Universidad de la República
Facultad de Ingeniería
Instituto de Mecánica de los Fluidos e Ingeniería Ambiental
Maestría en Ingeniería Ambiental
Hidrología Aplicada a la
Ingeniería Ambiental
Tema 1: Sistema Hidrológico
Edición 2021
Hidrología aplicada a la IA Tema 01 – Sistema Hidrológico
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1 INTRODUCCIÓN
1.1 Definiciones
HIDROLOGÍA: “…es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y
distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su relación con el
medio ambiente…” (Chow, 1964)
Se relaciona estrechamente con otras ciencias básicas como la física, química, biología,
geología, mecánica de los fluidos, matemática y estadística; también con disciplinas aplicadas
como son la meteorología, limnología, agronomía e hidrogeología.
HIDROLOGÍA APLICADA: Incluye las áreas de la Hidrología relacionadas al diseño y
operación de proyectos de ingeniería para la gestión, uso y conservación del recurso hídrico.
APLICACIONES DE LA HIDROLOGÍA
Diseño y operación de embalses
Abastecimiento de agua a poblaciones
Irrigación
Generación de Energía Eléctrica
Obras de drenaje
Control de inundaciones
Zonificación de inundaciones
Erosión y control de sedimentos
Estudio de la calidad del recurso hídrico
Protección de los ecosistemas
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1.2 Disponibilidad y Uso del agua
Figura 1.1 – Distribución del recurso por continente y por habitante (tomado de
Shiklomanov 1998)
El valor medio del recurso hídrico disponible es estimado en 42700 km3 por año según Shiklomanov
(1998), de éste volumen la mayor parte se encuentra disponible en Asia y América del Sur.
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Figura 1.2 y Figura 1.3 - Distribución de consumo y extracciones por los usuarios
individuales a lo largo del tiempo. Datos comparativos en todos los continentes
(adaptado de Shiklomanov 1998)
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Figura 1.4 - Distribución de consumo y extracciones por sectores de producción a lo largo
del tiempo (adaptado de Shiklomanov 1998)
Las Figuras 1.1 y 1.2, muestran la dinámica del uso de agua por continente, durante el siglo pasado
y las proyecciones para los próximos años. En el presente aproximadamente el 57% de la extracción
y el 70% del consumo de agua se localizan en Asia dónde se ubica la mayor extensión de tierras
bajo riego del mundo. Se espera que los mayores crecimientos en la extracción durante las próximas
décadas ocurra en África y América del Sur (entre 1.5 y 1.6 veces) y los menores (1.2 veces) en
Europa y América del Norte.
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2 SISTEMA HIDROLÓGICO
2.1 El ciclo hidrológico
Figura 2.1 – El ciclo hidrológico con un balance de agua promedio global anual en
unidades relativas a un valor de 100 para la tasa de precipitación terrestre (tomado
de Chow, 1994)
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A partir de lo que se describe en la Fig. 1.1.1 y en las Tablas 1.1.1 y 1.1.2, se destaca lo siguiente:
a) Importancia de los océanos en el ingreso de agua a la atmósfera (7 a 1 respecto al continente)
b) El balance precipitación-evapotranspiración es positivo en el continente y negativo en los
océanos, compensado por el escurrimiento desde los continentes a los océanos
c) Importancia de la dinámica de la atmósfera
¿Por qué?
• Mayor superficie de los océanos que de los continentes
• La zona ecuatorial, de mayor radiación, es ocupada en una mayor proporción por los océanos
• La evapotranspiración en los continentes está limitada por la humedad del suelo
Volumen Almacenado
Tiempo de Residencia del agua en un cuerpo: 𝑇𝑟 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Tr Agua en la Atmósfera = 12900 km3/ 577.000 km3/año 365 días/año = 8.2 días
Tr Agua en los Océanos = 1.338.000.000 km3 / 505.000 km3/año = 2650 años
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2.2 CONCEPTO DE SISTEMA (Capítulo 1.2 V.T. Chow)
El ciclo hidrológico puede representarse como un sistema cuyos componentes principales son la
precipitación, la evaporación y el escurrimiento. Para su análisis puede dividirse en subsistemas,
estudiarlos por separado y combinar luego los resultados de acuerdo a las interacciones entre
ellos.
