270_analisis Hidraulico de Drenaje Superficial de La Refineria de Salina Cruz Oaxaca
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INSTITUTOPOLITCNICONACIONALESCUELASUPERIORDEINGENIERIAYARQUITECTURA
UNIDADZACATENCO
ASESOR:ING.RALMANJARREZANGELES
MXICOD.F.MARZODEL2005
ANLISISHIDRULICODEDRENAJESUPERFICIALDELAREFINERADE
SALINACRUZOAXACA
TE SISQUEPARAOBTENERELTITULODE:
INGENIEROCIVILPRESENTA:
CARLOSALBERTOHERNNDEZORTIZ
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INDICE
ANLISISHIDRULICODEDRENAJESUPERFICIALDELAREFINERADESALINACRUZ,OAXACA.
CAPITULOI. MARCOTERICO
1.1.INTRODUCCIN1.1.2. JUSTIFICACIN1.1.3. OBJETIVO1.2.ANTECEDENTES1.3.DESCRIPCINDELSITIODEANLISIS1.4.SITUACINGEOGRFICA1.5.VASDECOMUNICACIN1.6.CLIMATOLOGA1.6.1. CONDICIONESCLIMATOLGICAS1.6.2. TEMPERATURA1.6.3. PRECIPITACIN1.7. TIPODESUELO1.8.REGIONALIZACINSSMICA.1.9. EVENTOSCLIMATOLGICOSEXTREMOSENLAZONA
CAPITULOII. ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
2.1.DESCRIPCINDEFLUJO2.1.1. TIPOSDEFLUJO2.1.2. ESTADODEFLUJO2.2.CLASESDECANALESABIERTOS.2.2.1. GEOMETRADECANAL2.2.2. ELEMENTOSGEOMTRICOSDEUNASECCINDEUNCANAL.2.2.3. DISTRIBUCINDEVELOCIDADES.2.3.DISEOHIDRULICODEUNCANAL2.4.CANALESCOMUNESQUEMUESTRANDIFERENTESVALORESDEn2.5.VALORESPARAELCOEFICIENTEDERUGOSIDAD
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
3.1.DEFINICINYOBJETIVODELAHIDROLOGA3.1.1. REGIONESHIDROLGICAS21y223.2.CICLOHIDROLGICO3.3.HIDROGRAFA3.4.RELACIONLLUVIAESCURRIMIENTO3.4.1. MTODODELASENVOLVENTES.3.4.2. LAFRMULARACIONAL3.5.PRECIPITACINENLAZONADEANLISIS3.5.1.PERODODERETORNO3.5.2. COEFICIENTEDEESCURRIMIENTOENLAZONA3.6.NMERODEESCURRIMIENTOYTIEMPOSPARCIALESENLAZONA
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24567131517182022272931
34
35374144475052545863
65
66687082848697102105108113
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INDICE
CAPITULOIV. DISEOHIDRULICO
4.DISEOHIDRULICODECANALES4.1.DISEODECANALESCONFLUJOUNIFORME4.1.1.CANALESNOEROSIONABLES4.1.2.MATERIALYREVESTIMIENTOSNOEROSIONABLES4.1.3. VELOCIDADMNIMAPERMISIBLE4.1.4. PENDIENTEDEUNCANAL4.1.5. BORDOLIBRE4.2.PROCEDIMIENTODECLCULO4.3.PROPUESTADESECCINTRANSVERSALDECANALCOLECTOR4.4.CLCULODELDIMETROENLASTUBERASDEDRENAJE4.5.LOCALIZACINDECANALES
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFA
ANEXOS
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120122122123124124126127131144146
147
150
153
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CAPITULOI.MARCOTERICO
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CAPTULO I MARCO TERICO
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CAPITULOI.MARCOTERICO
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1.1INTRODUCCIN
Enelsiglopasado,SalinaCruzpas,deserunaaldeadepescadoresaunpuerto
de altura con dimensiones industriales, que hoy se puede observar en su
infraestructuraportuariayensuplantaderefinacin(PEMEX).
