Hidrology Clase S06 CPyM
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Ing. Civil CLIFTON PAUCAR Y MONTENEGRO
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FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA
UNIVERSIDAD NACIONAL HERMILIO VALDIZÁN
HUÁNUCO - PERÚ
Curso:
Código:
Condición:
Pre - requisitos:
HIDROLOGÍA GENERAL
4105
OBLIGATORIO
ESTADISTICA Y MECANICA DE FLUIDOS II
CLASES S06 - CICLO 2015.1
Responsable de cátedra :
C. M Sc. en Ingeniería Hidráulica – UNI – Lima - Perú
Huánuco. Mayo del 2015
Escorrentía-Infiltración
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Curso: HIDROLOGÍA GENERAL – CICLO 2015 - 1
Ing. Civil CLIFTON PAUCAR Y MONTENEGRO – C. M Sc. en Ingeniería Hidráulica – UNI – Lima - Perú
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OBJETIVOS
Conocer los procesos de escorrentía e infiltración
Entender que factores regulan estos procesos
Comprender las bases físicas de la permeabilidad del suelo
ESQUEMA DE CONTENIDOS:
Generalidades
Distribución de la precipitación en el suelo
Parámetros característicos de la infiltración
Métodos de medición de la capacidad de infiltración
Factores que intervienen en la capacidad de infiltración
Ecuación de la Curva de Capacidad de Infiltración contra el
Tiempo
Fuente: HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA – Máximo Villón Béjar, 3era.Edic. Abril, 2005,Lima-Perú
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CONCEPTO DE ESCORRENTÍA
Se define como la lámina de agua que circula en una cuenca
de drenaje, medida en mm. de altura de agua de lluvia
escurrida y extendida dependiendo de la pendiente del
terreno.
La diferencia entre el volumen de agua que llueve en una
cuenca y el que escurre por su salida están constituidas por
la intercepción en el follaje de las plantas y en los techos de
las construcciones, depósitos artificiales sobre suelo natural
o recubiertos, la retención en las depresiones o charcos (que
posteriormente se evaporan o se infiltra parcial o totalmente),
la evaporación y la infiltración a nivel de cuenca.
Fuente: HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA – Máximo Villón Béjar, 3era.Edic. Abril, 2005,Lima-Perú
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CONCEPTO DE INFILTRACIÓN Y VELOCIDAD O TASA DE
INFILTRACIÓN
Se define como la cantidad de agua en movimiento que
atraviesa verticalmente la superficie del suelo producto de la
acción de las fuerzas gravitacionales y capilares, ésta
cantidad de agua quedará retenida en el suelo o alcanzará el
nivel freático del acuífero incrementando el volumen de este
Se distingue del proceso de percolación porque éste último
es el movimiento hacia abajo de agua desde o a través de la
zona no saturada hasta el nivel freático o zona saturada.
Entre los factores más importantes que afectan la velocidad
y la tasa de infiltración son:
- Características físicas de la textura del suelo
- Carga hidráulica o lámina sobre la superficie del suelo
- Contenido de materia orgánica y carbonatos en el suelo
Fuente: HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA – Máximo Villón Béjar, 3era.Edic. Abril, 2005,Lima-Perú
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CONCEPTO DE INFILTRACIÓN Y VELOCIDAD O TASA DE
INFILTRACIÓN..