Medición
Condensación y Sublimación
Evaporación durante el descenso
Vegetación y Estructuras
IntPrec
>
Infiltr
Sublima
ción
Zona no Saturada
Zona Saturada
Medición
Superficie de la
Cuenca Cauces
Figura 2.2 – Representación en diagrama de bloques del sistema hidrológico global (tomado
de Chow, 1994)
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Figura 2.3 – La cuencas como un sistema hidrológico (tomado de Chow, 1994)
Figura 2.4 - Balance hídrico anual promedio en cuencas de Uruguay y del Mundo.
(*Elab. en base a “BALANCE HIDRICO EN EL URUGUAY” Genta et al., 2001)
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2.3 ELEMENTOS DEL CICLO DEL AGUA QUE PARTICIPAN DEL
BALANCE HÍDRICO
El objeto de la hidrología es formular balances
de agua en regiones sobre la superficie y sub-
superficie de la tierra:
La atmósfera es una condición de borde a través de la cual realiza intercambio de agua:
Sobre el suelo precipita agua (lluvia, nieve, granizo, escarcha, rocío, etc.).
El suelo y la vegetación evapotranspira, aportando humedad a la atmósfera.
Sobre la superficie del terreno, a través de la frontera que delimita la región, se tiene un
intercambio de escurrimiento (entradas y salidas). Cuando la frontera sólo tiene un punto de
intercambio, la salida en el punto más bajo del terreno, a la región se le define como cuenca.
En la superficie del suelo se encuentra el agua almacenada en: embalses, lagos, pantanos,
bañados, charcos, ríos, arroyos, etc.
Parte del agua de la superficie del suelo se infiltra:
En la zona superior el agua se encuentra en forma no saturada constituyendo la humedad
del suelo (H).
Parte de agua infiltrada percola hacia la zona inferior en la que el suelo está saturado de agua
(formando el acuífero que es delimitado en la parte superior por la superficie freática).
Cuando el nivel freático está por encima del nivel del terreno el acuífero realiza un aporte al
escurrimiento superficial
denominado: flujo base.
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2.4 CUENCA COMO SISTEMA HIDROLOGICO
DEFINICIONES
CUENCA SUPERFICIAL: Dado un punto de estudio, se entiende por cuenca hidrográfica la zona
de la superficie terrestre en donde (si fuera impermeable) todas las gotas de lluvia que caen
sobre ella son drenadas por el sistema de corrientes hacia el mismo punto.
DIVISORIA DE AGUAS: Es una línea imaginaria formada por los puntos de mayor nivel
topográfico y que separa la cuenca de las cuencas vecinas.
TRAZADO DE DIVISORIAS
Puede hacerse a partir de un mapa con curvas de nivel de la zona de estudio o con visión
estereoscópica utilizando fotos aéreas.
El trazado de las líneas divisorias a partir de curvas de nivel debe considerar lo siguiente:
1. La línea divisoria corta ortogonalmente a las curvas de nivel.
2. Cuando la divisoria va aumentando en altitud, corta a las curvas de nivel por su parte
convexa.
3. Cuando la altitud de la divisoria va disminuyendo, ésta corta a las curvas de nivel por su
parte cóncava.
4. La línea divisoria nunca debe cortar a un curso de agua: río; arroyo o cañada, excepto en
el punto del que queremos obtener su divisoria.
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Figura 2.5 - Delimitación del Parte Aguas
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Figura 2.6 - Mapa con curvas de nivel
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Estos criterios se mantienen válidos mientras la actividad antrópica no modifique el drenaje
natural de los escurrimientos. La existencia de caminos, urbanizaciones, represamientos u otras
formas de modificar el flujo en el territorio, generan la necesidad de incorporar otros criterios
particulares, que deben analizarse en cada caso.
2.5 CARACTERISTICAS FISICAS DE LA CUENCA
Si bien nuestro objetivo es describir las características de las cuencas con el fin de interpretar su
incidencia en las relaciones precipitación – escurrimiento, se debe tener en cuenta que es el
propio escurrimiento de las precipitaciones en la cuenca el que erosionó los pliegues geológicos.
ÁREA: Se define como la superficie, en proyección horizontal, delimitada por la divisoria de
aguas.
