Precipitación

Introducción Cuando existen inundaciones de obras civiles en

ciertas regiones del país, o el colapso de los drenajes pluviales de alguna estructura, o el colapso total de una obra civil debido a los aguaceros son porque, probablemente, no se hizo un estudio a fondo del comportamiento de la cuenca, es decir, la cantidad de lluvia que cae durante el año.

Atmósfera El aire natural está compuesto de:

Aire seco

Nitrógeno y oxigeno: constituyen un 99% de su volumen.

Argón, desóxido de carbono y gases nombre (neón, helio, criptón, xenón, ozono, radio y otros) el 1%.

Vapor de agua: producto de la evaporación de océanos, ríos, lagos y cualquier cuerpo de agua en contacto con el aire.

Partículas solidas en suspensión: también conocidos como aerosoles y son las responsables de la formación de nubes y condensación del vapor de agua.

Circulación General de la Atmósfera de Vientos Es la distribución general media de los vientos en el globo terráqueo. Es un

factor determinante para la formación de precipitación y de las diversas características climáticas. Se puede interpretar desde dos conceptos: Tierra sin movimiento o circulación atmosférica pura:

No se considera la rotación terrestre No se considera la distribución de mares y continentes. El aire ecuatorial, que recibe más energía solar, es calentado y, por ende, se eleva; éste es

remplazado por aire frio proveniente del norte y sur (es decir, de los polos) y crea una circulación de aire constante.

Tierra en movimiento: Las masas de aire son puestas en movimiento por los notables gradientes de presión

que resultan de los cambios bruscos de temperatura meridional y por el momento angular impartido por la rotación de la Tierra1. Existen básicamente dos movimientos de aire producidos por este causa:

Vientos en superficie: o movimiento en sentido horizontal. Siempre divergen en los centros de alta presión y convergen en los centros de baja presión.

Movimientos verticales: son ascendentes en zonas de baja presión y descendentes en zonas de alta presión.

Circulación de Vientos

Fajas de Circulación de Viento

A. Ecuatorial de Bajas Presiones: Al norte del ecuador geográfico Vientos débiles y variables Convergen los vientos alisios en superficie En altitud existen vientos del este Zona intertropical

B. Subtropical de Altas Presiones: Cercanos a los 30º de latitud. Vientos con movimientos verticales descendentes Se encuentran los mayores desiertos de la Tierra Las altas presiones son rotas sobre los continentes debido a la diferencia de

calentamiento entre éstos y los mares creando bajas térmicas. Modificación de condiciones de tiempo debido a la invasión de aire polar o

tropical.

Fajas de Circulación de Viento

C. Polar de Bajas Presiones: Fuertes vientos del oeste en altitud debido a la influencia de las altas

presiones de la franja subtropical y las bajas presiones de la franja polar. Se encuentra a 60º de latitud. Clima variable (4 estaciones muy pronunciadas) Intensos movimientos verticales ascendentes creando grandes

tempestades.

D. Cascos Polares de Altas Presiones:

Climas sumamente secos y con muy poca precipitación Movimientos Verticales de viento descendentes Temperaturas extremadamente bajas Nacimiento del aire polar que se dirige al ecuador Vientos débiles del este en altitudes.

Presión Atmosférica Es la fuerza ejercida por el peso de la capa de aire o

atmósfera que rodea la Tierra. La columna de aire oprime todos los objetos de la Tierra, pesa sobre todos las cosas que están dentro de ella y sobre el suelo. La presión disminuye según aumenta la elevación sobre el nivel del mar, Su valor normal al nivel del mar es de 760 mmHg.

Presión de Vapor Depende del número de moléculas presentes en un

determinado volumen y, por lo tanto, de la masa del vapor de agua por unidad de volumen y varía con la temperatura. Se mide en mmHg o en milibares (mb). 1mb = 0.75 mmHg. El valor más alto de la presión (tensión) de vapor de agua se observa en las regiones tropicales cerca de la superficie del mar y es de aproximadamente 30 mb. Los aparatos que se usan para medirla son el espectrógrafo de masas y los radioisótopos (porque dan mediciones muy precisas).

Temperatura de Punto de Rocío Temperatura en la cual un espacio se satura al enfriar

el aire a presión constante y con un contenido de vapor de agua constante.

Presión de Vapor de Saturación Presión de vapor que existe en una masa de aire

cuando está saturada.