- Contenido de humedad del suelo (inicial y saturación)
- Grado de uniformidad en el perfil del suelo
- Acción microbiana en el suelo
- Temperatura del suelo y del agua
- Cobertura vegetal
- Uso del suelo
- Cantidad atrapado de aire atrapado en el suelo
- Lavado del material fino
- Compactación
Fuente: HIDROLOGÍA ESTADÍSTICA – Máximo Villón Béjar, 3era.Edic. Abril, 2005,Lima-Perú
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DISTRIBUCIÓN DEL AGUA DE PRECIPITACIÓN EN EL SUELO
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PERFIL EDÁFICO DEL SUELO
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ESQUEMA REPRESENTATIVO DE LOS MECANISMOS DE
GENERACIÓN DE INFILTRACIÓN
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ESQUEMA REPRESENTATIVO DEL FRENTE DE
HUMEDAD DURANTE LA INFILTRACIÓN
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ESQUEMAS DE LAS DIFERENTES ZONAS Y FLUJOS QUE APARECEN EN EL TERRENO
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TIEMPOS ESTIMADOS DEL MOVIMIENTO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
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Uno de los objetivos principales de la Hidrología Superficial es calcular
la escorrentía se va a generar si se produce una precipitación
determinada (calcular el hidrograma que va a generar un hietograma).
El tema es muy complejo y se plantean actuaciones diversas.
Un evento concreto o continuo: A veces estudiamos qué
caudales generará cierta precipitación, o bien queremos conocer el
proceso de un modo continuo, por ejemplo, el funcionamiento de la
cuenca a los largo de un año.
Precipitaciones reales o supuestas: Podemos desear calcular los
caudales generados por precipitaciones reales o bien trabajamos
con una tormenta de diseño, para calcular el hidrograma de diseño.
Si se va a construir una obra (canal, presa….) debe hacerse sobre
caudales teóricos que calculamos que se producirán por
precipitaciones teóricas que se producirán una vez cada 5, 10, 25,
50, 100, 500, 1000 … años, dependiendo de la categoría de Obra
Hidráulica (A,B,C,D).
Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)
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En el estudio de una cuenca real con datos reales es necesario utilizar
un modelo en ordenador, en el que se introducen las características
físicas de la cuenca. En otras ocasiones es posible abordar el
problema manualmente. Separación de la lluvia neta: Calcular que parte de la precipitación caída
va a generar escorrentía superficial
Cálculo de la escorrentía producida por esa precipitación neta. Existen
diversos métodos: Método racional, Hidrogramas sintéticos, Hidrograma
Unitario, etc. El hidrograma calculado se suma al caudal base, si existía
previamente
Cálculo de la variación del hidrograma calculado en el paso anterior a
medida que circula lo largo del cauce; esto se denomina “Tránsito del
hidrograma”
Opcionalmente, y teniendo en cuenta la geometría del cauce en una zona
concreta, calcular la altura que alcanzará el agua y, por tanto, las áreas que
quedarán inundadas cuando el hidrograma calculado en los pasos
anteriores pase por allí. Se pueden realizar cálculos aproximados de la
sección inundable, pero para un cálculo fiable es necesario utilizar el
programas HEC-RAS. Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)
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PROCEDIMIENTO GENERAL 1. Hietograma
Para precipitaciones reales se obtiene de un pluviógrafo, aunque estos
cálculos no suelen realizarse con una precipitación que ya sucedió , sino
con intensidades de precipitación calculadas estadísticamente
(“precipitaciones de diseño”). Su distribución en el tiempo (la forma del
hietograma) puede calcularse o puede estar catalogada previamente
dependiendo de la zona geográfica.
2. Separación de la Precipitación neta
El cálculo de que parte de la precipitación va a generar escorrentía puede
realizarse para cada incremento de tiempo (por ejemplo: hora a hora o de 5
en 5 minutos como se indica en el esquema adjunto mostrado), o también
para todo el evento en forma conjunta (Por ejemplo: Cuando se usa el
método del Ex -Servicio de Conservación de Suelos del los EE.UU (SCS:
Soil Conservation Service) actual Servicio de Conservación de los Recursos
Naturales-SCRN del USDA, o simplemente aplicando un coeficiente de
escorrentía calculado o estimado.
Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)
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Fuente: GOULART, et al 1992
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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 3. Hidrograma
En esta fase se calcula el Hidrograma generado por la precipitación neta
(Método Racional, Hidrogramas sintéticos, Hidrograma unitario)
Al hidrograma se le añade el caudal básico si existía previamente
Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)
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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 3. Hidrograma
Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)
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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 3. Hidrograma
Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)
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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 4. Tránsito de la avenida: Retardo
y Atenuación
Si el hidrograma calculado aún
debe recorrer cierta distancia
hasta llegar a la zona de interés,
debemos calcular el tránsito de la
avenida: retardo y atenuación –
disminución del caudal punta (por
ejemplo: Método de Muskingum)
Fuente: F. JAVIER SÁNCHEZ SAN ROMÁN-DPTO. GEOLOGÍA-UNIV.SALAMANCA (ESPAÑA-2012)
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PROCEDIMIENTO GENERAL.. 5. Cálculo de la sección y de las áreas inundables
El hidrograma calculado (y, transitado) provocará una altura de inundación
que dependerá de la geometría del cauce (y de sus áreas colindantes), de
la pendiente, del tipo de cauce, etc. , cuyo comportamiento podemos
simular usando el programa Hec-RAS en cauces con pendientes menores a
6%, o aproximaciones del comportamiento del flujo usando la fórmula de
Manning.
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DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO La lluvia que cae se consume totalmente en los siguientes eventos:
a) Intercepción
b) Detención Superficial
c) Humedad del Suelo
c.1) Zona Saturada
c.2) Zona No Saturada
c.2.1.) Humedad higroscópica
c.2.2) Humedad capilar
c.2.3) Humedad Gravitacional
Índices para determinar el contenido de humedad del suelo
- Coeficiente higroscópico: Es la humedad máxima que una muestra, inicialmente seca,
absorbe cuando se pone en contacto con una atmósfera al 50% de humedad relativa y a
25° C.
- Punto de Marchitez : Es el contenido de humedad por el cual se presenta marchitez
permanente de las plantas; depende del tipo de plantas, de su edad y sistema de raíces,
del clima, del volumen del suelo, etc.
- Capacidad de Campo: Es la cantidad de agua que un suelo saturado puede retener
después de ser centrifugado con una fuerza de 1,000 g; también es la cantidad máxima
de agua que puede ser retenida por el suelo en contra de la acción de las fuerzas de
gravedad
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MECANISMOS DE RETENCIÓN DEL AGUA POR PARTE DEL SUELO
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MECANISMOS DE RETENCIÓN DEL AGUA POR PARTE DEL SUELO
Se puede observar en el
esquema adjunto, el
movimiento del agua a
medida que transcurre el
tiempo
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TIPOS DE HUMEDAD DEL SUELO E ÍNDICES RESPECTIVOS
Suelo saturado, humedad = 100%
Capacidad de campo
Coeficiente Higroscópico Suelo reseco, humedad
Punto de Marchitez
Cuando el contenido de humedad del suelo es menor que la capacidad de campo,
la diferencia entre esos dos valores es la deficiencia de humedad del suelo o
déficit de humedad, que representa el agua que el suelo tomará del total que se
infiltre en cada lluvia, antes de que aparezcan las otras componentes.
ESQUEMA REPRESENTATIVO DE TIPOS DE HUMEDAD E ÍNDICE RESPECTIVOS
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DISTRIBUCIÓN DE LA PRECIPITACIÓN EN EL SUELO.. d) Precipitación directa sobre la corriente de agua que sirve de drenaje al área
considerada
e) Agua Subterránea
f) Flujo Sub-superficial
g) Escorrentía Superficial
..... perfFlujoSubSudirectaSuperfEscTotalSuperfEsc
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MODELADO DE UNA CUENCA
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Tal como se ha mostrado en los esquemas la formación de la infiltración está
asociada a la generación de Escorrentía Directa. Hay dos modelos explicativos
de generación de la escorrentía y que están asociados al proceso de infiltración:
Modelo de Horton y Modelo de Dunne.
Modelo de Horton
Cuando existe saturación en la superficie del terreno, es decir cuando el terreno
se encharca, porque la intensidad de la precipitación es superior a la capacidad
de infiltración del terreno, se acumulará el agua en el mismo y se producirá
Escorrentía Directa. La capacidad de infiltración del terreno está relacionada
con la permeabilidad del mismo a través de la Ecuación de Darcy, originalmente
desarrollada para suelos saturados.
