ASPECTOS DE HIDROLOGASe llama Hidrologa a la rama de la Hidrulica encargada del estudio de los procesosde circulacin, ocurrencia y distribucin del agua sobre la superficie terrestre, ascomo su interaccin con el medio ambiente.A continuacin se presentan algunos conceptos bsicos relativos a la cuenca, elparteaguas y el sistema hidrolgico.Una cuenca es la unidad bsica en un estudio Hidrolgico y se define como aquellarea de terreno donde el agua de lluvia que cae sobre su superficie y que no seinfiltra, es conducida hasta un punto de salida (cuenca abierta) o de almacenamiento(cuenca cerrada). Es importante remarcar que el tamao de una cuenca depende dela ubicacin del punto de salida. Se le llama sistema hidrolgico al conjunto formado por la cuenca, lascaractersticas locales del terreno (topografa, tipo de suelo, vegetacin, etc.), lascorrientes (subterrneas y superficiales) y todos aquellos factores que tieneninfluencia sobre la cantidad de agua existente en la cuenca (la precipitacin, el clima,etc.). De lo anterior se desprende que no existen dos cuencas iguales, aunque paraefectos de cuantificacin del escurrimiento dos cuencas cercanas pudieran serconsideradas similares hidrolgicamente. Por otra parte, Uno de los aspectos importantes de la hidrologa es el balance hidrolgico el cual se representa con la ecuacin:ESC = P I EV - USOS

ESC= volumen de escurrimientoP= precipitacinI= infiltracinEV= evaporacin

Donde la intensidad es I = P / tI = intensidadP = precipitacinT = tiempo

Ecuacin racionalQ = C.i.AQ = gastoI = intensidadC = coeficiente de infiltracin (depende del suelo)A = rea

CICLO HIDROLGICOEl ciclo hidrolgico se refiere a los procesos por los que pasa el agua durante su transporte continuo entre los ocanos, la atmsfera, y la tierra.

PRECIPITACINSe define precipitacin a toda forma de humedad, que, originndose en las nubes, llega hasta la superficie terrestre. De acuerdo a esta definicin, las lluvias, las granizadas, las garuas y las nevadas son formas distintas del mismo fenmeno de la precipitacin. La lluvia se identifica segn su intensidad, en: ligera, para tasas de cada de hasta 2.5 mm/h moderada, desde 2.5 hasta 7.6 mm/h fuerte, por encima de 7.6 mm/hLa magnitud de los escurrimientos superficiales est ligada proporcionalmente a la magnitud de la precipitacin pluvial. Por este motivo, los estudios de drenaje parten del estudio de la precipitacin para estimar los gastos de diseo que permiten dimensionar las obras de drenaje.La medicin de la precipitacin se ha llevado a cabo, principalmente, con aparatos climatolgicos conocidos como pluvimetros y pluvigrafos. Ambos se basan en la medicin de una lmina de lluvia (mm), la cual se interpreta como la altura del nivel del agua que se acumulara sobre el terreno sin infiltrarse o evaporarse sobre un rea unitaria.

hidrgrama tpicoLa ventaja de usar los registros de los pluvigrafos con respecto a los de los pluvimetros radica en que se pueden calcular intensidades mximas de lluvia para duraciones predeterminadas, que posteriormente pueden ser transformadas a gastos de diseo para estructuras de drenaje.ANLISIS DE REGISTROS DE LA PRECIPITACIN

Mtodo aritmticoEn muchos tipos de problemas hidrolgicos es necesario determinar la precipitacin promedio sobre un rea especfica, para una tormenta especfica o para un perodo de tiempo dado (por ejemplo en base anual). El mtodo ms simple de obtener la precipitacin promedio es hacer un promedio aritmtico de las cantidades medidas en el rea. Este mtodo da unos buenos estimativos en reas planas si los pluvimetros estn distribuidos uniformemente y el valor captado por cada uno de los pluvimetros no vara mucho a partir de la media. Estas limitaciones se pueden prever si las influencias topogrficas y la representatividad del rea se consideran en la seleccin de los sitios en los cuales se van a emplazar los pluvimetros.