Humedad Atmosférica Es toda el agua que se encuentra en la atmosfera sea

gaseoso, líquido o sólido.

Humedad Relativa Contenido de humedad en la masa de aire o relación

entre la presión de vapor real y la de saturación.

Humedad Absoluta Es la masa de vapor de agua o humedad contenida en

el aire en una unidad volumétrica de aire:

Humedad Específica Es la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de

aire húmedo.

Cantidad de Agua en la Atmósfera Para que se formen las

nubes, el agua superficial debe de evaporarse y llegar a tal altura que la presión y la temperatura serán los indicados para que se produzca la condensación o, al menos, al punto de rocío.

Temperatura de Punto de Condensación

Temperatura que adquiere el aire húmedo cuando se satura en un proceso termodinámico en el cual no existe intercambio de calor entre el sistema que trabaja y su medio ambiente.

Precipitación, Formación y Tipos Definición Formación

Es el agua que cae del cielo a la superficie del suelo en cualquier forma, lluvia, nieve, granizo, etc.

Otra buena definición es la siguiente: “todas las formas de humedad emanada de la atmosfera y depositada en la superficie terrestre, tales como lluvia, granizo, rocío, neblina, nieve o helada”

Para que se produzca la precipitación, se requiere la elevación de una masa de agua a la atmosfera, de modo que se enfríe y parte de su humedad se condense.

Tipo de Precipitación Precipitación Convectiva

Muy común en los trópicos. Son lluvias que se caracterizan por ser muy intensas y de corta duración y se concentran en pequeñas regiones o áreas. Se producen debido al calentamiento de una masa de aire cercana a la superficie y que sube debido a su disminución de densidad. Al ascender, masas de aire más frio y denso tratan de reemplazar al más cálido. Esta interrupción generalmente crea un descenso brusco de la temperatura de las masas de aire, creando condensación y una precipitación intensa

Tipo de Precipitación Precipitación Orográfica

Suceden en las montañas; se debe al choque de masas de aire húmedo ascendente con una barrera natural lo cual produce precipitación

Tipo de Precipitación Convergencia

Se produce cuando dos masas de aire de aproximadamente la misma temperatura se dirigen en dirección contraria una a la otra y chocan haciendo que ambas se eleven.

Tipos de Precipitación Ciclónes

Muy comunes en Guatemala, sobre todo desde el mes de junio hasta noviembre. Es una masa de aire de baja presión que gira en forma circular alrededor de un eje (ojo de ciclón) en dirección contraria a las agujas del reloj5. Esto crea el efecto de succión en el “ojo del ciclón” del aire superficial llevándolo hacia arriba del sistema condensando la humedad del aire que ascendió. Este efecto es el que crea los huracanes y tormentas tropicales en los trópicos.

Medidas Pluviométricas

Es la forma en que se mide la cantidad de lluvia Δh, la altura caída y acumulada en una superficie plana e impermeable. Se utilizan básicamente dos aparatos: el pluviómetro y el pluviógrafo.

Medidas Pluviométricas Altura Pluviométrica Intensidad de Precipitación

Dada en mm y se puede calcular diaria, mensual, anual y cualquier otro periodo de tiempo.

Cantidad de lluvia que cae en determinado periodo de tiempo. Se expresa en mm/hora generalmente.

Medidas Pluviométricas Duración

Registro Pluviográfico en Carta de duración diaria (24 horas)

Periodo de tiempo desde que inicia hasta que finaliza la precipitación. Para fines prácticos se mide en horas.

Medidas P luviométricas Estimación de datos Faltantes Cuando no hay personal

suficientemente capacitado, poca entrega a su trabajo o mal manejo de los aparatos pluviométricos, existe la posibilidad de que algunos datos hayan desaparecido, nunca fueron registrados o fueron mal recopilados o medidos.

Debido a que la hidrología se basa en cálculos de series continuas es necesario tener absolutamente todos los datos para extraer la información necesaria y útil para la ingeniería civil. Es por ello que existen ciertas formas para determinar esos datos faltantes sobre todo si existen estaciones pluviométricas cercanas que puedan proporcionar datos estimados y proyectados hacia el punto a corregir.

Medidas Pluviométricas Estimación de Datos Faltantes

Descripción

Uno de estos métodos es el de Relación Normal y su fórmula es:

Variación de la Precipitación Variación Geográfica

Son producto del entorno físico y geográfico. Influye la latitud de la región (entre mas cerca del ecuador es mayor), los factores locales y orográficos.