Donde K es la permeabilidad del terreno y h el nivel piezométrico
Siendo z la profundidad o cota geométrica y P/ɣ la altura de presiones. Si suponemos que el suelo no está sometido a un gradiente de presiones (suelo a presión atmosférica) y que la infiltración se produce por gravedad, el gradiente del nivel piezométrico coincide con el gradiente de la cota geométrica
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Modelo de Horton..
En consecuencia
En los instantes iniciales se satura la capa más superficial del suelo edáfico, por
lo que si la intensidad de precípitación es superior a la Ksat se formará
Escorrentía Directa (I>Ksat )ya que el suelo no tiene la capacidad suficiente para
“absorver” ese caudal o intensidad.
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Modelo de Dunne
Dunne (1978), explica que la generación de escorrentía Directa cuando el nivel
freático es somero por la existencia de materiales poco permeables cerca de la
superficie, o por encontrarnos cerca de los cauces de los ríos. En este caso la
infiltración conduce a que la saturación se produzca desde dichos niveles
freáticos desplazándose y alcanzando la superficie. En ese instante toda la
precipitación se convierte en Escorrentía Directa.
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Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración El concepto de capacidad de Infiltración es aplicado al estudio de la infiltración para
diferenciar el potencial que el suelo tiene de absorber agua a través de su superficie, en
términos de lámina de tiempo, de la tasa real de infiltración que se produce cuando hay
disponibilidad de agua para penetrar en el suelo.
Una curva de tasas reales de infiltración, solamente coincide con la curva de las capacidades
de infiltración de un suelo cuando el aporte superficial de agua, proveniente de la
precipitación y de escurrimientos superficiales de otras áreas, tiene una intensidad superior o
igual a la capacidad de infiltración
Cuando cesa la infiltración, parte del agua en el interior del suelo se propaga a las capas
más profundas y una parte es transferida a la atmósfera por evaporación directa o por
evapotranspiración. Ese proceso hace que el suelo vaya recuperando su capacidad de
infiltración, tendiendo a un límite superior a medida que las capas superiores del suelo van
perdiendo humedad
Si la precipitación presenta una intensidad menor a la capacidad de infiltración, toda el agua
penetra el suelo, provocando una progresiva disminución de su capacidad de infiltración, ya
que el suelo se está humedeciendo. Si la precipitación continua, puede ocurrir, dependiendo
de su intensidad, un momento en que la capacidad de infiltración disminuye tanto que su
intensidad se iguala a la de la precipitación. A partir de ese momento, manteniéndose la
precipitación, la infiltración real iguala a la capacidad de infiltración, que pasa a decrecer
exponencialmente en el tiempo tendiendo a un valor mínimo. La parte no infiltrada de la
precipitación escurre superficialmente hacia área más bajas, pudiendo infiltrar nuevamente si
hubiera condiciones.
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Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración..
CURVAS DE CAPACIDAD Y TASAS DE INFILTRACIÓN
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Capacidad de Infiltración y Tasa de Infiltración… Cuando termina la precipitación y no hay más aporte superficial la tasa de infiltración real se
hace cero rápidamente y la capacidad de infiltración vuelve a crecer, porque el suelo
continúa perdiendo humedad hacia las capas más profundas, además de las pérdidas por
evapotranspiración. Los valores de infiltración dependerán del espacio y del tiempo.
Se muestra en la Tabla adjunta valores promedios de capacidad de infiltración para distintos
tipos de suelos
Tipo de Suelo Capacidad de Infiltración (mm/h)
Arena 50
Limo Arenoso 25
Limo Arcilloso 12
Tabla de: VALORES PROMEDIOS DE INFILTRACIÓN
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Ecuaciones para el cálculo de la Infiltración puntual Existen diversas ecuaciones para estimar la infiltración. Entre ellas tenemos las de Horton,
Philip y Green–Ampt, que se presentan a continuación, todas ellas desprecian la carga de una
eventual lámina de agua sobre el suelo.