Desdelallegadadelosconquistadoresaldominioindgena,laubicacindeeste
puerto sirvi de zona altamente privilegiada para la Colonia, a tal grado que
HernnCortsplanificellugardiseandoenellalosavancesdeunproyectoque
nunca dio a conocer, sabiendo que justo en ese entonces se fraguaba una
conspiracinensucontradesdelaPennsulaIbrica.
Despus de ese suceso, el puerto de Salina Cruz esper tres siglos ms para
situar el proyecto juarista de la compaa ferroviaria "Leussiana" que nunca
concluylaobra.Sinembargo,dcadasmstarde,DonPorfirioDazencomend
a la compaa inglesa "Pearson and Son LTD", la construccin del puerto,
planeacinurbanadellugaryterminalferroviaria.
LarefineraqueselocalizaenSalinaCruz,estadodeOaxacafueelresultadode
unminuciosoestudiosocioeconmico,tomandoencuentalosfactoresinherentes
queelproyectoameritabaparalaconstruccin.
Conforme a la Infraestructura de la zona se cuenta con las instalaciones del
puerto de Salina Cruz, los servicios municipales y vas de comunicacin en la
RegindelIstmodeTehuantepec,conelrestodelpas.
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CAPITULOI.MARCOTERICO
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De acuerdo con el programa de desarrollo regional, el rea de Salina Cruz,
adolece de centros de trabajo, especficamente del centro industrial , con la
finalidaddeatenderlasnecesidadesdelaceleradocrecimientodemogrfico.
Y losms importantees la comunicacindirecta conel Litoraldelpacifico,que
permiteelabastecimientodeenergticos,suficientesparacubrirlademandadel
mercadotantoNacionalcomoInternacional.
LarefineraIng.AntonioDovalJaimeconstadetodoslosprocesosnecesarios
para laobtencinde losproductos finalesparaconsumonacionalyexportacin
enlacalidadquesequierenenelmercado.
En1975, se inicio la constriccinde laRefineraydeacuerdoconelprograma
antes establecido, este centro industrial se conformo en tres etapas de
construccin.
A principios de 1978 con el arranque de la planta primaria y servicios
correspondientes. En est primera etapa la Refinera procesa Crudo Cretcico
provenientesdeloscamposdeSamaria,SitioGrandeyCactus.
EnlasegundaetapadelaRefineraproveeunaumentoenelprocesode470,000
BPD(BarrilesPorDa)conlafinalidaddeatenderlasnecesidadesNacionalesen
elOcanoPacfico.
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1.1.2JUSTIFICACIN
LaingenieradecanalesabiertosesunadelasramasdelaingenieraCivil,esta
es muy importante para la elaboracin de proyectos y para la canalizacin de
aguasdelluvia.
Enlosltimosaoshanvenidodesarrollndoseconrapidezproyectosderecursos
hidrulicosytrabajosdeingenierahidrulicaentodoelmundo.
Losprincipalestiposdeconductosasuperficielibreson:
Canales,corrientesnaturalesyconductoscerradosparcialmentellenos.
El diseo de los canales, como el de cualquier obra de Ingeniera Civil, debe
considerarsediversosaspectosademsdelestrictamentehidrulico.Laseguridad
es generalmente la condicin primeraa cumplir (en su caso) la eficiencia y la
economa de las restantes ms comunes, intervienen factores tales como los
siguientes:
a)Elmedio fsico: topografa,hidrologa,geologa,caractersticasmecnicasdel
sueloyclimatologa.
b)Usoalquesedestinarelcanalosistemadecanalessiservirparariego,se
consideraentreotraslascaractersticasagronmicas.
c)Sielcanalserrevestidoencasonegativo,lascaractersticasdelsuelodonde
ser excavado (en relacin con la infiltracin, la estabilidad de taludes y la
susceptibilidadasocavacinodeposito)ylasdellquidoatransportar,(respecto
altransportedesedimentos).
