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UNIVERSIDAD PRIVADA DEL

NORTE

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE

INGENIERÍA CIVIL

DOCENTE : Ing. Wilder Chuquiruna Chávez

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HISTORIA

• Fijar la fecha exacta del nacimiento de la hidrología

es difícil, porque su origen puede encontrarse envarias esferas conexas: la geografía física, lameteorología, la geología, la hidráulica, etc

• Los inicios de la hidrología se vinculan a lasprimeras obras de ingeniería de la antigüedad queservían para abastecer de agua a las ciudades opara regar campos de cultivos. Marcos Vitruvio Pollio

(100 A.C., aprox.) parece haber sido el primero enreconocer el papel jugado por la precipitación talcomo lo aceptamos en la actualidad. Leonardo daVinci (1452-1519) fue el segundo en sugerir unaconcepción moderna del ciclo hidrológico.

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DEFINICION DE LA HIDROLOGIA

• Existen muchas definiciones de hidrología, serecurre a la que es considerada la máscompleta, propuesta por U.S. Federal Council

for Science and Technology (1962). “Hidrologíaes la ciencia natural que estudia el agua, suocurrencia, circulación y distribución en lasuperficie terrestre, sus propiedades químicas

y físicas y su relación con el medio ambiente,incluyendo a los seres vivos”.

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INGENIERÍA HIDROLÓGICA O HIDROLOGÍA APLICADA

• Generalmente los proyectos hidráulicos son dedos tipos: los proyectos que se refieren al usode agua y los que se refieren a la defensacontra los daños que ocasiona el agua.

• La hidrología aplicada moderna exigeconocimientos avanzados de matemáticas,tales como la estadística, planteamientos yresoluciones analíticas del comportamiento del

ciclo hidrológico que es muy complejo.

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Los proyectos de ingeniería civil típicos para laprotección contra los daños que ocasiona el agua son:• Drenaje urbano (drenajes fluviales, evacuación de

desechos)• Drenaje vial (dimensionamiento de puentes,

alcantarillas en carreteras)• Drenaje agrícola (drenaje superficial, para la

eliminación de aguas superficiales, innecesarias y

perjudiciales a la agricultura y a los asentamientoshumanos; drenaje subsuperficial, para la eliminaciónde aguas perjudiciales para la agricultura y para lasinstalaciones técnicas)

• Encauzamientos de ríos

• Defensa contra inundaciones• Determinación de llanuras de inundación• Control de la erosión en cuencas• Dimensionamiento y operación de embalses

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EL CICLO HIDROLOGICO

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• Se puede suponer que el ciclo hidrológico seinicia con la evaporación del agua en losocéanos, el vapor de agua es transportado por 

el viento hacia los continentes. Bajocondiciones meteorológicas adecuadas, elvapor de agua se condensa para formar  nubes, las cuales dan origen a las

precipitaciones.

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REPRESENTACIÓN

Ciclo Hidrológico como Sistema

Subsistema de agua atmosférica

(A), que contiene los procesosde precipitación, evaporación,

intercepción y transpiración.

Subsistema de agua superficial

(B), que contiene los procesos

de flujo superficial, escorrentíasuperficial y, nacimientos de

agua subsuperficial y ubterránea

y escorrentía hacia ríos y

océanos.

Subsistema de aguasubsuperficial

(C), que contiene los procesos

de infiltración, recarga de

acuíferos, flujo subsuperficial y

flujo de agua subterránea.

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sistema hidrológico,que es el constituidopor el proceso lluviaescorrentía en unacuenca, y teniendoen cuenta que

cuenca es unasuperficie de terrenoque drena haciauna corriente en unlugar dado y ladivisión de aguas en

una línea quesepara dichasuperficie de otrasque drenan haciaotros causes

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MODELOS HIDROLOGICOS

• Definición

• Se define un modelo de un sistema como laconceptualización de las interrelaciones yrespuestas de un sistema real, a la que seincorpora la esencia del mismo, y que es

capaz de predecir las interacciones principalesy sus respuestas a un conjunto de condicionespropuesto, es decir es la representaciónartificial del sistema.

