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HIDROLOGÍA BÁSICA Capítulo 1 Gustavo A. Silva Medina Edición actualizada (2015) _____________________________________________________________________________________ 1 G Silva M Hidrología Básica - 2015 GUSTAVO ADOLFO SILVA MEDINA Ingeniero Civil de la Universidad Nacional de Colombia. Promoción 1963. Realizó estudios de especialización en Hidrología, Hidráulica, Aplicación de Sistemas en Recursos Hidráulicos, Aguas Subterráneas e Hidráulica Marítima en las Universidades Nacional de Colombia (1965), Oriente de Venezuela (1969) y New South Wales de Sydney, Australia (1970). Ha sido Profesor Asociado de la Unidad de Hidráulica (1965-1995), Jefe del Laboratorio de Hidráulica y de la Unidad de Hidráulica (1972-1975), Director de los Programas Académicos de Postgrado de Ingeniería Civil (1975-1976) en la Universidad Nacional de Colombia. En 1993 recibió la Medalla al Mérito Universitario otorgada por la Universidad Nacional de Colombia. Se ha desempeñado como Conferencista en cursos cortos: Generación Hidroeléctrica (Pontificia Universidad Javeriana), Hidráulica Marítima (Universidad de Cartagena), Hidráulica Fluvial (Universidad del Cauca) y como Profesor de Cátedra en Hidrología e Hidráulica: Universidad La Gran Colombia, Universidad de La Salle, Universidad Santo Tomás y Escuela colombiana de Ingeniería, entre 1976 y 1982. Actualmente es Consultor particular en Hidrología e Ingeniería Hidráulica: Generación Hidroeléctrica, Riego y Drenaje, Ingeniería de Ríos, Socavación y Sedimentación, Drenaje de Vías, Control de Inundaciones, Diseño hidráulico de Puentes, Cruces Subfluviales y Elevados de Oleoductos.

Hidrología Básica-cp 1

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El Texto de Hidrología Básica fue publicado entre 1973 y 1998 por el Autor para Estudiantes de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia.Este trabajo ha sido complementado y actualizado para su publicación en Internet, con la esperanza de que sea útil para los Ingenieros que consultan la Red de Información.Hoy publico el Capítulo 1, y seguiré con los demás capítulos en el futuro inmediato, en la medida en que vaya actualizando el resto de la obra.

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  • HIDROLOGA BSICA Captulo 1 Gustavo A. Silva Medina

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    GUSTAVO ADOLFO SILVA MEDINA Ingeniero Civil de la Universidad Nacional de Colombia. Promocin 1963.

    Realiz estudios de especializacin en Hidrologa, Hidrulica, Aplicacin de Sistemas en Recursos Hidrulicos, Aguas Subterrneas e Hidrulica Martima en las Universidades Nacional de Colombia (1965), Oriente de Venezuela (1969) y New South Wales de Sydney, Australia (1970). Ha sido Profesor Asociado de la Unidad de Hidrulica (1965-1995), Jefe del Laboratorio de Hidrulica y de la Unidad de Hidrulica (1972-1975), Director de los Programas Acadmicos de Postgrado de Ingeniera Civil (1975-1976) en la Universidad Nacional de Colombia. En 1993 recibi la Medalla al Mrito Universitario otorgada por la Universidad Nacional de Colombia. Se ha desempeado como Conferencista en cursos cortos: Generacin Hidroelctrica (Pontificia Universidad Javeriana), Hidrulica Martima (Universidad de Cartagena), Hidrulica Fluvial (Universidad del Cauca) y como Profesor de Ctedra en Hidrologa e Hidrulica: Universidad La Gran Colombia, Universidad de La Salle, Universidad Santo Toms y Escuela colombiana de Ingeniera, entre 1976 y 1982. Actualmente es Consultor particular en Hidrologa e Ingeniera Hidrulica: Generacin Hidroelctrica, Riego y Drenaje, Ingeniera de Ros, Socavacin y Sedimentacin, Drenaje de Vas, Control de Inundaciones, Diseo hidrulico de Puentes, Cruces Subfluviales y Elevados de Oleoductos.