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1.1.3OBJETIVO
El objetivo primordial de este trabajo es lograr la canalizacin de las aguasde
lluviapormediodelcanalcolectoryelcanal1paraevitarquelasinstalacionesde
la refinera sufran inundaciones y dichas instalaciones se deterioren, debido a
estoserealizaronestudioclimatolgicosehidrolgicosparaobtenerlosdatoscon
los cuales se procedi a disear los dos canales para que estos resulten
eficientescuandoseanrequeridos.
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1.2ANTECEDENTES.
Se analiza el problema de las inundaciones, partiendo de una perspectiva
histricaque,enesencia,muestraqueelproblemahasidorecurrentedesde la
pocade losaztecas,quesiempresehabuscadounasolucinquenoimplique
detener el crecimiento de la urbanizacin, pero que tambin es cierto que las
"soluciones" no han sido preventivas, sino que se han desarrollado despusde
quesepresentaninundacionescatastrficas.
Elproblemadelasinundacionesesaejoy,encorrespondencia,aejahasidola
capacidaddelosingenierosparaencontrarsolucionesalrespecto.
Debido a esto se analiza la problemtica que sufre la Refinera ya que la
temporadade lluviacomienzaapartirdelmesdeJunioy finalizaenelmesde
OctubrelaRefineraIng.AntonioDovalJaimesufreelproblemaparticularde
inundaciones,lascualesafectanalasinstalacionesdedicharefinera.
En virtud de toda est problemtica que ocasiona a las instalaciones de la
Refinera, las aportaciones pluviales provenientes de las zonas aledaas a las
mismas, es necesario canalizar dichos escurrimientos de tal manera que estos
puedanserconducidoslibrementealzanjn,comocuerporeceptorsinprovocar
daoscomoinundacionesdeslaves.
Lasolucinqueseproponeesabasedecanalesabiertosmedianteloscualesse
pueden colectar tanto los escurrimientos provenientes del exterior como los
propiosdelasreasporlasqueatraviesanestas.
Dichos canales van a tener la funcin de solucionar la problemtica por
contingenciaquecadaaosufrelarefineraenlaspocasdelluvia.
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1.3DESCRIPCIONDELSITIODEANALISIS
ElreadondefueconstruidalaRefinera,esdeclimatropicalyelterrenoesde
llanura formada con materiales aluviales y lacustres procedentes de gravas,
arenas y arcillas de edad cuaternaria, que cubren las rocas sedimentarias
preexistentes en el subsuelo y cuyos espesores son variables hasta una
profundidadde100metros.
LosterrenosseencuentrancomprendidosdentrodelosejidosdelBocadelRo,
SalinaCruz,SanJosdelPalmarySanPedroHuilotepec,sobreuntotalde800
hectreas localizadas entre Santo Domingo Tehuantepec y el Puerto de Salina
Cruz.
La creciente demanda de combustleo, destilados y gas licuado en la zona del
pacfico,ascomoladisponibilidaddelamateriaprimasuficiente,dieronorigena
la necesidad de construir la Refinara Ing. Antonio Do val Jaime en la
jurisdiccin de la zona sur, en el municipio de Salina Cruz, Oax., inaugurada
oficialmenteenabrilde1979.EstaRefineraquetienecomoobjetivoprimordial
elaborar los productos destilados y residuales para abastecer el consumo del
litoraldelpacfico,cuentaademsconlainfraestructuradealmacenamientopara
la exportacin de petrleo crudo para algunos pases de oriente
La refinera se encuentra localizada en una superficie total de 600 hectreas,
distante a cinco kilmetros al noreste de la ciudad y puerto de Salina Cruz.
ElmunicipiodeSalinaCruzseubicasobre lacostadelOcanoPacfico,enuna
latitudnorte160930ylongitudoeste95130yestcatalogadocomopuerto
dealturaygrancabotaje.