• 1.6.2.- Clasificación

• Los modelos hidrológicos pueden dividirse endos categorías: Modelos físicos y modelos

abstractos.

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MODELOS FÍSICOS

• Son aquellos modelos en que se usa unarepresentación material del sistema, este tipo demodelos comprende:

• a) Modelos a escala

• Son aquellos que representan el sistema en unaescala reducida, tal como los modelos de unaestructura de control de una obra hidráulica.

• b) Modelos Análogos

• Que usan otro sistema físico que poseapropiedades similares a las del prototipo.

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MODELOS ABSTRACTOS

• Este tipo de modelos son los más extendidosen hidrología, representan el sistema en formamatemática, por lo general se los conocecomo modelos matemáticos. Estánconstituidos por un conjunto de ecuacionesque describen y representan el sistema real,describiendo las variables de entrada y salida.

Estas variables pueden ser funciones delespacio y del tiempo y también pueden servariables probabilísticas o aleatorias.

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Clasificación de modelos hidrológicos en función: la forma, laaleatoriedad, variación espacial y temporal de los fenómenoshidrológicos. (Fuente: V.T. Chow)

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• Determinísticos, cuando no consideran aleatoriedad,una entrada dada produce siempre una misma salidaEstocásticos, en la que la causalidad no esdeterminante, por lo que tienen salidas que son por lomenos parcialmente aleatorias. Segundo, se considerala variación espacial, que significa si las variables delmodelo varían en el espacio o serán uniformes. En elcaso de modelos determinísticos se clasifican enAgregados o Distribuidos. Agregados, el sistema espromediado en el espacio o considerado como unpunto único sin dimensiones en el espacio.Distribuidos, considera que los procesos hidrológicosocurren en varios puntos del espacio, y define lasvariables como funciones de las dimensionesespaciales. Los modelos estocásticos se clasificanen independientes en el espacio y correlacionadosen el espacio, dependiendo de la influencia de lasvariables aleatorias tengan entre ellas en diferentes

puntos del espacio.

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• Tercero, se considera la variación temporal, los modelosdeterminísticos se clasifican en modelos de flujopermanente y modelos de flujo no permanente. Losmodelos estocásticos, se clasifican en dependientes enel tiempo y correlacionados en el tiempo. Un modelopráctico usualmente considera uno o dos fuentes de

variación. Adicionalmente se devén tener en cuenta lossiguientes conceptos para entender de mejor manera lossistemas y modelos en hidrología.   Fenómeno , es elproceso físico que produce una alteración del estado delsistema, por ejemplo la lluvia, evaporación, infiltración, etc.Variable , es el valor que describe cuantitativamente un

fenómeno, en la hidrología están el caudal, evaporación,lluvia diaria, etc.  Parámet ro , es el valor que caracteriza elsistema, que no establece modificaciones en el tiempo, por ejemplo: n capacidad de infiltración de un suelo, área de lacuenca, etc.

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ECUACIÓN DE BALANCE HÍDRICO

• En todo ciclo cerrado, el principio fundamentalindica que la masa no se destruye ni se crea,tal es el caso en el ciclo hidrológico, de esto setiene la ecuación de balance hídrico (Campos

 Aranda, 1988; Shaw, 1983):

• ENTRADAS – SALIDAS = CAMBIO EN ALMACENAMIENTO• La facilidad de la ecuación anterior es

engañosa, debido a que en la mayoría de loscasos, los términos en ella no pueden ser niadecuada ni muy fácilmente cuantificados.Sobre la base de la Figura 1.6, presentada acontinuación, se plantea la ecuación más

aproximada de balance hídrico:

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Representación del Balance Hidrológico de una Región

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Balance anual del agua

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• Ejemplo 1 Durante un año determinado, unacuenca de 25 Km2 recibe 900 mm. deprecipitación, el escurrimiento anual aforadoen el río que drena la cuenca fue de 5361

millones de m3• Hacer una estimación aproximada de las

cantidades conjuntas de agua evaporada ytranspirada por la cuenca durante el año.