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    PRLOGO. Durante su vida sobre la tierra el hombre ha sido testigo, muchas veces sin entenderlo, del desarrollo del ciclo del agua en la naturaleza. La distribucin de los climas, la formacin de las nubes y su inestabilidad, la produccin de las lluvias, la variacin de los niveles de los ros, y el almacenamiento de agua en depsitos superficiales o subterrneos son temas en cuyo estudio se ha venido profundizando a lo largo de los aos, conformando una rama de la fsica que se conoce como Hidrologa. La Hidrologa en su definicin ms simple es la ciencia que estudia la distribucin, cuantificacin y utilizacin de los recursos hdricos que estn disponibles en el globo terrestre. Estos recursos se distribuyen en la atmsfera, la superficie terrestre y las capas del suelo. Como ha ocurrido con otras ciencias, a medida que los estudios hidrolgicos se fueron desarrollando, fue necesario dividir el tema general en una serie de tpicos especializados e interdisciplinarios que se agruparon bajo el nombre de Planeamiento de los Recursos Hidrulicos. En el planeamiento se incluyen como temas principales la Meteorologa, la Hidrologa Superficial y la Hidrologa del Agua Subterrnea. Los aspectos que tienen una relacin muy estrecha con los anteriores en la planeacin de proyectos de ingeniera son Geografa Fsica y Econmica, Hidrulica Fluvial, Hidrulica Martima, Geologa, Geotecnia, Estadstica, Teora de Probabilidades, e Ingeniera de Sistemas. La Meteorologa trata de los fenmenos que se desarrollan en la atmsfera y de la relacin que existe entre los componentes del sistema solar. La Hidrologa Superficial se limita al estudio de la distribucin de las corrientes de agua que riegan la superficie de la tierra y de los almacenamientos en depsitos naturales como lagos, lagunas o cinagas. A su vez, la Hidrologa del Agua Subterrnea estudia los almacenamientos subterrneos, llamados tambin acuferos. El texto de Hidrologa Bsica est dirigido al anlisis de la Hidrologa Superficial. En los nueve captulos en que se ha dividido el tema se presentan los conceptos bsicos sobre clima, lluvias, y generacin, distribucin y cuantificacin de los caudales de los ros, teniendo en cuenta la interrelacin que existe entre los fenmenos atmosfricos, la superficie terrestre y las capas de suelo. El captulo primero es una introduccin general que contiene la definicin del ciclo del agua en la naturaleza y trata sobre la distribucin de los recursos hdricos en el globo terrestre. En el captulo segundo se presentan los fenmenos meteorolgicos que tienen relacin directa con el clima, la precipitacin y la generacin de caudales. El captulo tercero est dedicado al procesamiento de la informacin pluviomtrica, desde las tcnicas de medicin hasta la conformacin de series histricas. La importancia de los caudales superficiales dentro de los proyectos de ingeniera, su relacin con los depsitos de agua subterrnea, los mtodos de medicin y la formacin de series de caudales medios y extraordinarios constituyen los temas que se analizan en el captulo cuarto. En el captulo quinto se presentan mtodos de anlisis que relacionan lluvias, caudales e ndices de infiltracin, con base en la sntesis de aguaceros y caudales observados. La importancia de la estadstica en los estudios hidrolgicos de series histricas y la aplicacin de la ingeniera de sistemas en los prediccin de los fenmenos que pueden incidir en la operacin futura de obras de ingeniera son aspectos que se tratan en el captulo sexto, en el cual se presenta adicionalmente una introduccin a la Hidrologa Estocstica. Los captulos sptimo y octavo estn dedicados al estudio de crecientes y a la determinacin de caudales de diseo para drenajes, puentes, aliviaderos y obras de proteccin contra ataque de ros.

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    Por ltimo el captulo noveno presenta los mtodos convencionales de clculo de volmenes de almacenamiento en embalses y su aplicacin en proyectos de conservacin y suministro para consumo humano y distritos de riego. Como se aprecia en el texto, se ha hecho nfasis principalmente en la descripcin de los fenmenos fsicos, en las tcnicas de medicin, y en la aplicacin de los mtodos hidrolgicos convencionales en el desarrollo de proyectos de Ingeniera relacionados con suministro de agua, generacin de energa, drenaje y proteccin contra las inundaciones. El autor deja expresa constancia de su agradecimiento a la Unidad de Hidrulica, el Departamento de Ingeniera Civil y la Oficina de Publicaciones de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogot, por su invaluable colaboracin en la revisin, diagramacin y publicacin de los textos de esta publicacin desde su primera aparicin en 1973 hasta la ltima edicin que se public en la Facultad de Ingeniera de la Universidad Nacional en 1998. Esta publicacin (2015) presenta una revisin y actualizacin de la Edicin de 1998 que es la ltima que patrocin la Universidad Nacional de Colombia, y su realizacin se debe al trabajo del Autor.