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LaRefineraIng.AntonioDovalJaimedesalinaCruz,Oax.estintegradapor
plantas de proceso, en las cuales se llevan a cabo procesos primarios y
secundarioshastalaobtencindeproductosderivadosdelpetrleo.
LacapacidadinstaladaenlaPrimeraEtapaesde170,000BPD(BarrilesPorDa)
decrudo,teniendolaflexibilidaddepoderprocesarPetrleoCrudotipoCretcico
100%omezcladecrudostipoCretcico/marino50/50%Vol..
Este centro industrial cuenta con todos los servicios necesarios para su
funcionamiento, los cuales son proporcionados Por la Planta de Servicios
auxiliares, la cual tambin esta programada para aumentar su capacidad
conformeaumentalacapacidaddeprocesamientodePetrleoCrudoensegunda
yterceraetapa.
Estaplantacuentaconequiposdegrancapacidadparalageneracindevapory
energa elctrica por lo cual la Refinera es autosuficiente , cuenta adems con
serviciosexternosdeenergaelctricaproporcionadosporlaComisinFederalde
Electricidad.
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FIGURA1.1FOTOGRAFAAREADELSTIODEANLISIS
(REFINERAING.ANTONIODOVALIJAIME)
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FIGURA1.2FOTOGRAFAAREADELSTIODEANLISIS
(REFINERAING.ANTONIODOVALIJAIME)
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FIGURA1.3.FOTOGRAFAAREADELSITIODEANLISIS
(REFINERAING.ANTONIODOVALIJAIME)
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FIGURA1.4.CARTATOPOGRFICADESALINACRUZOAXACA
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1.4SITUACINGEOGRFICA
LaRefineraIng.AntonioDovalJaimeseencuentralocalizadoalnoroestedela
CiudadyPuertodeSalinaCruz,enelestadodeOaxaca,ubicadaenlapartenorte
delGolfo de Tehuantepec, en elOcano Pacfico en situacin geogrfica latitud
norte169.6longitudoeste9512.2yunaaltitudde7.00msobreelniveldel
mar,cuentaconunasuperficieaproximadade800Has.,selocalizaa6Km.,de
laCiudaddesalinaCruz,enlosterrenosquepertenecieronalosejidosdeBoca
delRi,SanJosdelPalmarySalinaCruz.
El rea de estudio se encuentra en el sureste del pas, dentro de los paralelos
1604'30'' y1652'3'',de latitudnortey losmeridianos9415'00'' y9524'30''
delongitudeste(Fig.1.5).
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FIGURA1.5PLANODESITUACINGEOGRFICA
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1.5.VASDECOMUNICACIN.
CARRETERAS. Salina CruzOax. Es terminal de la carretera transismica que la
unenconlaciudadypuertodeCoatzacoalcos,Ver.,entroncadaconlacarretera
costeraaHuatulco.Existentambincarreterassecundariasycaminosvecinales
paralosprincipalespobladosdelestadodeOaxaca.
FERROCARRLES. Los ferrocarriles nacionales extienden su servicio hasta el
recinto portuario, con espuelas y ramales a los muelles e instalaciones de
PetrleosMexicanos.Hayunservicio regulardiariodecargaypasajedeSalina
CruzaCoatzacoalcos,Veracruz.
LNEAS DE NAVEGACIN AREA. Salina Cruz Oax. no cuenta con lnea area
comercial,sinembargolospuntosdeenlaceporestemediodetransporteconel
D.F.puedenhacerseenCD.Iztepec,Oax.ySta.CruzHuatulcoOax.,Localizadaa
40min.y2hrs.respectivamentedeSalinaCruzOax.porcarretera.
CabemencionarqueenSalinaCruzexisteunpequeocampodeaviacin,apto
paraavionetasybimotoresexclusivamente.
TRANSPORTESMARTIMOS.Paraeltransportemartimodealturaexistenlneas
navieras que afectan el trfico entre Salina Cruz y los puertos mexicanos del
pacfico.LneasnavierasextranjeraslleganysalenenSalinaCruzconitinerarios
diversos.