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CUESTIONARIO

• ¿Defina en sus propias palabras Hidrología?¿Defina Ingeniería Hidrológica? ¿Presenteejemplos de aplicación de la hidrología en

Ingeniería Civil? ¿Qué entiende por CicloHidrológico? ¿Qué es un Sistema Hidrológico?¿Qué entiende por modelo hidrológico?¿Mencione la clasificación de modeloshidrológicos, con ejemplos? ¿Qué es unfenómeno, variable y parámetro, mencioneejemplos de cada uno? ¿Plantee la ecuación debalance hídrico y la descripción de cada uno desus componentes?

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CLASE 03 - 04

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CAPITULO.

GEOMORFOLOGIA DE LA CUENCA

OBJETIVO

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OBJETIVO

• El objetivo de este capítulo es exponer la terminología e índices con los cuales elhidrólogo define y analiza a una cuenca hidrográfica, para describir sus principalescaracterísticas físicas, que condicionan su comportamiento hidrológico; desarrollando losdiversos métodos de cálculo y presentación de resultados.

DEFINICIONES• GEOMORFOLOGÍA, estudia las formas superficiales del relieve terrestre (geo=tierra,morfo=forma; logia=estudio o tratado). Cuenca, es una zona de la superficie terrestre endonde las gotas de lluvia que caen sobre ella tienden a ser drenadas por el sistema decorrientes hacia un mismo punto de salida .

• CUENCA HIDROGRÁFICA, espacio geográfico cuyos aportes hídricos naturales sonalimentados exclusivamente por las precipitaciones y cuyos excedentes en agua o enmaterias sólidas transportadas por el agua forman, en un punto espacial único, unadesembocadura.

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CLASIFICACION DE CUENCA

1. En relación al tamaño

• Cuenca GrandeEs aquella cuenca donde su área es mayor a 250

km2, donde predominan las característicasfisiográficas (pendiente, elevación, área, cauce).• Cuenca pequeñaEs aquella cuenca donde su área es menor a 250km2, la forma y la cantidad de escurrimiento estáinfluenciado por las características físicas (tipo desuelo y vegetación) del suelo. La cuenca pequeñaresponde a las lluvias de fuerte intensidad ypequeña duración.

2 En función a la salida

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2. En función a la salida

• Cuencas Endorreicas

El punto de salida está dentro de los límites de la

cuenca y generalmente es un lago.• Cuencas Exorreicas

En las cuencas exorreicas el punto de salida se

encuentra en los límites de la cuenca, pudiendoser en otra corriente de agua o en el mar.

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3. En función a la elevación• Cuenca alta

Llamado como cuenca cabecera o de recepción de la cuenca;por su posición, capta y almacena en los nevados y glaciaresde sus cumbres, y en las lagunas y represamientos de lasaltiplanicies, la mayor parte de los aportes de la precipitación;además, tiene una cobertura vegetal típica de pastos obosques, y una menor presión demográfica.

• Cuenca mediaDe mayor pendiente relativa, con un caudal caracterizado portorrentes turbulentos, también se le denomina zona detransporte de sedimentos o de escurrimiento.• Cuenca Baja

Cuenca de menor pendiente relativa, con un caudal de flujocontinuo, cauce definido y amplia planicie de inundación,suele llamarse cono de deyección o zona de depósito.

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ELEMENTOS DE LAS CUENCAS

• Las cuencas presentan los siguienteselementos: Parteaguas o divisoria deaguas, área de la cuenca y el cauce

principal de la cuenca.

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• Parteaguas o divisoria de aguasLínea imaginaria formada por los puntos de mayornivel topográfico, que separa la cuenca en estudiode las cuencas vecinas.• Area de la cuencaSuperficie en proyección horizontal, delimitada por la

divisoria de aguas.• Cauce principal de una cuencaCorriente que pasa por la salida de la cuenca; lasdemás corrientes se denominan cauces secundarios(tributarios). Las cuencas correspondientes a lascorrientes tributarias se llaman cuencas tributarias osubcuencas

Componentes de la cuenca

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COMPONENTES DE LA CUENCA

Componentes de la cuenca

DELIMITACION DE UNA CUENCA

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DELIMITACION DE UNA CUENCA

• La delimitación de una cuenca, se hace sobreun plano o mapa con curvas de nivel siguiendo

las líneas del Divortium Acuarum (parteaguas),formado por los puntos de mayor niveltopográfico

