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Hidrologa bsica y aplicada
Carlos Gutirrez Caiza
Hidrologa bsica y aplicada
2014
Hidrologa bsica y aplicada
Carlos Gutirrez Caiza
Universidad Politcnica Salesiana Av. Turuhuayco 3-69 y Calle Vieja Ca si lla: 2074 P.B.X.: (+593 7) 2050000 Fax: (+593 7) 4088958 e-mail: [email protected] ww w.ups.edu.ec
rea de Ciencia y Tecnologa CARRERA DE INGENIERIA CIVIL
Di se o dia gra ma cin, e impresin: Edi torial Universitaria Ab ya-Ya la Quito Ecuador
ISBN UPS: 978-9978-10-169-8
Im pre so en Qui to-Ecua dor, abril 2014
Publicacin arbitrada de la Universidad Politcnica Salesiana
El pesimista se queja del viento. El optimista espera que cambie.
El realista ajusta las velas.
George Ward
Educar es aprender dos veces
Contenido
prefacio..................................................................................................... 11
Captulo 1introduccin a la hidrologa ................................................................... 151.1 Definicin ........................................................................................ 151.2 Distribucin del agua en el planeta ............................................... 161.3 Algunas definiciones hidrometeorolgicas.................................... 181.4 La Hidrologa en la Ingeniera ....................................................... 221.5 El ciclo hidrolgico ......................................................................... 251.6 Sistema hidrolgico......................................................................... 291.7 Balance hidrolgico ........................................................................ 311.8 Sistema hidrolgico......................................................................... 36Bibliografa .................................................................................................. 42Problemas .................................................................................................... 43
Captulo 2cuencas hidrogrficas o hidrolgicas .................................................... 452.1 Cuenca hidrogrfica ........................................................................ 452.2 Caractersticas fsicas de una cuenca hidrogrfica ........................ 482.3 Caractersticas topogrficas de una cuenca hidrogrfica .............. 512.4 Drenaje de una cuenca hidrogrfica .............................................. 582.5 Suelos ............................................................................................... 602.6 Orientacin ...................................................................................... 602.7 Tiempo de concentracin (Tc) ...................................................... 61Bibliografa .................................................................................................. 64Problemas .................................................................................................... 65
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Captulo 3la hidrologa y su relacin con la meteorologa y climatologa .......... 673.1 Introduccin .................................................................................... 673.2 Meteorologa ................................................................................... 683.3 Climatologa .................................................................................... 683.4 Principales parmetros meteorolgicos que interesan a la Hidrologa e instrumentos en que se miden .......................... 68Bibliografa .................................................................................................. 83Problemas .................................................................................................... 84
Captulo 4Hidrometra 854.1 Introduccin .................................................................................... 854.2 Estaciones hidromtricas ................................................................ 854.3 Medicin de caudal ......................................................................... 884.4 Curvas de descarga o de gasto ........................................................ 1144.5 Generacin de caudales .................................................................. 125Bibliografa .................................................................................................. 126Problemas .................................................................................................... 127
Captulo Vla precipitacin ....................................................................................... 1295.1 Introduccin .................................................................................... 1295.2 Origen de las precipitaciones ......................................................... 1325.3 Anlisis y relleno de datos ............................................................. 1345.4 Anlisis de consistencia de un registro pluviomtrico y ajuste de la Estadstica .................................................................. 1505.5 Test de consistencia y contraste de hiptesis ................................ 1615.6 Registros pluviomtricos o fajas pluviogrficas ............................ 1625.7 Anlisis de lluvias intensas ............................................................. 1665.8 Variabilidad de la precipitacin ..................................................... 1775.9 Precipitacin mxima probable ..................................................... 194Bibliografa .................................................................................................. 195Problemas .................................................................................................... 196
Captulo VIcaudales de aprovechamiento ................................................................ 2016.1 Introduccin .................................................................................... 201
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6.2 Curva de duracin o permanencia de caudales ............................ 2016.3 Curva de masas ............................................................................... 214Bibliografa .................................................................................................. 219Problemas ................................................................................................... 220
Captulo VIIEstadstica aplicada a la hidrologa ........................................................ 2237.1 Introduccin .................................................................................... 2237.2 Anlisis probabilstico de la informacin hidrolgica .................. 2257.3 Funciones de probabilidad y frecuencia ........................................ 2317.4 Parmetros estadsticos ................................................................... 2367.5 Ajuste de una distribucin de probabilidades ............................... 2417.6 Anlisis de frecuencias hidrolgicas .............................................. 2547.7 Distribuciones de probabilidad para variables continuas ............ 260Bibliografa .................................................................................................. 290Problemas .................................................................................................... 291
Captulo VIIIEstudio de crecientes o avenidas ............................................................ 2938.1 Introduccin .................................................................................... 2938.2 Mtodos para la estimacin de crecidas ........................................ 2948.3 Mtodos hidrometeorolgicos de estimacin de crecidas o avenidas ........................................................................................ 2948.4 Infiltracin - hidrograma de una cuenca unitaria ........................ 3048.5 Hidrogramas .................................................................................... 3188.6 Hidrograma unitario ...................................................................... 3298.7 Hidrogramas unitarios sintticos ................................................... 342Bibliografa .................................................................................................. 370Problemas .................................................................................................... 371
Prefacio
El conocimiento de la hidrologa en el Ecuador es muy li-mitado debido a la insuficiente bibliografa que no alcanza a satis-facer las necesidades de quienes estudian este tema. La dificultad para aprender esta materia es alta, por lo que motiv escribir este compendio de Hidrologa bsica y aplicada basado en libros reconocidos en el pas, as como en experiencias vividas por el autor en el campo y como docente en la Universidad Politcni-ca Salesiana.