Variación Temporal

Esta influenciado por los factores climatológicos del año. Aunque cada año presentan variaciones debido al efecto invernadero, al calentamiento de los polos y enfriamiento de los oceanos.

Precipitación Media de Una Cuenca Por más cercano que esté un lugar a otro, la lluvia difiere en

intensidad, duración y frecuencia. Es por eso que existen formas matemáticas para determinar la cantidad de lluvia que cae en una cuenca hidrográfica en determinado periodo de tiempo o en cierta época del año.

Esto es sumamente útil en el campo de la ingeniería civil ya que nos indica a qué condiciones meteorológicas se encontrarán las obras de ciertas áreas. El diseño de cualquier obra civil debe ser adaptable a su entorno y que resista dichas condiciones; igualmente, es necesario para la planificación y ejecución de la obra pues nos proyecta los posibles inconvenientes meteorológicos que se pueden presentar durante la ejecución del proyecto. Los métodos para determinar la precipitación media sobre una cuenca son varios, algunos muy precisos, otros solo aproximaciones.

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca Como se mencionó anteriormente, los métodos son

varios pero los más utilizados por los ingenieros civiles son los siguientes:

Método Aritmético

Método de Polígonos de Thiessen

Método de Isoyetas

Método de la Red de Puntos

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca Método Aritmético Como se Aplica:

Es muy útil cuando se trata de áreas planas, los pluviómetros están distribuidos de manera uniforme en dicha área y no existe demasiada variación de captación de lluvia en cada uno de los mismos.

Este método es bastante sencillo y consta básicamente de obtener los datos de cada uno de los pluviómetros, es decir, la cantidad de agua captada por los mismos, sumarlos y luego dividirlos entre la cantidad de estaciones de captación.

Método Aritmético

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca Polígonos de Thiessen Pasos a Seguir

Cuando no hay una distribución uniforme de los aparatos pluviométricos, y los accidentes geográficos no son relevantes para el estudio, el método de los polígonos de Thiessen puede ser muy útil.

Básicamente, este método consiste en atribuir factores de importancia a los totales de precipitación de cada aparato proporcionales al área de influencia de cada uno de ellos.

a) Se traza la zona a estudiar ubicando cada una de las estaciones que se encuentran en dicha zona y las circunvecinas.

b) Se trazan líneas rectas de estación a estación formando triángulos.

c) Trazar las mediatrices sobre estas rectas formando polígonos alrededor de cada una de las estaciones. Los lados de los polígonos son el límite de esas zonas de influencia de cada estación. Se mide el área de cada uno de los polígonos y se expresa como un porcentaje de área sobre el área total que se está analizando. Esto da como resultado un factor de importancia o de peso para cada una de las áreas.

d) Finalmente se traduce en una fórmula todos los datos que se han calculado en los polígonos. La formula es la siguiente:

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca Polígonos de Thiessen Ejemplo:

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca Método de Isoyetas

Es el más exacto de todos los métodos y el más gráfico ya que es muy parecido al trazo de las curvas de nivel de un terreno solamente que, en este caso, en vez de representar cotas de terreno, representa alturas de agua precipitada (mm). La forma en que estas se obtienen es por medio de la medición de precipitación de los aparatos pluviométricos interpolando los datos entre las estaciones (similar a la topografía).

En este método se debe de considerar los efectos orográficos de la cuenca para obtener los datos más reales posibles.

Para la obtención de la precipitación media con este método es necesario recurrir a la planimetría y así trazar las curvas isoyetas. Luego, se calcula el área de la zona que encierra dos curvas isoyetas contiguas y, multiplicando por el valor de la isoyeta intermedia, se obtiene la cantidad de precipitación de la región que se está analizando.

Método de Isoyetas

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca

Método de Red de Puntos

Es un método muy parecido al de los Polígonos de Thiessen pero, en vez de utilizar polígonos, se utilizan puntos con ejes de coordenadas cartesianas (x, y). En cada uno de los puntos sobre la cuenca se determinará la precipitación en cada uno de ellos. Luego se determina un peso o importancia de área y se aproxima a la unidad.

Se realiza el procedimiento con cada punto. Entre más afinada es la red de puntos, es más exacto el cálculo. Sin embargo, este procedimiento puede volverse sumamente largo. Después, se suman todos los factores con más relevancia de cada punto y se obtiene el peso o importancia de cada estación. Finalmente se calcula la precipitación media suponiendo que la cuadricula son polígonos y se procede a utilizar el método de Thiessen o de isoyetas.