1) Ecuación de Horton (1939)
Donde:
t = tiempo pasado desde la saturación superficial del suelo
k= constante de decaimiento [ T -1 ]
It= Tasa de infiltración en el tiempo t
Ii= Tasa de infiltración inicial (t=0)
Ib=Tasa mínima de infiltración (asintótica)
2) Ecuación de Philip (1957)
Donde:
T es el tiempo pasado desde el inicio de la infiltración y C, A, D y E son coeficientes
que dependen del medio poroso.
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Ecuaciones para el cálculo de la Infiltración puntual Existen diversas ecuaciones para estimar la infiltración. Entre ellas tenemos las de Horton,
Green –Ampt, y Philip que se presentan a continuación, todas ellas desprecian la carga de una
eventual lámina de agua sobre el suelo.
3) Ecuación de Green-Ampt (1911)
Donde:
f= tasa de velocidad de infiltración [ LT -1 ]
K´=Conductividad hidraulica saturada aparente del suelo [ LT -1 ]
L = Profundidad [ L ] ϕf = potencial capilar que paso de cero a un valor f del frente húmedo
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MÉTODOS DE LA MEDICIÓN DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
A. MÉTODOS DIRECTOS
1) Infiltrómetros
1.1) Tubos
Es un tubo cilíndrico de 0.20 a 0.30 m. de diámetro y un alto de o.60 m. que
se hinca en el suelo midiendo el descenso del agua, con el principal
inconveniente que el agua infiltrada por el círculo del fondo, en las zonas del
suelo a los lados del aparato participan también en la infiltración; dando
medias superiores a la realidad
1.2) Anillos concéntricos
Son dos anillos concéntricos, usándose el interior de 23 cm. De diámetro
para determinar la velocidad de infiltración, mientras que el exterior de 35 cm,
se inunda a las mismas profundidades, para disminuir los efectos de frontera en
el anillo interior. Los anillos se insertan en el suelo a la profundidad mínima
necesaria para evitar las fugas de los mismos. La medición es menor que la
anterior y más concordante con la capacidad del suelo.
1) Lisímetros
2) Simuladores de lluvia
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MÉTODOS DE LA MEDICIÓN DE CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN
B. MÉTODOS INDIRECTOS
Se determina la capacidad de infiltración considerando una cuenca
perfectamente controlada, con datos precisos de precipitación, evaporación y
escorrentía, pudiéndose determinar la infiltración
Los ensayos mas simples y difundidos son los que se desarrollan con los
anillos concéntricos. Los datos obtenidos de campo se vuelcan en una planilla
registrándose las distintas alturas de agua y los tiempos correspondientes.
Los intervalos de tiempo dependen del suelo donde se hace la medición. Con
los datos de altura y tiempo se obtienen los deltas de ambos.
La capacidad de infiltración se obtiene haciendo el cociente entre cantidad de
agua infiltrada y el intervalo de tiempo: f = Variación de altura/Variación de
tiempo
Se obtienen dos curvas: de lámina acumulada y al curva de capacidad de
infiltración, ambas en función del tiempo
Escorrentía-Infiltración
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CURVAS DE LÁMINA ACUMULADA Y CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN EN FUNCIÓN
DEL TIEMPO
f= Variación altura / variación tiempo
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MEDICIÓN DE ANCHO Y PROFUNDIDAD DE LA ZONA HUMEDECIDA LUEGO DE UNA
MEDICIÓN DE INFILTRACIÓN REALIZADA EN SUELO MUY SECO USANDO UN
INFILTRÓMETO DE ANILLO SIMPLE (TUBO)
Escorrentía-Infiltración
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VALIDACIÓN DE UN ESTUDIO DE BALANCE HÍDRICO
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Precipitación
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE
INFILTRACIÓN Existen varios factores que influyen tanto en el origen de la Infiltración como en la
cantidad de agua infiltrada. Los factores que influyen en la infiltración del suelo son
los siguientes
1) La Precipitación.- es un factor externo a las propiedades del terreno. La
existencia dela precipitación es la causa que exista infiltración, siempre y
cuando se supere un cierto umbral mínimo exigible.