Mtodo de ThiessenEl mtodo de Thiessen trata de tener en cuenta la no uniformidad en la distribucin de los pluvimetros mediante un factor de ponderacin para cada uno de ellos. Las estaciones se colocan en un mapa y se dibujan lneas que las conecten unas con otras. Las mediatices, o perpendiculares bisectrices de estas lneas, forman polgonos alrededor dcada estacin. Los lados de cada polgono son los lmites del rea efectiva que se considera para cada estacin. El rea de cada polgono se determina utilizando un planmetro y se expresa como un porcentaje del rea total. El promedio ponderado de lluvias para el rea total se calcula multiplicando la precipitacin en cada estacin por su porcentaje de reas asignado y sumando estos valores parciales. Los resultados son por lo general ms exactos que aquellos obtenidos por un simple promedio aritmtico. La mayor limitacin del mtodo de Thiessen es su poca flexibilidad, puesto que se requiere un nuevo diagrama cada vez que hay un cambio en la red. El mtodo tampoco tiene en cuenta influencias orogrficas. En realidad, el procedimiento de Thiessen simplemente supone una variacin lineal de la precipitacin entre las estaciones y asigna un segmento de rea a la estacin ms cercana.

Mtodo de las isoyetasEl mtodo ms exacto para promediar la precipitacin sobre un rea es el mtodo de las isoyetas. La localizacin de las estaciones y las cantidades de lluvia se grafican en un mapa adecuado y sobre este se dibujan las lneas de igual precipitacin (isoyetas). La precipitacin promedio para el rea se calcula ponderando la precipitacin entre isoyetas sucesivas (por lo general tomando el promedio de dos valores de las isoyetas) por el rea de las isoyetas, totalizando estos productos y dividiendo por el rea total.El mtodo de las isoyetas permite el uso y la interpretacin de toda la informacin disponible y se adapta muy bien para discusin. En la construccin de un mapa de isoyetas, el analista puede utilizar todo su conocimiento sobre los posibles efectos orogrficos y la morfologa de la tormenta; en este caso el mapa final debe representar un patrn mucho ms real de la precipitacin que aquel que se puede obtener utilizando nicamente las cantidades medidas. La exactitud del mtodo de las isoyetas depende en gran parte de la habilidad del analista. Si se utiliza una interpolacin lineal entre estaciones, el resultado ser esencialmente el mismo que se obtiene utilizando el mtodo de Thiessen. Adems, un anlisis inadecuado puede conducir a errores considerables.

ANLISIS ESTADSTICO Y PROBABILSTICO EN HIDROLOGAEn el diseo o planeacin de ciertas obras hidrulicas se requiere de estimaciones de eventos futuros, ya sea extremos, como los gastos mximos o mnimos en un cauce, la precipitacin mxima en un intervalo de tiempo, etc.; o acumulados en un intervalo de tiempo, como la precipitacin anual, los volmenes de escurrimiento anuales, etc. Dichas estimaciones de un evento futuro son tiles para determinar por ejemplo: la capacidad de almacenamiento de una presa, el dimensionamiento de un vertedor, la magnitud de una sequa, el diseo de un sistema de alcantarillado, etc.Por la complicacin de los procesos fsicos que intervienen en la generacin del fenmeno, en la mayora de los casos resulta imposible una estimacin confiable del mismo por mtodos basados en las leyes de la mecnica o la fsica, ya sea por ser stos insuficientes o porque el modelo matemtico respectivo resultara exageradamente grande y difcil de manejar, pues necesitara gran cantidad de informacin. Por ello resulta ms conveniente un anlisis estadstico y probabilstico.La estimacin de un fenmeno futuro est ligada a una probabilidad de ocurrencia, la cual se determina segn una serie de criterios entre los que destacan: la vida til de la obra, la economa de la obra, los posibles daos humanos y materiales en caso de falla, etc.As, con base en la historia del fenmeno es posible estimar la magnitud de un fenmeno de acuerdo a una probabilidad de ocurrencia. Por ello, se llevan a cabo mediciones peridicas de procesos hidrolgicos entre los que se encuentran: la precipitacin, el escurrimiento en cauces naturales, volmenes, etc. Estos registros presentan variaciones en el espacio y en el tiempo, cuyo comportamiento es en parte predecible o determinstico y en parte aleatorio.Cuando la variabilidad determinstica de un fenmeno es considerada como despreciable en comparacin a la variabilidad aleatoria, es posible tratar al proceso como puramente aleatorio, donde cada observacin es independiente de las anteriores (no existe correlacin), y las propiedades estadsticas de todas las observaciones son iguales.

