Pontificia Universidad Catolica de ChileFacultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Hidrulica y AmbientalCurso ICH1005 Desafos en recursos hdricos y medio ambiente

LABORATORIO N1: LLUVIA Y ESCORRENTIA

1.- Marco terico

La presente experiencia tiene como objetivo el estudio del proceso de lluvia-escorrenta, mediante la utilizacin de la Mesa Hidrolgica (ver figura 1), la cual permite representar diversos procesos hidrolgicos para su visualizacin y cuantificacin experimental.

En trminos generales, cuando la precipitacin cae sobre la superficie de la tierra, esta podra: Almacenarse (por ejemplo, sobre las hojas de los rboles, en posas, etc.) Evaporarse hacia el medio ambiente Infiltrar para humedecer el suelo y generar escurrimiento subterrneo de agua Escurrir superficialmente hasta los cauces principales de la cuenca. Una vez que ste ha comenzado, rpidamente se mueve hacia aguas abajo hasta alcanzar el riachuelo o canal ms cercano, los cuales posteriormente drenan en canales o ros principales.

Figura 1: Mesa Hidrolgica

Una vez en el cauce principal, las velocidades y profundidades del escurrimiento pueden ser medidas en una seccin transversal especfica, permitiendo el calculo del hidrograma o curva de caudal v/s tiempo. Luego de que el escurrimiento superficial cesa, las reas de almacenamiento en la cuenca y las flujos subterrneos se drenan, completando el ciclo de la precipitacin.

Sin embargo, es importante considerar la presencia de flujo base en el canal, el cual proviene del escurrimiento de agua subterrnea, el cual puede existir inclusivo en ausencia de precipitacin. As, la descarga originada por el exceso de precipitacin, despus que el agua infiltrada ha sido descontada, conforma lo que se conoce como hidrograma de escorrenta directa. En definitiva, el hidrograma total esta compuesto por la escorrenta directa ms el flujo base.

La forma del hidrograma es determinada por el tamao, la forma, la pendiente y la capacidad de almacenamiento de la cuenca, y por la intensidad y duracin del evento de precipitacin. Por un lado, la Figura 2 representa varios hidrogramas para un evento de precipitacin dado en cuencas de similar tamao, pero diferente forma y uso del suelo. Como es posible notar, la forma del hidrograma esta estrechamente relacionado a las caractersticas de la cuenca, siendo un problema fundamental, para la hidrologa, entender esas relaciones.

A) Forma alargada

B) Forma concentrada

Figura 2: Variaciones del hidrograma de respuesta segn forma y uso del suelo de la cuencaPor el otro lado, la duracin de la lluvia determina la porcin del rea de la cuenca que contribuye a la formacin del caudal mximo o peak, y la intensidad de la lluvia determina su magnitud. Es as como se define el tiempo de concentracin de una cuenca como el tiempo que tarda en llegar a la salida de la cuenca (o punto de concentracin) el agua que procede del punto hidrolgicamente ms alejado. Representa el momento a partir del cual el mximo almacenamiento de la cuenca es alcanzado y la escorrenta es constante y mxima. En cuencas naturales, esta condicin de equilibrio es raramente alcanzada debido a la variabilidad de la intensidad de precipitacin.

Como es posible apreciar en la Figura 3A, frente a un evento de precipitacin efectiva de cierta intensidad y duracin menor al tiempo de concentracin de la cuenca, se genera un aumento de la descarga (rama ascendente) a medida que se acumula el potencial de flujo. Una vez que la precipitacin se detiene, comienza la rama descendente o rama de recesin, un tanto mas paulatina dependiendo de las caractersticas de la cuenca. Por otro lado, en la Figura 3B se presenta el hidrograma de salida a un evento de duracin mayor al tiempo de concentracin de la cuenca, en el que un periodo de escurrimiento constante y mximo aparece en el grfico. En este ltimo caso, la curva de recesin del hidrograma se retrasa hasta que la tormenta se detiene.

A)B)Figura 3: Variaciones del hidrograma segn duracin del evento de precipitacin

En resumen, el hidrograma de respuesta es capaz de integrar las variaciones en los eventos de precipitacin y la fisiografa de la cuenca en una nica imagen, para un set de condiciones dadas. Por ello, es la medicin ms importante de la respuesta hidrolgica de una cuenca. Como en la realidad las cuencas tienen un alto nivel de complejidad, y con el paso de los aos varan su utilizacin del suelo (siendo generalmente urbanizadas), ha llegado a ser necesaria la utilizacin de modelos computaciones hidrolgicos para simular la respuesta de la cuenca frente a eventos de precipitacin.

2.- Otros conceptos de utilidad:

Cuenca hidrogrfica: superficie total drenada por un ro y sus afluentes aguas arriba. Se define topogrficamente por la lnea de crestas o divisorias de agua.

Precipitacin efectiva: o exceso de precipitacin, corresponde a la precipitacin que no se retiene en la superficie terrestre y tampoco se infiltra en el suelo.

Magnitud de precipitacin: es el volumen de precipitacin cada en un evento de lluvia. Generalmente se mide por rea unitaria para ser expresada en unidades de longitud (mm).

Intensidad de precipitacin: altura (volumen) de precipitacin por unidad de tiempo, generalmente se expresa en mm/h.

Escorrenta: Agua procedente de la lluvia que circula por la superficie y se concentra en los cauces o cursos de agua.

Hietograma: grfico que representa la variacin de la precipitacin en funcin del tiempo. Puede ser expresado en funcin de la magnitud de la precipitacin o de su intensidad (ver figura a continuacin).

Figura 4: Ejemplo de hietograma.

3.- Procedimiento previo

i) Leer marco terico del laboratorio.ii) Leer las pginas 509 a 514 del libro Hidrologa aplicada de Ven Te Chow (1994) referentes al mtodo racional (adjuntas al final).

4.- Actividades en el laboratorio

A) Escorrenta de una tormenta de larga duracin: simule en la mesa hidrolgica una lluvia de intensidad 1L/Min durante un minuto, con una pendiente de la cuenca del 3%.Registre el caudal de salida (con la utilizacin del vaso precipitado disponible en el laboratorio) considerando el tiempo inicial como el momento de inicio de la lluvia.A partir del hidrograma obtenido, estime el tiempo de concentracin de la cuenca.

B) Escorrenta de una tormenta de corta duracin: Simule una lluvia de 1L/Min durante un periodo equivalente al 50% del tiempo de concentracin obtenido en la experiencia anterior, en una cuenca con un 3% de pendiente.Registre el hidrograma de salida.

C) Escorrenta de una tormenta sobre una cuenca con obstculos: modifique la cuenca utilizando los bloques de madera que se encontrarn disponibles en el laboratorio. Simule un evento de precipitacin con las mismas caractersticas que la primera experiencia.

D) Relacin entre la intensidad de precipitacin y la forma del hidrograma: En la cuenca original (sin bloques y con una pendiente del 3%), simule un evento de precipitacin de 2L/Min durante 1 minuto.Registre el hidrograma de salida.