    Mosaico Sydney 1970

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    CAPITULO 1 1.1 DEFINICION. En general, la hidrologa se define como la ciencia que estudia el ciclo del agua en la naturaleza y la distribucin de los recursos hdricos superficiales y subterrneos. Su aplicacin en los proyectos de Ingeniera, sin embargo, est limitada por las necesidades de los proyectos y por las caractersticas geogrficas de las zonas que se van a afectar por la construccin de obras civiles. 1.2.- OBJETIVOS DE LOS ESTUDIOS HIDROLOGICOS. Los proyectos que utilizan el agua como componente bsico para lograr sus propsitos son los siguientes:

    - Acueducto y alcantarillado - Riego y drenaje. - Energa hidroelctrica. - Puentes y drenaje de vas. - Control de inundaciones. - Navegacin. - Recreacin.

    En el desarrollo de este tipo de proyectos los estudios hidrolgicos deben suministrar informacin sobre los siguientes aspectos:

    - Capacidad de la fuente que deber suministrar la demanda. - Magnitud de los eventos extremos que pueden poner en peligro la estabilidad de las

    obras de captacin, almacenamiento y conduccin. - Transporte de sedimentos hacia las obras de captacin y almacenamiento.

    La fuente de suministro puede ser un ro o un depsito subterrneo. En el primer caso el estudio cae dentro del campo de la Hidrologa Superficial; en el segundo se entra en el dominio de la Hidrologa del Agua Subterrnea. En esta publicacin se desarrolla el tema de la Hidrologa Superficial y se toca tangencialmente la Hidrologa del Agua Subterrnea. 1.3. CICLO HIDROLOGICO. El ciclo del agua, o ciclo hidrolgico, explica el campo de aplicacin de la Hidrologa y su relacin con otras disciplinas como la Meteorologa, Oceanografa, Hidrulica, Geotecnia, Ciencias Naturales, etc. El ciclo comprende la circulacin del agua desde los ocanos hasta la atmsfera, luego a los continentes y nuevamente a los ocanos. Esquemticamente, esta circulacin se presenta en la Figura No. 1.1. En desarrollo del ciclo hidrolgico el agua es transportada mediante procesos de evaporacin, transpiracin, circulacin atmosfrica, condensacin, precipitacin, flujo superficial y subterrneo, y ocupa los almacenamientos que encuentra en su recorrido, tomando en cada caso el estado que corresponde a las condiciones imperantes de temperatura y presin. De esta forma, toma el estado lquido en ocanos, lagos, embalses, ros y acuferos; el estado slido en los glaciares y en los nevados, el estado gaseoso en la atmsfera y los estados slido y lquido en las nubes.

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    Figura No. 1.1 CICLO HIDROLGICO

    1.4. VOLUMEN DE AGUA EN EL CICLO HIDROLOGICO. La Hidrologa estudia la disponibilidad y las posibilidades de aprovechamiento del recurso agua en zonas determinadas y analiza las necesidades de los habitantes de estas zonas en lo referente a suministro de agua para consumo humano, usos agropecuarios, generacin de energa, manejo y disposicin de aguas servidas, desarrollo de programas tursticos y proteccin contra los ataques de las corrientes naturales y contra las inundaciones. Adems, hace parte de la elaboracin de estudios de factibilidad y de diseo para la construccin de obras hidrulicas. Dentro de dichos estudios es muy importante el anlisis del impacto ambiental y de la relacin que existe entre la zona del proyecto y sus vecinos; en efecto, la realizacin de un proyecto que utilice los Recursos Hidrulicos de una regin no puede causar deterioro de las calidades ambientales existentes ni desmejorar las condiciones de los vecinos. 1.4.1. Magnitud de los Recursos Hidrulicos De acuerdo con estimativos publicados por la UNESCO en 1978 (Ref. 6, 9) el volumen total de agua que existe en el globo terrestre es de 1.386.000.000 kilmetros cbicos aproximadamente. Este valor es similar al que present R. L. Nace, investigador del U. S. Geologycal Survey (Ref. 1) en1969. En la Tabla 1.1 se presenta un resumen de los valores publicados por la UNESCO.