Seleccin de la frecuencia para diseoPeriodo de retornoEl anlisis de frecuencias busca asignar a cada caudal de creciente una probabilidad p de ser igualado o excedido en un ao cualquiera. El perodo de retorno Tr se usa comnmente en lugar de la probabilidad p para definir crecientes de diseo. El perodo de retorno y la probabilidad son recprocos, es decir,

La ecuacin de Weibull es la ms usada: Donde n es el nmero de aos del registro y m es la clasificacin del evento de acuerdo con su orden de magnitud. El mayor evento tiene un orden m = 1. La ecuacin asigna un perodo de retorno promedio de n + 1 aos para el mayor evento de una serie.

Los anlisis descritos sirven para obtener el nivel de probabilidad promedio o el perodo promedio de recurrencia. Esta informacin tiene aplicacin en numerosos problemas. Por ejemplo, al calcular los daos promedios producidos por crecientes, se debe multiplicar el dao causado por un caudal dado por su probabilidad anual de ocurrencia y as se obtiene su contribucin al dao promedio anual. El diseo de cualquier estructura con una vida til larga debe estar basado en probabilidades anuales. El diseo de alcantarillas en carreteras para caudales de diseo con un nivel de probabilidad p implica que, en promedio, pN alcantarillas se desbordarn cada ao, donde Nes el nmero total de alcantarillas.Hay ciertas situaciones para las cuales el hidrlogo desea conocer la probabilidad de ocurrencia de una creciente durante un intervalo de tiempo especfico. Por ejemplo, las probabilidades asociadas con crecientes durante el perodo de construccin de una presa. La probabilidad J de que una creciente con una probabilidad de ocurrencia promedio p sea excedida exactamente k veces durante un perodo de N aos est dada por:

Donde Cuando k=0, o sea para el mayor evento entonces

ANALISIS PROBABILSTICO DE PRECIPITACION Datos generalizados de frecuencia de precipitacinDebido a que frecuentemente los datos de precipitacin son demasiado cortos, solamente permiten un anlisis de frecuencias confiable para perodos de retorno cortos, de 10 aos o menos. En estos casos, estimativos confiables para perodos de retorno mayores pueden obtenerse aplicando relaciones entre la magnitud de la precipitacin para diferentes perodos de recurrencia, por ejemplo, la relacin entre lluvias de 100 aos y 10 aos de perodo de recurrencia, tomada del anlisis de alguna estacin con una longitud de registro mayor y coa un rgimen de precipitacin similar al de la estacin con registro corto. La necesidad de estas generalizaciones es mayor para el anlisis de lluvia de corta duracin donde los datos de pluvigrafos son mucho ms cortos que los datos obtenidos de pluvimetros. Tambin, la red de pluvigrafos es en general poco densa y hay necesidad de usar los registros de todas las estaciones disponibles.Varias frmulas empricas han sido desarrolladas para estimar la funcin lluvia-frecuencia cuando los datos de precipitacin con que se cuenta son inadecuados para un anlisis de frecuencia. Para tal fin, los valores de la funcin lluvia-frecuencia para estaciones con datos extensos se correlacionan con parmetros climatolgicos fcilmente disponibles, tales como precipitacin anual media, nmero promedio de das con lluvia y nmero promedio de das con tormenta. Estas funciones, las cuales se construyen y presentan de una manera grfica, se utilizan para estimar valores de la funcin lluvia-frecuencia para aquellas regiones con datos inadecuados. Este tipo de relaciones ha sido utilizado para estimar funciones lluvia-frecuencia para un rango de duracin entre 20 min y 24 h y para perodos de retorno entre 2 y 100 aos.

