ocurre con la Sierra Madre Occidental.

Figura 3.8. Promedio de nmero de das con lluvias por ao


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Heladas. Se denomina helada al proceso de enfriamiento intenso que llega aproducirse a causa de la prdida nocturna del calor de irradiacin terrestre,situacin que se presenta generalmente coincidiendo con la salida del Sol opocos minutos despus de ella. Tiene mucha importancia sobre lavegetacin, especialmente sobre los cultivos, porque ese descenso de la

temperatura a veces es tan fuerte que provoca la congelacin de la savia delas plantas o de parte de ellas que no tienen eficaz defensa, causndolesgrandes daos e, incluso, la muerte.

Al examinar la figura 3.9, la cual presenta el promedio de das con heladasen el ao, se puede observar que, generalmente, en la zona baja de altitudno mayor a 1000 metros sobre el nivel del mar (msnm) y situada dentro dela zona tropical no se registra este fenmeno.

Asimismo, a medida que se incrementa la altitud se presentan heladas conun nmero variable, tal como se puede observar en la figura 3.9.

Evaporacin. Este fenmeno aparece como consecuencia del calentamientoque los rayos solares producen sobre la superficie lquida de mares, lagos yros, as como en los suelos hmedos, convirtiendo el agua en vapor,mientras la atmsfera no est saturada de vapor a la temperatura ambiente.


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Figura 3.9. Promedio de das con heladas en el ao

En este fenmeno el agua toma calor de su alrededor, por lo que la

evaporacin siempre va acompaada de enfriamiento de la superficie lquidao del suelo. A pesar de que la evaporacin esta ligada a factores locales, novara fuertemente y en nuestro pas se puede evaporar una lmina de aguaque oscila de 2000 a 2500 mm anuales.

Es conveniente subrayar que los volmenes evaporados son funcin de lassuperficies de agua capaces de producir vapor, de manera que en las zonasridas o semiridas carentes de depsitos o de suelos hmedos laevaporacin no se realiza.

Nubosidad. Es un elemento importante que tiene influencia en laevaporacin y la evapotranspiracin en nuestro pas. Las nubosidadespueden tener dos fuentes de origen: la primera es el resultado de la invasinde masas de aire fras y secas del norte, la cual tiene poca importancia yninguna relacin con las lluvias; y la segunda es la que se produce por elfenmeno de las masas de aire caliente y humedad que provienen de losocanos vecinos, tiene gran importancia y est ntimamente relacionada con


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las lluvias. La distribucin del nmero de das nublados en el pas se muestraen la figura 3.10.

Figura 3.10. Nmero promedio de das nublados por ao

3.3.Estacin climatolgica

Los elementos meteorolgicos se miden comnmente en puntos cercanos ala superficie del terreno; slo en lugares especficos se lleva a cabo lamedicin a diferentes alturas. Existen normas para llevar a cabo lasmediciones de cada uno de los elementos, las cuales son expedidas por la

Organizacin Mundial de Meteorologa (WMO por sus siglas en ingls).

La temperatura diaria se mide con termmetros de mercurio y de acuerdocon las normas de la WMO se determinan las temperaturas ambiente (8:00de la maana), mxima y mnima o bien con termgrafos, para obtenerregistros continuos a lo largo del da.


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La humedad relativa se mide por medio de higrmetros; los hay deabsorcin, de cabello y electrnicos. Tambin se puede medir a travs de unpsicrmetro, el cual est compuesto de dos termmetros: uno de bulbo secoy otro de bulbo hmedo.

El viento se mide utilizando dos parmetros: la direccin y su intensidad. Elprimero se determina con la veleta; el segundo con el uso de unanemmetro.

El instrumento ms comn para medir la presin atmosfrica es el barmetroaneroide, en tanto que la obtencin de un registro continuo se realiza pormedio de un bargrafo.

La precipitacin pluvial se puede medir en forma discreta o continua. En elcaso discreto, se hace uso del pluvimetro; en el caso del registro continuose utiliza el pluvigrafo.

La radiacin solar que incide en la superficie del terreno se mide con unsolarmetro. El tiempo de incidencia de los rayos solares se mide a travs dela esfera de Campbell-Stokes.

La evaporacin se puede medir con tanques de fibra de vidrio o de lminagalvanizada, utilizando un vernier para medir la lmina evaporada. Elregistro continuo de evaporacin se hace a travs de evaporgrafos.

En la actualidad existen estaciones automatizadas que poseen sensores

electrnicos para medir los diferentes elementos meteorolgicos de formacontinua.

Ahora bien, con el desarrollo tecnolgico de los aparatos de medicin lasestaciones climatolgicas se han automatizado para llevar a cabo la medicinde los principales componentes del ciclo hidrolgico y la figura 3.11 muestrauna estacin climatolgica automtica.


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Figura 3.11. Estacin climatolgica automtica

3.4.Tipos de precipitacin

La precipitacin puede ocurrir desde las nubes localizadas a cierta altitud opor condensacin del vapor de agua sobre la superficie del terreno. Para queen una nube se formen las gotas que eventual

principios y fundamentos de hidrologia superficial.pdf

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