FORMA: El índice de compacidad o de Gravelius (Ic), da una idea de la forma de la cuenca, se
define como la relación entre el perímetro de la cuenca (P) y el de un círculo de la misma
superficie (A).
𝐼𝐶 = 0.28 𝑃
𝐴1/2
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k : 1 2 3 4 5 6
Ic : 1.12 1.19 1.29 1.40 1.50 1.60
Figura 2.7 Efecto de la forma de la cuenca sobre la respuesta hidrológica. (Tomado de
Musy, 2005)
La forma de la cuenca puede condicionar la respuesta hidrológica de la misma. Considerando
dos cuencas de igual superficie, pendiente, suelos y régimen de precipitación, la cuenca de forma
circular tiene una respuesta más concentrada que una cuenca de forma alargada.
PENDIENTE MEDIA DE LA CUENCA: Llamamos pendiente media de la cuenca, a la media
ponderada de todas las pendientes correspondientes a áreas elementales en las que pudiéramos
considerar constante la máxima pendiente. En términos generales indica el grado de ondulación
que tiene el suelo de la cuenca.
Cartier y Leclerc (1964) plantean una metodología para su cálculo aplicable a relieves
moderados:
101
kIC
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Figura 2.8 - Pendiente media de la cuenca
Si = Superficie de la Cuenca asignada a la curva de nivel i
S = Superficie de la Cuenca = iS
Li = Longitud de la curva de nivel i
L = Longitud total de las curvas de nivel = iL
dh = Equidistancia entre curvas de nivel
pi = Pendiente media de una banda = id
dh
p = Pendiente media de la cuenca
Se define id tal que iii LdS .
La pendiente en cada curva de nivel es: ii
i
i
iLd
Ldh
d
dhp
.
. O sea:
i
ii
S
Ldhp
.
Ponderando: S
Spp
ii
Sustituyendo: S
dhL
S
SS
Ldh
p i
ii
i
.
S
dhLp .
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PENDIENTE MEDIA DEL CAUCE PRINCIPAL:
Figura 2.9 – Pendiente media del cauce
Pendiente media entre extremos: La pendiente media del cauce principal es igual al cociente
entre el desnivel entre los extremos del cauce principal y su longitud en planta.
Lcp
H
Pendiente media por velocidad: Taylor y Schwarz proponen calcular la pendiente media del
cauce principal (), como la de un canal de sección transversal uniforme que tenga la misma
longitud y tiempo de recorrido que en el cauce principal.
Figura 2.10 - Pendiente media entre extremos
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Figura 2.11 - Pendiente media entre extremos
Considerando los tramos de cauce entre curvas de nivel: 1, 2, ..., i, ..., n y aplicando la ecuación de
Manning (flujo uniforme), se tiene que para cada tramo la velocidad es proporcional a la
pendiente del tramo
i
ii L
H:
2
2/1
2/1
2/1
2/12/1
2/1
2/1
2/1
2/1
2/1
..
.
..
..
i
i
i
ii
i
i
ii
i
ii
i
iii
L
Lcp
L
Lcp
k
Lcp
k
L
k
Ltt
k
Lcptk
t
Lcpv
k
Lt
t
Lkv
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DENSIDAD DE DRENAJE: Es la longitud acumulada de los cauces de la cuenca por unidad de
área.
ORDEN DE LA CUENCA: Parámetro que refleja el nivel de ramificación de la red de drenaje
de la cuenca. Una cuenca tiene el mismo orden que su cauce principal.
ORDEN DE CAUCE: Un cauce de orden 1 es aquel que no tiene afluentes. Dos cauces de orden
1 forman uno de orden 2, dos cauces de orden 2 forman uno de orden 3 y así sucesivamente,
siendo que en general dos cauces de orden n-1 forman un cauce de orden n.
Cuando un cauce se forma de la unión de cauces de distinto orden, el canal resultante retiene
el orden del mayor de los afluentes (uno de orden 3 y otro de orden 1 forman uno de orden 3).
Figura 2.12 - Orden del cauce y de la cuenca
Obs: El orden de la cuenca depende de la escala del mapa utilizado. Se debe ser cuidadoso al
efectuar comparaciones entre cuencas.
S
LD
i
d