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TRAZADO DE LA DIVISORIA TOPOGRAFICA DE LA CUENCA

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FORMA DE LA CUENCA

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FORMA DE LA CUENCA

• La forma de la cuenca afecta en lascaracterísticas de descarga de la corriente,

principalmente en los eventos de flujo máximo.• En general, los escurrimientos de una cuenca

de forma casi circular serán diferentes a los de

otra, estrecha y alargada, aunque tengan lamisma área

PARAMETROS GEOMORFOLOGICOS DE LA CUENCA

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PARAMETROS GEOMORFOLOGICOS DE LA CUENCA

• La geomorfología de una cuenca quedadefinida por su forma, relieve y drenaje, para locual se han establecido una serie deparámetros, que a través de ecuacionesmatemáticas, sirven de referencia para laclasificación y comparación de cuencas. Paraun mejor estudio de las cuencas se han

establecido los siguientes parámetros:• Parámetros de forma

• Parámetros de relieve

• Parámetros de red hidrográfica.

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PARÁMETROS DE FORMA

PARÁMETROS DE FORMA

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PARÁMETROS DE FORMA

• Dada la importancia de la configuración de las

cuencas, se trata de cuantificar parámetros pormedio de índices o coeficientes, los cualesrelacionan el movimiento del agua y lasrespuestas de la cuenca a tal movimiento

(hidrogramas).1.- Índice de compacidad o Coeficiente deGravelius (Ic)

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• Si Ic = 1 la cuenca es de forma circular. Estecoeficiente nos dará luces sobre la escorrentíay la forma del hidrograma resultante de unadeterminada lluvia caída sobre la cuenca.

• Si: Ic ≈ 1 cuenca regular Ic ≠ 1 cuenca

irregular; (Ic grande, menos susceptible ainundaciones).

2 F t d F (Ff)

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2.- Factor de Forma (Ff)

• Fue definido por Horton, como el cocienteentre el ancho promedio de la cuenca y sulongitud del cauce principal:

Donde: B = Ancho Promedio de la cuenca, (Km) A = Area de la cuenca, (Km2)Lc = Longitud de la cuenca, que se define como la distancia entre la salida yel punto más alejado, cercano a la cabecera del cauce principal, medida en

línea recta.

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3 C fi i t d f (Kf)

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3.- Coeficiente de forma (Kf)

• Relación entre la anchura media Bm de lacuenca y la longitud media (Lmc):

4 - Relación de Elongación (Re)

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4.- Relación de Elongación (Re)

• definido por Schumm, es la relación entre eldiámetro de un círculo (D) de área igual a la

cuenca y la longitud de la cuenca (Lc).

Si Re varía entre 0.60 y 1.00 cuenca con amplia variedad de climas ygeologías. Además esta fuertemente correlacionado con el relieve de lacuenca, de manera que valores cercanos a la unidad son típicos de regionescon relieve bajo, en cambio donde Re que varía de 0.60 a 0.80 estáasociado a fuertes relieves y pendientes pronunciadas del terreno

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5.- Relación de circularidad (Rci)

• Relación de circularidad, (Rci), denominadotambien como radio de circularidad, es el cocienteentre el área de la cuenca (A) y la del círculo cuyoperímetro (P) es igual al de la cuenca:

Donde A=Area de la Cuenca en Km2; P=Perimetrode la cuenca en Km. Cuando Rci=1, la cuenca escircular y si Rci=0.785, la cuenca es cuadrada. 2 4 ciA R P

6.- Rectángulo equivalente o rectángulo de

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6. Rectángulo equivalente o rectángulo deGravelius

• El rectángulo equivalente es una transformación

geométrica, que permite representar a la cuenca, desu forma heterogénea, con la forma de un rectángulo,que tiene la misma área y perímetro (mismo índicede compacidad), igual distribución de alturas (igual

curva hipsométrica), e igual distribución de terreno,en cuanto a sus condiciones de cobertura. En esterectángulo, las curvas de nivel se convierten enrectas paralelas al lado menor, siendo estos lados, laprimera y última curva de nivel

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……….…….y estas magnitudes se llevan en el lado mayor del rectángulo.