En este contexto el tratado abarca desde conceptos elemen-tales tales como introduccin a la hidrologa, elementos bsicos del ciclo hidrolgico, principios cientficos que lo gobiernan, y hasta las tcnicas ms utilizadas en la prctica para la cuantifica-cin de estos fenmenos aplicados a la solucin de problemas en el campo de la Ingeniera civil.
La experiencia del autor en los campos de hidrologa, hi-drulica, y formulacin de proyectos de ingeniera civil y los re-cursos hdricos, acompaado de una bibliografa adecuada, per-mite exponer de una forma equilibrada los componentes del ciclo hidrolgico como un sistema, las caractersticas de las cuencas hidrogrficas que sirven de base para la cuantificacin de los di-ferentes parmetros hidrolgicos, y la relacin existente entre la
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hidrologa y la meteorologa con los diferentes instrumentos y equipos utilizados para su medicin en el campo.
Es importante conocer la manera cmo se genera la infor-macin hidrolgica, es por eso que todo el captulo 4 est dedi-cado a la hidrometra desde la instalacin de las estaciones, dife-rentes mtodos de medicin de caudales, generacin de curvas de descarga, hasta la obtencin del dato hidrolgico a ser utilizado.
En el captulo 5 se desarrolla todo lo relacionado a la preci-pitacin como un vector de entrada en el estudio del ciclo hidro-lgico, su origen, anlisis, homogenizacin y completado de da-tos faltantes empleando tcnicas estadsticas y test de validacin, para luego determinar los valores promedio de la precipitacin en una cuenca hidrogrfica aplicando diferentes mtodos de clcu-lo; tambin se hace un anlisis de fajas pluviogrficas para deter-minar las curvas de Intensidad-Duracin Frecuencia que sirven para la generacin de caudales para obras de drenaje urbano y rural, y la determinacin de los hidrogramas unitarios sintticos a partir de datos de eventos de lluvias.
En el captulo 6 se estudia la curva de duracin general de caudales que es muy til para determinar si una fuente es suficien-te para suministrar la demanda o si hay necesidad de construir embalses de almacenamiento, pero siempre tomando en cuenta la demanda.
En el captulo 7 se hace nfasis en el tratamiento estads-tico de las series de precipitaciones y caudales, desde el anlisis probabilstico de la informacin hidrolgica, funciones de proba-bilidad y frecuencia, ajuste de una distribucin de probabilidades, anlisis de frecuencias hidrolgicas hasta obtener datos de diseo
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para obras de proteccin y/o control de inundaciones que se dise-an en la ingeniera civil.
En el captulo 8 se hace un estudio relacionado a las creci-das y/o avenidas, mtodos hidrometeorolgicos para determinar datos de caudales, infiltracin, hidrogramas y tipos, hidrograma unitario, hidrogramas unitarios sintticos como el hidrograma unitario de Soil Conservation Service-SCS, y otros. Todo esto permite generar caudales de diseo en sitios donde no se tiene estaciones hidromtricas, basndose en informacin de precipi-taciones de una cuenca hidrogrfica.
El libro contiene ejercicios resueltos y propuestos por cada uno de los captulos, con el fin de resolver y ejercitar la hidro-loga; el contenido del libro tiene un alcance hasta el estudio de crecidas lo que obliga al autor que en una segunda edicin, ms los comentarios recibidos en esta primera se amplen a temas como trnsito de crecidas en cauces naturales y embalses, y pro-duccin de sedimentos en las cuencas hidrogrficas.
Expreso mi gratitud a todas las personas que han colabo-rado en la edicin de este libro. Agradezco especialmente a la Universidad Politcnica Salesiana por darme la oportunidad de publicarlo y espero que sea de gran utilidad para los que se dedi-can al estudio de la Hidrologa.
Dedico este libro a mi esposa Carmen y a mis hijos Wilma, Carlitos y Danielito.