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca

Hietograma Ejemplo

Son las curvas que muestran la cantidad de lluvia acumulada o que ha caído a través de un tiempo determinado desde que inicio el aguacero. En el eje de las ordenadas se representa la precipitación en mm y en el eje de las abscisas, el tiempo. Estos datos son proporcionados por los pluviógrafos y representados en gráficas

Métodos para determinar la precipitación media de una cuenca

Hietograma

Hietograma Cambio de Tiempo = 4 horas

Hietograma Cambio de Tiempo = 6 horas

Hietograma Cambio de Tiempo = 12 horas

Análisis Sobre Lluvias Intensas Para la información obtenida acerca de la intensidad

de las lluvias es necesario recurrir a 4 conceptos fundamentales:

Intensidad

Duración

Frecuencia

Distribución

Estas características están interrelacionadas y es posible conocer a cada una de ellas.

Análisis Sobre Lluvias Intensas Variación: Intensidad-Duración Ejemplo

De esta relación se obtienen una serie de gráficas que varían acorde a la duración que se desea analizar. Generalmente, las duraciones más comúnmente analizadas son 5, 10, 15, 30, 45 minutos o 1, 2, 3, 6, 12 y 24 horas. La información que se obtiene de esas gráficas es las diversas duraciones y las máximas intensidades ocurridas durante el periodo que se ha designado.

Series Anuales y Series Parciales Esta forma de obtener los datos de

intensidad y frecuencia de eventos máximos es por el uso de series de estadística que dependen del periodo que se desea analizar. Se le conoce como Periodo de Retorno, es decir, la probabilidad de que vuelva a suceder ese evento de máxima intensidad.

Por ello, si se desea obtener la probabilidad de un evento de precipitación máximo en un periodo mayor a 5 años (T ≥ 5 años) se utiliza las series anuales donde se toma en cuenta el mayor evento de cada año.

Por otro lado, si se desea conocer el periodo de retorno de eventos de menor intensidad y más frecuentes se recomienda el uso de las series parciales ya que son más CAPITULO 3: Precipitación Página 129

manejables para periodos menores a 5 años. En caso de esta última, no solo se utiliza el máximo de cada periodo de tiempo sino también se incluye los valores mayores y menores de algún valor base seleccionado. Para un mejor cálculo, es mejor escoger un valor que no se repita más de 2 o 3 veces en cada año.

Análisis Sobre Lluvias Intensas Variación: Intensidad-Duración

Relación IDF:

Intensidad-Duración-Frecuencia Estudiar las precipitaciones y conocer

su distribución temporal es motivo de interés para diversos fines, por ejemplo para generación de energía o para abastecimiento doméstico. Estos estudios pueden proporcionar índices para realizar estudios de crecidas o permitir la alimentación de modelos precipitación-escorrentía que permitan mejorar la información disponible, para un adecuado diseño y dimensionamiento de las obras civiles. Para esto, es necesario conocer las intensidades de precipitación, para distintos períodos de retorno.

La precipitación, como variable de estado hidrológica, se puede caracterizar a través de la intensidad, su duración y su frecuencia o probabilidad de ocurrencia. Para poder caracterizarla es necesario un gran número de observaciones, extraídas de series pluviográficas, con el objeto de deducir el patrón de comportamiento en una zona determinada y permitir un análisis o uso posterior.

La determinación numérica de la Intensidad se realiza utilizando curvas regionales de Intensidad-Duración-Frecuencia, o curvas IDF. Para este efecto se fijan la Frecuencia según el nivel de probabilidad de falla admitido, y la Duración del evento, y se aplica la curva IDF.

Análisis Sobre Lluvias Intensas

Cuando la cuenca está bien instrumentada las curvas IDF se obtienen de análisis de frecuencias de lluvias máximas registradas, pero en cuencas con información escasa es necesario aplicar métodos empíricos con base en registros de lluvias máximas diarias, que se obtienen de estudios regionales o mediante transposición de lluvias de cuencas de características similares.

En general, existen algunas ecuaciones que facilitan la obtención de este tipo de datos. Algunas de ellas son:

Análisis Sobre Lluvias Intensas Relación IDF:

Intensidad-Duración-Frecuencia

Relación IDF