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    TABLA 1.1

    RECURSOS HIDRAULICOS EN EL GLOBO TERRESTRE

    Componente Volumen Porcentaje del total

    Km3 %

    Agua total 1.385.984.610 100.00

    Agua salada 1.350.955.400 97.47

    Agua dulce 35.029.210 2.53

    El agua salada incluye los volmenes almacenados en los ocanos, en los acuferos costeros y en los lagos salados. Es un volumen muy grande que permanece en gran parte sin utilizacin por parte de los proyectos de ingeniera. Algunas pequeas cantidades de agua salada son sometidas a procesos de desalinizacin para suplir las necesidades de agua dulce en zonas donde no existe otra forma de aprovisionamiento; estos procedimientos resultan actualmente muy costosos. La verdadera importancia del agua salada est en el mantenimiento de la fauna y de la flora marina, en la explotacin pesquera y en las facilidades que presenta para la navegacin interocenica con grandes barcos.

    La utilizacin del agua por parte de los ingenieros se ha dirigido principalmente hacia la explotacin del agua dulce debido a que necesita tratamientos menos costosos que los del agua salada para ponerla en condiciones de uso. Sin embargo, una parte importante del agua dulce no puede utilizarse fcilmente porque est almacenada en estado slido en glaciares que estn muy apartados de los sitios que la necesitan. En la Tabla 1.2 se observa la forma como se distribuye el agua dulce en el globo terrestre.

    TABLA 1.2 DISTRIBUCION DEL AGUA DULCE EN EL GLOBO TERRESTRE

    Componente Volumen Porcentaje

    Km3 %

    Agua dulce 35.029.210 100.00

    Agua dulce no utilizable 24.378.020 69.59

    Agua dulce superficial 104.590 0.30

    Agua subterrnea 10.547.000 30.11

    97.47%

    2.53%

    Agua Salada Agua Dulce

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    El agua dulce no utilizable es la que no est disponible en forma lquida para su aprovechamiento inmediato en proyectos de ingeniera; est comprendida por los glaciares, la nieve que cubre los picos nevados y la humedad atmosfrica. El agua que est congelada en los glaciares es una gran reserva de agua dulce que podra explotarse parcialmente en el futuro, a un costo muy elevado, cuando las disponibilidades de agua superficial y de agua subterrnea resulten insuficientes para abastecer el consumo mundial. Actualmente se presentan agrietamientos en los glaciares y desprendimientos de bloques de hielo, de una magnitud relativamente insignificante en comparacin con el volumen total del agua almacenada, que viajan como icebergs sobre el ocano y al derretirse entran a formar parte de las aguas marinas. No se puede ignorar el hecho de que un cambio brusco de temperatura a nivel global puede generar el descongelamiento de los glaciares con lo cual se aumentara el total de agua de mar, pero a su vez se pondra en riesgo de inundacin una amplia franja de terrenos adyacentes al mar. Las aguas que estn almacenadas como vapor en la atmsfera y las que se acumulan sobre los picos nevados representan volmenes muy pequeos que varan durante el ao de acuerdo con los cambios que se generan por causa de los procesos termodinmicos que se cumplen en la atmsfera. En el agua dulce superficial se consideran los volmenes que pertenecen a los ros, lagos, embalses y pantanos; estos volmenes son los preferidos como fuentes de suministro en los proyectos de ingeniera. Sin embargo, como el agua dulce superficial no est repartida igualmente sobre el globo terrestre, existen muchas zonas del mundo que tienen exceso de aguas superficiales, otras que no tienen acceso a estas aguas en la cantidad que las requieren, y otras que no tienen ninguna posibilidad de encontrarlas.

    Por ltimo, el volumen de agua subterrnea corresponde al 30.11 % del volumen de agua dulce y su magnitud es 100 veces mayor que la del agua superficial. Representa la nica fuente de agua confiable en algunas de las zonas ridas del mundo, pero desafortunadamente su utilizacin plena tiene numerosos obstculos que dependen de factores econmicos y tcnicos por cuanto ms del 50% del total de agua subterrnea se encuentra por debajo de 800 metros de profundidad y su explotacin resulta difcil y costosa.