En el caso de dos cuencas con rectángulos equivalentes similares, seadmite que poseen un comportamiento hidrológico análogo siempre

que posean igual clima y que el tipo y la distribución de sus suelos, de suvegetación y de su red de drenaje sean comparables (Martínez et al,1996).

OTROS PARÁMETROS ASOCIADOS A LA CUENCA

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OTROS PARÁMETROS ASOCIADOS A LA CUENCA

1.- Ancho Máximo (E)• El ancho máximo de la cuenca (E), que generalmente pasa

próximo al centro de gravedad de la misma.• 2.- Ancho Medio (Bm)• El ancho medio de la cuenca, está definido por la relación:

(2.14) Lc A Bm

3.- Longitud de la Cuenca (Lc)• La longitud de la cuenca (Lc), es la distancia entre la salida

y el punto más alejado, cercano a la cabecera del cauceprincipal, medida en línea recta.

4.- Longitud al centro de gravedad (La)

• La longitud al centro de gravedad de la cuenca (La), quecorresponde a la distancia medida en línea recta desde elpunto de concentración, al baricentro de la figurageométrica que corresponde a la cuenca, o hasta laproyección de este punto sobre el cauce principal.

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PARÁMETROS DE RELIEVE

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PARÁMETROS DE RELIEVE

• Para describir el relieve de una cuenca existen numerosos parámetros que han sidodesarrollados por varios autores; entre los más utilizados son: pendiente de la cuenca,

indice de pendiente, curvas Hipsométricas, histograma de frecuencias altimétricas yrelación de relieve.

1.- Pendiente de la cuenca

• La pendiente media de la cuenca tiene una importante pero compleja relación con lainfiltración, el escurrimiento superficial, la humedad del suelo y la contribución del agua

subterránea al flujo en los cauces. Es uno de los factores físicos que controlan el tiempodel flujo sobre el terreno y tiene influencia directa en la magnitud de las avenidas ocrecidas.

• Existen diversos criterios para evaluar la pendiente media de una cuenca, entre las quese destacan son: criterio de Albord y criterio de Horton.

1 1 - Criterio de J W Alvord

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1.1.- Criterio de J.W. Alvord

•  Analiza la pendiente existente entre curvas de nivel, trabajando con la faja definidapor las líneas medias que pasan entre las curvas de nivel, Para una de ellas lapendiente es:

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1.2.- Criterio de R.E. Horton• Consiste en trazar una malla de cuadrados sobre la proyección horizontal de la

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• Consiste en trazar una malla de cuadrados sobre la proyección horizontal de lacuenca orientándola según la dirección de la corriente principal. Si se trata de unacuenca pequeña, la malla llevará al menos cuatro cuadros por lado, pero si se tratade una superficie mayor, deberá aumentarse el número de cuadros por lado, ya quela precisión del cálculo depende de ello. Una vez construida la malla en un esquema

similar al que se muestra en la Figura 2.14, se miden las longitudes de las líneas dela malla dentro de la cuenca y se cuentan las intersecciones y tangencias de cadalínea con las curvas de nivel nivel.

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3.2.- Índice de Pendiente (Ip) (M. Roche)• El índice de pendiente es una ponderación que se establece entre las pendientes y

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• El índice de pendiente, es una ponderación que se establece entre las pendientes yel tramo recorrido por el río. Con este valor se puede establecer el tipo degranulometría que se encuentra en el cauce. Además, expresa en cierto modo, elrelieve de la cuenca. Se obtiene utilizando el rectángulo equivalente, con la siguienteecuación:

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CLASIFICACIÓN DE PENDIENTES EN UNA CUENCA

El valor de la pendiente permite clasificar el relieve o topografía del terreno según lasiguiente tabla:

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PARÁMETROS DE REDHIDROGRÁFICA.