2) La Temperatura.- Si la Temperatura del suelo es suficientemente baja para
producir la congelación del agua recibida, la capa helada impide o dificulta la
infiltración
3) El contenido inicial de humedad.- En el suelo tiene una gran influencia. Si el
terreno está muy seco, a la acción de la gravedad, se une una fuerte tensión
capilar con lo que aumenta la infiltración. A medida que el terreno se humedece
se hinchan las arcillas y coloides y se reduce el tamaño de los poros y la
capacidad del suelo para infiltrar. Por otra parte, a medida que se alcanza la
capacidad de retención del suelo, se admitirá menos cantidad de agua ya que
existirá menos gradiente piezométrico y, en consecuencia, menos flujo de
entrada.
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Precipitación
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE
INFILTRACIÓN.. 4) Las condiciones de superficie del terreno.- La permanencia estática del
agua en el terreno favorece la infiltración, ya que se da tiempo para que el
agua se infiltre, por ello factores que evitan esa permanencia de agua en forma
de detención superficial en el terreno perjudicarán a la infiltración. Así pues, la
pendiente del terreno favorece el tránsito del agua caída en forma de
escorrentía superficial; a mayor pendiente menor tiempo de tránsito superficial
del agua y menor permanencia de agua en el terreno. Por otro lado la
vegetación favorece la retención del agua, lo que aumenta el tiempo de
permanencia del agua en el terreno y, en consecuencia, al infiltración. La
compactación del terreno por animales o intervención humana, arado de la
tierra, formación de grietas por acción de las raíces de la plantas, son otros de
los factores que define las condiciones de infiltración.
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Precipitación
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAPACIDAD DE
INFILTRACIÓN… 5) Permeabilidad del terreno.- Es la velocidad de infiltración para un gradiente
unitario de carga hidráulica en un flujo saturado a través de un medio poroso.
La permeabilidad puede ser afectada por otros factores como la cobertura
vegetal, compactación del suelo, la infiltración de agua, etc. No depende de las
condiciones de contorno, pero si principalmente del tamaño y distribución de
los granos del suelo y de la temperatura del agua.
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Precipitación
ACTIVIDADES A DESARROLLAR PARA EL TRABAJO ESCALONADO
En el Expediente Técnico del proyecto que evalúa, determinar: 1) Verifique si el hietograma, hidrograma y tránsito de la avenida (Retardo y
Atenuación) generado en el cálculo hidráulico del Proyecto cuyo Expediente Técnico
evalúa caracteriza en forma eficiente el proceso de precipitación-escorrentía en el
ámbito del proyecto. Deberá responder entre otras interrogantes los siguiente:
¿Considera que los intervalos de tiempos y el Periodo de Retorno (T), propuestos
para calcular la intensidad de la precipitación y el caudal escurrimiento
respectivamente son los adecuados?¿Por qué?. ¿Qué método se ha usado para
determinar la intensidad de la lluvia?¿Cuáles cree que han sido sus atributos para
aplicarlo en el ámbito de influencia del proyecto que evalúa. Si no está de acuerdo
con el método empleado, explique el por qué?. Describa la información y el
procedimiento metodológico que aplicaría, indicando la fuente de procedencia,
proceso de adquisición (si se trata de software), usos y aplicaciones. Comente los
resultados en comparación con los que inicialmente se consideraron en el
Expediente Técnico.
2) Verifique, el método empleado para determinar la capacidad y tasa de infiltración en
el PIP que evalúa. En caso de que el Expediente Técnico que evalúa no cuenta con
dicho cálculo, responda si era o no necesario desarrollarlo, explicando el ¿Por qué?.