    69.59%

    0.30%

    30.11%

    No utilizable Superficial Subterrnea

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    1.4.2. Distribucin del agua sobre la tierra El agua no est distribuida uniformemente sobre la superficie del globo terrestre porque existen factores de tipo meteorolgico, astronmico, geogrfico, orogrfico y geolgico que la regulan. Por esta razn existe exceso de agua durante todo el ao en algunas zonas, dficit permanente de agua en otras, y perodos secos y hmedos intercalados en el resto. En 1900 el Dr. Vladimir Koppen (Refs. 4, 8) present una clasificacin climatolgica, relacionada con las caractersticas de temperatura y precipitacin, que permite tener una visin acerca de la distribucin de los recursos hidrulicos sobre el globo terrestre. La clasificacin de Koppen reduce a cinco grandes grupos las diferentes variedades de climas que se presentan en el mundo. A. Climas hmedos tropicales. Estn comprendidos principalmente entre los 30 de Latitud

    Norte y los 30 de Latitud Sur. B. Climas secos. Cubren parcialmente zonas que van entre 10 y 35 de Latitud Norte en

    Amrica, Asia y Africa, y entre 15 y 30 de Latitud Sur en Amrica, Africa y Australia. C. Climas hmedos mesotrmicos. Se observan entre 30 y 40 de Latitud Norte y entre 30 y

    60 de Latitud Sur. D. Climas hmedos microtrmicos. Estn localizados entre 40 y 70 de Latitud Norte. E. Climas polares. Tienen presencia por encima de los 70 de Latitud Norte.

    Estos grupos y sus caractersticas se presentan en la Tabla 1.3.

    TABLA 1.3 CLASIFICACIN DEL CLIMA SEGN KOPPEN

    GRUPO CLIMTICO CARACTERSTICAS TIPO CLIMTICO PRECIPITACIN

    A. CLIMAS HMEDOS TROPICALES

    Se presentan en zonas de alta precipitacin, con temperaturas medias mensuales por encima de 18 C.

    Af, Hmedo tropical (bosque lluvioso) Am, Hmedo tropical (Monsoon) Aw, Tropical (Savanna)

    No hay estacin seca. Estacin hmeda larga y corta estacin seca. Combina lluvias y sequas

    B. CLIMAS SECOS

    Zonas semiridas y ridas, en las cuales la evaporacin excede a la precipitacin.

    BS, Semirido (Estepa) BW, rido (Desierto)

    Corta estacin seca Constantemente seco

    C. CLIMAS HMEDOS MESOTRMICOS

    Zonas lluviosas, con perodos cortos de invierno y temperaturas medias mensuales que varan entre 0 y 18 C en los meses ms fros.

    Cs, Verano seco (Mediterrneo) Ca, Hmedo subtropical (verano hmedo) Cb, Marino (Verano fro)

    Verano seco, invierno lluvioso Llueve todo el ao pero mayores en verano Lluvias todo el ao, pero mayores en invierno

    D. CLIMAS HMEDOS MICROTRMICOS

    Zonas lluviosas, con perodos largos de invierno y temperaturas medias inferiores a 0 C en los meses fros y mayores de 10 C en los clidos.

    Da, Hmedo continental (Verano clido) Db, Hmedo continental (Verano fro) Dc, Sub rtico (Boreal)

    Llueve todo el ao, pero ms en verano. Nieve en invierno. Llueve todo el ao, pero ms en verano. Largo perodo de nieve. Poca lluvia en el ao; mayor en verano.

    E. CLIMAS POLARES

    No tienen estaciones clidas. Los meses ms calientes tienen temperaturas inferiores a 0 C.

    ET, rtico (Tundra) EF, Capa de hielo

    Poca precipitacin en el ao. Subsuelo congelado. Poca precipitacin en el ao. Superficie cubierta permanente por nieve y hielo.