lluvia-frecuenciaCon excepcin de regiones montaosas, es de esperarse que la variacin para distancias cortas en la intensidad de lluvia para una frecuencia dada, sea pequea. Por esto tiene gran sentido prctico preparar mapas de la cantidad de lluvia que puede esperarse para varias frecuencias y duraciones. Tormentas de diseoDebido a la dificultad que hay para estimar la relacin caudal-frecuencia para hoyas sin estaciones o con un registro corto, se desarroll el concepto de tormenta de diseo. Se escoge el patrn de tiempo-intensidad y el hidrograma resultante, o el caudal pico, en muchos casos, por medio de frmulas empricas. Esta metodologa puede extenderse a grandes reas y se especifica una distribucin espacial de la lluvia para la tormenta de diseo Normalmente se supone que la probabilidad de la avenida as obtenida es igual a la probabilidad de la tormenta de diseo. Esta suposicin no es conecta en la mayora de los casos y con frecuencia puede llevar a grandes errores. Una tormenta incluye un patrn de tiempo-intensidad, una distribucin espacial y una precipitacin total. Realmente es imposible asignarle una frecuencia de ocurrencia a un evento tan complejo. Generalmente slo se considera la precipitacin total. Sin embargo, debido a que el patrn de intensidad-tiempo y la distribucin espacial de la lluvia afectan el volumen de escorrenta y el caudal pico, tormentas con la misma precipitacin total rara vez producen el mismo caudal pico. Adems, una tormenta ocurre dentro de una secuencia de eventos que fijan 1as condiciones antecedentes en la hoya y a su vez afectan el volumen de escorrenta y la forma del hidiograma.Una sola tormenta de diseo, aunque se conozca con precisin su frecuencia, es inadecuada para el anlisis econmico que debe hacerse para la mitigacin de crecientes, drenajes de aguas lluvias, diseo de alcantarillas, etc. El procedimiento preferido es el de sintetizar una serie de crecientes lo ms larga posible y obtener del registro sinttico la relacin de frecuencias. El uso de las tormentas de diseo es poco recomendable excepto cuando se ha tomado la decisin de que la estructura debe disearse para el evento mximo probable.Anlisis probabilstico del volumen de escorrenta DistribucionesLos volmenes mensuales y anuales de escorrenta parecen ajustarse a las distribuciones normal o log-normal, aunque en algunas ocasiones se utiliza la distribucin gamma. El anlisis de frecuencias del volumen de escorrenta parece necesitar menos datos que cuando se trabaja con caudales picos. A pesar de no existir un anlisis sistemtico que permita definir la longitud requerida del registro para un anlisis estable de frecuencias de volmenes de escorrenta, se considera que 30 a 50 aos es un registro adecuado para la mayora de los casos. En regiones ridas, donde algunos aos o meses tienen una escorrenta nula o muy cercana a cero, se necesitan series de datos ms largas.SequasLas sequas, desde el punto de vista hidrolgico, pueden definirse como un perodo durante el cual los caudales son insuficientes para suplir los usos establecidos bajo un sistema dado de administracin de recursos hidrulicos. Parece que no es posible dar una definicin ms especfica porque cada situacin debe ser analizada por separado. Comnmente, el hidrlogo tiene que estudiar las sequas desde dos puntos de vista. Puede estar involucrado en el estudio de caudales mnimos que pueden restringir el abastecimiento de aguas obtenido de una estructura de derivacin sin almacenamiento alguno y que puede ser una condicin crtica para estudios de contaminacin en el ro. Tambin puede estar interesado en perodos largos de caudales mnimos que pueden afectar el rendimiento de un embalse.