PARÁMETROS DE LA RED HIDROGRAFICA DE LA CUENCA

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PARÁMETROS DE LA RED HIDROGRAFICA DE LA CUENCA

• La red hidrográfica corresponde al drenajenatural, permanente o temporal, por el quefluyen las aguas de los escurrimientossuperficiales, hipodérmicos y subterráneos de

la cuenca.

1.- Componentes de la red de drenaje

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• La red de drenaje de una cuenca está formadapor el cauce principal y los cauces

tributarios.

. .-drenaje

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j• La red de drenje de una cuenca se clasifica de

varias maneras, pero los más importantes en laingeniería hidrológica son:

• a) Por el tiempo en que transportan agua.

• Según esta clasificación las corrientes pueden ser

perennes, intermitentes o efímeras (véase Figura2.20). Perennes; conducen agua durante todo elaño. Intermitentes; lleva agua durante la épocade lluvias de cada año. EfÍmeras; conducen aguainmediatamente después de una tormeta

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• b) Por su posición topográfica o edadgeológica.

• De acuerdo con esta clasificación los ríospueden ser de montaña o juveniles, detransición o maduros, o bien de planicie oviejos

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• ríos de montaña, tienen grandes pendientes y pocascurvas, agua alcanza altas velocidades, sus caucesestán generalmente formados por cantos rodados conun poco de grava y casi nada de finos.

• ríos de transición, están en una situación intermedia

entre los dos anteriores: presentan algunas curvas,con velocidades de agua moderadas y sus caucesestán formados básicamente por grava, con algo decantos rodados y arena.

• ríos de planicie, presentan numerosos meandrosdebido a las bajas velocidades del agua y su cauce seforma por arenas y finos. En general, estos ríos seencuentran en cotas cercanas al nivel del mar.

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1.2.- Numero de Orden de un cauce

Es un número que refleja el grado de ramificación de la red dedrenaje. Existen diversos criterios para el ordenamiento de los

cauces de la red de drenaje en una cuenca hidrográfica; segun:

El sistema de Horton o Los cauces de primer orden (1) sonaquellos que no poseen tributarios,

• o Los cauces de segundo orden (2) tienen afluentes de primerorden,

• o Los cauces de tercer orden (3) reciben influencia de cauces desegundo orden, pudiendo recibir directamente cauces de primerorden.

• o Un canal de orden n puede recibir tributarios de orden n-1 hasta1.

• Esto implica atribuir mayor orden al río principal, considerandoesta designación en toda su longitud, desde la salida de la

cuenca hasta sus nacientes.

El sistema de Strahler . para evitar la subjetividad de la

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El sistema de Strahler . para evitar la subjetividad de ladesignación en las nacientes determina que:• o todos los cauces serán tributarios, aún cuando las

nacientes sean ríos principales.• o El río en este sistema no mantiene el mismo orden en toda

su extensión.• o El orden de una cuenca hidrográfica está dado por el

número de orden del cauce principal.

2. Densidad de drenaje (Dd)

H t (1945) d fi ió l d id d d d j d

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• Horton (1945) definió la densidad de drenaje de una cuenca comoel cociente entre la longitud total (Lt) de los cauces pertenecientesa su red de drenaje y la superficie de la cuenca (A):

• La densidad de drenaje es un indicador de la respuesta de lacuenca ante un aguacero, y, por tanto, condiciona la forma delhidrograma resultante en el desagüe de la cuenca. A mayordensidad de drenaje, más dominante es el flujo en el cauce frente

al flujo en ladera, lo que se traduce en un menor tiempo derespuesta de la cuenca y, por tanto, un menor tiempo al pico delhidrograma. Strahler (1952) encontró en Estados Unidos valoresde D desde 0,2 Km/Km2 para cuencas con drenaje pobre y hasta250 Km/Km2 para cuencas muy bien drenadas.

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13. Clasificación de pendiente en el cauce Principal• La pendiente del cauce principal se relaciona con las caracteristicas hidraulicas del

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escurrimiento, en particular con la velocidad de propagacion de las ondas de aveniday con la capacidad para el transporte de sedimentos. De acuerdo al valor de lapendiente, se puede clasificar la topografía del terreno de la siguiente manera(propuesto por R.Heras R.):

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EJERCICIOS DE APLICACIÓN

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