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    1.4.3. Factores que influyen en la utilizacin del agua Como el agua es uno de los elementos imprescindibles para la conservacin de la vida en el planeta es muy importante conocer dnde se encuentra, cul es su magnitud, qu procedimientos deben aplicarse para su utilizacin y conservacin, y cules son las tcnicas que se emplean para que pueda asegurarse una adecuada distribucin de este recurso entre sus diferentes usuarios. En realidad los usuarios somos todos los habitantes del globo terrestre, pero las cantidades de agua que cada uno puede utilizar dependen de factores geogrficos, tcnicos, polticos y econmicos. Los factores geogrficos tienen que ver con la disponibilidad del agua, su calidad y su variacin en el tiempo, y con la influencia que el agua puede tener en la ocurrencia de catstrofes que se generan por lluvias intensas, sismos o erupciones volcnicas. El tratamiento prctico de estos factores se realiza dentro de una serie de estudios de Cartografa, Geotecnia e Hidrologa, los cuales son esenciales en el desarrollo de cualquier proyecto que tenga como objetivo el aprovechamiento y el control de los Recursos Hidrulicos. Los estudios de cartografa incluyen el anlisis de mapas generales, la interpretacin de aerofotografas y de fotos satelitales de la regin que tiene influencia sobre el proyecto que se estudia, las visitas de reconocimiento del terreno y la ejecucin de levantamientos topogrficos y batimtricos detallados a lo largo de corrientes naturales seleccionadas previamente y en reas especficas que son de inters para el diseo de las obras hidrulicas que se consideren necesarias. Con la informacin que entrega la cartografa se determinan las fuentes de abastecimiento, las reas que se van a beneficiar con el proyecto, las corrientes naturales de drenaje y sus reas vertientes, y los sistemas de captacin, tratamiento, conduccin y distribucin del agua. La influencia del agua en los deslizamientos de tierra tiene que ver con la presencia de agua en exceso en taludes inestables. El agua penetra por infiltracin desde zonas de recarga y si los taludes no tienen drenajes apropiados entonces parte del agua se acumula dentro del suelo y facilita la generacin de deslizamientos cuando se presentan fenmenos extremos como lluvias intensas, sismos o erupciones volcnicas. Los estudios cartogrficos, geotcnicos e hidrogeolgicos detallados de las zonas inestables que pueden ocasionar deslizamientos son de vital importancia en estos casos. Las inundaciones se presentan en los tramos de baja pendiente de los cauces de las corrientes naturales debido al paso de crecientes que se generan en las cabeceras de las hoyas vertientes de las corrientes principales y de sus afluentes. Las magnitudes de las inundaciones se incrementan cuando se suman caudales slidos producidos por erosin pluvial, deslizamientos de taludes inestables o materiales de gran tamao entre los que se cuentan troncos de rboles y piedras. Durante los trabajos de campo se delimitan las zonas inundables que pueden afectar el rea del proyecto y se hacen estimativos sobre los niveles de inundacin histricos; para eso se cuenta con los reportes de entidades pblicas y privadas, encuestas entre los habitantes ribereos y mediciones de campo. En proyectos que utilizan aguas superficiales los estudios de hidrologa comienzan con la delimitacin del rea que va a recibir los beneficios del proyecto y con la localizacin de las corrientes naturales que cruzan o limitan el rea y de aquellas cercanas que pueden utilizarse como fuentes de abastecimiento. Luego se analiza la informacin cartogrfica, se delimitan las hoyas vertientes de las corrientes naturales, se definen sus caractersticas morfomtricas y se recopila informacin sobre antecedentes histricos, uso del suelo, geologa e hidrometeorologa. Por ltimo, se procesa toda la informacin, aplicando las tcnicas hidrolgicas que son apropiadas para cada caso particular y se obtienen los resultados.