InfiltracinCuando llueve, parte de la lluvia del comienzo es retenida en la cobertura vegetal como intercepcin y en las depresiones del terreno como almacenamiento superficial. Conforme contina la lluvia, el suelo se cubre de una delgada capa de agua conocida como detencin superficial y el flujo comienza pendiente abajo hacia los cursos, lo que constituye la escorrenta superficial. Inmediatamente debajo de la superficie tiene lugar la escorrenta subsuperficial y las dos escorrentas, la superficial y la subsuperficial, constituyen la escorrenta directa. La infiltracin es el paso del agua a travs de la superficie del suelo hacia el interior de la tierra; la percolacin es el movimiento del agua dentro del suelo y ambos fenmenos, la infiltracin y la percolacin, estn ntimamente ligados puesto que la primera no puede continuar sino cuando tiene lugar la segunda. El agua que se infiltra en exceso de la escorrenta subsuperficial puede llegar a formar parte del agua subterrnea, la que eventualmente puede llegar a los cursos de agua.

DISTRIBUCION DEL AGUA LLOVIDAEcuacin de balance hdrico

P = 1 + S + E + F + Pn

P= lluvia total1= intercepcinS= almacenamiento superficialE= evaporacin desde el sueloF= infiltracinPn= escorrenta directa, tambin llamada lluvia neta.

La suma de los trminos I, S, E, constituye la retencin superficial, de modo que:

P = retencin + infiltracin + escorrenta directa (Lluvia neta)

Constituye una preocupacin permanente de la Hidrologa la obtencin de la es correnta directa que corresponde a una determinada lluvia en un cierto lugar. La primera manera es a travs de la frmula simple de escorrenta:Pn = CP

VALORES DE C Area residencial urbana slo casas habitacin.0.30Apartamentos con espacios verdes...0.50Area de edificios comerciales e industriales....0.90Areas boscosas, dependiendo del suelo....0.05 -0.20Parques, terrenos agrcolas y pastizales....0.05-0.30Asfalto o pavimento de concreto...0.85

Factores de la InfiltracinLa capacidad de infiltracin depende de muchos factores. Los principales son: el tipo de suelo, el contenido de materia orgnica, el contenido de humedad, la cobertura vegetal y la poca del ao. De aquellas caractersticas del suelo que afectan la infiltracin la porosidad es posiblemente la ms importante. La porosidad determina la capacidad de almacenamiento y tambin afecta la resistencia al flujo. La infiltracin tiende a aumentar con el aumento de la porosidad. El aumento en el contenido de materia orgnica tambin tiende a aumentar la capacidad de infiltracin, debido sobre todo a que produce un aumento en la porosidad. La infiltracin, para un mismo tipo de suelo, es menor en un suelo hmedo que en un suelo seco y esta disminucin es ms notoria en los momentos iniciales. De este modo la curva de infiltracin sufre un cambio.

El Ciclo de EscorrentaCiclo de escorrenta es el trmino que se emplea para describir aquella parte del ciclo hidrolgico entre la precipitacin que cae sobre una rea y la descarga subsiguiente de esa agua a travs de cauces o bien por evapotranspiracin

Las aguas procedentes de las precipitaciones llegan al cauce del ro por diferentes vas: escorrenta superficial escorrenta subsuperficia1 agua subterrnea lluvia que cae en el espejo de agua

La mayor parte de la diferencia de humedad del suelo es satisfecha antes de que tenga lugar una escorrenta superficial apreciable.

El agua que se infiltra y no es retenida como humedad del suelo, se mue ve hacia los cauces como escorrenta subsuperficial o penetra en la capa fretica y alcanza eventualmente el cauce como agua subterrnea' (flujo base).

La tasa de escorrenta superficial comienza en cero, aumenta lentamente al principio y luego rpidamente hasta alcanzar un valor porcentual, en relacin a la intensidad de precipitacin, relativamente constante.