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    Cuando se trata de explotacin de aguas subterrneas entonces el estudio hidrolgico comprende, adems de la hidrologa superficial un anlisis de la existencia de los acuferos que pueden utilizarse como fuentes de suministro de agua. En este anlisis se procede a la recopilacin de informacin sobre los pozos y aljibes que han sido perforados en el rea y en la regin, estudios detallados de geologa, medicin y anlisis de niveles freticos, investigacin geofsica y geoelctrica, y perforacin e investigacin de pozos de prueba. Los factores tcnicos tienen que ver con las facilidades que se encuentren en el terreno para localizar y adaptar sitios de captacin, embalses de almacenamiento, conducciones en canales y en tuberas, plantas de tratamiento, etc. Muchas veces, a pesar de que una fuente tenga capacidad en exceso para suplir las necesidades de la demanda hay que descartarla porque la localizacin adecuada de las obras civiles resulta ser una empresa prcticamente imposible o demasiado costosa. Los factores polticos y econmicos (Ref. 5) son muy importantes en el desarrollo de los proyectos de suministro y control de agua que benefician a la comunidad debido a que es el Estado quien tiene los recursos para financiarlos y la obligacin de ejecutarlos. Las polticas que se proponen dentro de los Planes de Desarrollo reglamentan cules proyectos tienen prioridad durante cada perodo de gobierno. Corresponde, entonces, a las comunidades, los alcaldes y los gobernadores preparar los estudios preliminares y justificar las demandas de agua o las defensas contra los ataques de los ros para lograr que determinados proyectos queden incluidos en los planes de desarrollo. Se exceptan del manejo poltico los proyectos relativamente pequeos que realizan empresas particulares para captar agua con destino a fines industriales. Sin embargo estos proyectos tienen controles en cuanto a las cantidades de agua que pueden captar y a los impactos ambientales que ocasionan. 1.4.4. Requerimientos de agua en los Proyectos de Ingeniera Los volmenes de agua que se manejan en los Proyectos de Ingeniera son muy bajos si se comparan con los volmenes totales de las Tablas 1.1 y 1.2. Por ejemplo, para suministrar agua potable a una ciudad de 10 millones de habitantes se requiere un caudal aproximado de 24 m3/s, lo que representa un volumen diario de 2 millones de metros cbicos (2 MMC). Si hubiera necesidad de embalsar un volumen de reserva equivalente al gasto durante un mes se requerira un embalse de 60 MMC; este valor equivale a 0.06 kilmetros cbicos. De otro lado, los embalses que se construyen en los sistemas de generacin de energa hidrulica son ms grandes y pueden tener volmenes entre 30 y 2000 MMC como norma general, aunque existen algunos en el mundo que superan estas cifras. Un volumen de 2000 MMC equivale a 2 kilmetros cbicos de agua. Como se aprecia en el anlisis anterior los proyectos individuales manejan cantidades reducidas de agua. Sin embargo, a nivel global es probable que las continuas demandas de agua por el incremento de la poblacin mundial y por las necesidades de la industria alcancen valores prximos al de la cantidad total de agua dulce superficial, lo cual obligar a la explotacin de aguas subterrneas e inclusive de agua salada en gran escala.

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    1.5. HIDROLOGIA SUPERFICIAL. La Hidrologa superficial trata de los estudios que se realizan cuando la fuente que suministra el caudal requerido en una captacin es una corriente natural o un depsito superficial. El caudal disponible depende de los procesos que se desarrollan en la atmsfera adyacente y de las caractersticas fsicas, superficiales y subterrneas, de la cuenca vertiente. La cuenca es el rea que capta las aguas lluvias que alimentan la fuente. Los principales factores que actan en la generacin de los caudales lquidos y slidos que entran a formar parte de los cauces naturales y son transportados por ellos estn relacionados con las caractersticas de la lluvia y de la cuenca, la erosin pluvial y la dinmica de los cauces. Caractersticas de las lluvias:

    Intensidad

    Duracin

    Frecuencia

    Distribucin temporal

    Caractersticas de las cuencas:

    Morfometra: Area, Longitud, Pendiente, Factor de Forma, Red Hidrogrfica, Elevacin media.

    Capacidad de almacenamiento: Concentrado en depsitos puntuales o Distribuido sobre el

    rea.

    Geologa y uso del suelo.

    Erosin pluvial.

    La magnitud de la erosin pluvial depende del rgimen de lluvias y de la geologa y uso del

    suelo de la hoya vertiente. La erosin se cuantifica por medio del parmetro denominado

    "prdida de suelo". Esta prdida de suelo representa un potencial medio de erosin anual y se

    expresa en milmetros de suelo por ao (mm/ao). Solamente una parte de este volumen llega

    hasta los cauces naturales y alimenta la carga de sedimentos en suspensin que transportan

    las corrientes.

    Los siguientes son los factores que intervienen en el clculo de la Prdida de Suelo:

    Nmero de aguaceros fuertes en el ao, intensidades de los aguaceros, tamao y altura de

    cada de las gotas de agua.

    Erodabilidad del suelo.

    Distribucin de los cultivos.

    Mantenimiento y proteccin de los suelos.

    Caractersticas fsicas de la zona: Area, Longitud y Pendiente.

    Dinmica de los cauces.

    La dinmica de los cauces depende de su caracterizacin hidrulica, la cual se basa en los siguientes aspectos:

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    Geometra del cauce: Pendiente longitudinal y Area de la seccin transversal.

    Rgimen de flujo: Subcrtico, Crtico o Supercrtico. Se comportan como flujos torrenciales,

    inestables o tranquilos, respectivamente.

    Viscosidad del agua: Segn que se trate de Agua Clara o de mezcla de agua con

    sedimentos.

    Capacidad de transporte de sedimentos: Es mayor en cauces torrenciales que en cauces

    de llanura.

    Posibilidad de desbordamientos: En cauces de llanura son frecuentes cuando la capacidad

    hidrulica es insuficiente.

    1.6. HIDROLOGIA DEL AGUA SUBTERRANEA. Los depsitos de agua subterrnea se denominan acuferos. El proceso de almacenamiento y aprovechamiento de los acuferos se estudia con base en los fenmenos de infiltracin y de percolacin; este ltimo es el movimiento del agua a travs del medio poroso que est conformado por los granos del suelo. Parte del agua que cae durante las lluvias se infiltra y percola verticalmente hasta cuando encuentra una capa impermeable, que impide el movimiento vertical y genera el almacenamiento del agua en los espacios vacos del suelo. El lmite superior de este almacenamiento es la superficie fretica. El volumen de agua que se almacena por debajo del nivel fretico se denomina agua subterrnea, la cual constituye la fuente principal de alimentacin de manantiales, lagos y ros en perodos de estiaje. De acuerdo con su origen, las aguas subterrneas se clasifican en metericas, marinas, connatas, metamrficas, magmticas, volcnicas, plutnicas y juveniles. Las ms importantes se definen a continuacin.

    AGUAS METEORICAS. Son de origen atmosfrico y pasan por el ciclo hidrolgico en un tiempo relativamente corto. AGUAS MARINAS. Se trata de aguas que han penetrado desde el ocano hasta acuferos cercanos. AGUAS CONNATAS. Son aguas que han estado fuera de contacto con la atmsfera durante perodos largos, del orden de millones de aos. AGUAS JUVENILES, MAGMATICAS Y VOLCANICAS. Son aguas nuevas que se agregan al abastecimiento de agua del mundo. La mayor parte proviene de volcanes. Representan una cantidad limitada y por mucho tiempo no han pasado por el ciclo hidrolgico.

    Dentro de los estudios de exploracin que se realizan cuando se quiere evaluar la posibilidad de extraer Aguas Subterrneas de manera permanente y segura en una zona determinada resulta

  • HIDROLOGA BSICA Captulo 1 Gustavo A. Silva Medina

    Edicin actualizada (2015)

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    indispensable analizar la relacin que existe entre la precipitacin, el caudal superficial y la infiltracin. Una parte del agua de Infiltracin, conocida como Caudal de Recarga, llega hasta los depsitos de Aguas Subterrneas en la zona de estudio y los alimenta. Otra parte del agua de Infiltracin es atrapada por el suelo y el resto drena en forma subsuperficial o se escapa como Percolacin Profunda.

    1.7. REFERENCIAS

    1. Chorley, R. Introduction to Geographycal Hydrology. Chapter 1.II: World Water Inventory and Control, by R. L. Nace. Methuen. 1969.

    2. Velasco-Molina, Hugo. Las zonas ridas y semiridas: Sus caractersticas y manejo. Editorial Limusa. 1991.

    3. Todd, David. Ground Water Hydrology. Wiley International Edition. 4. Coghill, I. World, Region and Man. Cheshire Pty Ltd. 1966. 5. Maass, Arthur et Al. Design of Water Resource Systems. Part I: Objectives and Concepts.

    Basic Economic and Technologic Concepts. Macmillan. 1962. 6. Schwab, Glenn; Frevert, Richard. Elementary Soil and Water Engineering. Wiley

    International Edition. 7. Mays, Larry W. Water Resources Handbook. Chapter 1: Water Resources. McGraw-Hill,

    International Edition. 1996. 8. Tweedie, A. Water and the World: Chapter 5: The worlds climatic pattern; Koppens

    climatic classification. Thomas Nelson Limited. 1969. 9. USSR Comitee for the Internacional Hydrological Decade. World Water Balance and

    Water Resources of the Earth. Studies and Reports in Hydrology. Vol 25. UNESCO. Paris.