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FIGURA1.6PLANODEVASDECOMUNICACIN
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1.6.1CONDICIONESCLIMATOLGICAS.
Deacuerdoconel sistemade clasificacin climticadeKppen,modificadopor
Garca (1970), en la zona costera sur del Istmo de Tehuantepec (Fig1.7) se
presentan los siguientes subtipos de climas clidos y semiclidos: Awo(w)ig:
clido hmedo (temperatura media delmes ms fro mayor de 18C), elms
seco de los clidos subhmedos con lluvias de verano, con un cociente P/T
(precipitacintotalanualenmmsobretemperaturamediaanualenC)menorde
43.2, un porcentaje de lluvia invernal menor de 5 de la anual, isotermal (en
cuanto a la oscilacin anual de las temperaturasmediasmensuales), oscilacin
menorde5Cconelmesmscalienteantesdejunio.Aw1(w)(i')g:Intermedioen
cuanto a grado de humedad entre elms seco de los clidos subhmedos, un
porcentajedelluviainvernalmenorde5delaanual,conpocaoscilacin(entre5
y 7C) en cuanto a la oscilacin anual de las temperaturasmediasmensuales,
peroenpartesestazonaesisotermal,conelmesmscalienteantesdejunio.
Aw2(w)ig: El ms hmedo de los clidos subhmedos, con lluvias en verano,
cocienteP/Tmayorde55.3,unporcentajede lluvia invernalmenorde5de la
anual, isotermal, con el mes ms caliente antes de junio. (A)C(w2)(w)ig:
Semiclido, el ms clido de los templados hmedos, con temperatura media
anualmayorde18Cyladelmesmsfromenorde18C,porcentajedelluvia
invernalmenorde5delaanual,converanofrescolargo,temperaturamediadel
mesmscalienteentre6.5Cy22C, isotermal,conelmesmascalienteantes
dejunio.
(A)C(fm)(i')g: Semiclido, el ms clido de los templados hmedos, con
temperaturamediaanualmayorde18Cyladelmesmsfromenorde18C,
con lluvias todo el ao, por ciento de lluvia invernal con respecto a la anual
menorde18,conpocaoscilacinanualdelastemperaturasmediasmensuales,
entre5y7C,conelmesmscalienteantesdejunio.
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FIGURA1.7TIPODECLIMAENLAZONADEESTUDIO
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1.6.2TEMPERATURAENLAZONADEESTUDIO
En el rea de estudio el clima es tropical lluvioso con lluvias en verano. La
temperaturaentodoslosmesesessuperiora18Cylaprecipitacinessuperior
a750mm.
El climaquepredominaes secosemiclido convariacionesenalgunas regiones
de semiclido sub.hmedo y templado sub.hmedo, considerando el dato
anteriordelclima,latemperaturavarade17.1Cylos26.2C,siendoelrgimen
de lluvias en los meses de Junio a Septiembre, adelantndose en algunas
ocasionesen losmunicipiosdondepredominael climatempladosubhmedoen
losmesesdeAbrilyMayoteniendounaprecipitacinpluvialquevadelos460.8
alos2,454.8m3.Enbasealoanteriorseconcluyequeelclimaestropicalcon
temperaturamediade30C,latemporadadelluviaprincipiaenelmesdeJunioy
terminaeneldeOctubre,losvientosdelnortesoplandeOctubreaMarzo.
Temperatura.
Eslamedidadelmovimientomolecularoelgradodecalordeunasustancia.Se
mideusandounaescalaarbitrariaapartirdelceroabsoluto,dondelasmolculas
enteoradejandemoverse.Tambinseconsideracomoelgradodecaloryde
fro.
TemperaturaFahrenheit(GradosFahrenheitF).
Esunaescaladetemperaturadondeelaguaaniveldelmartieneunpuntode
congelacinde+32gradosF(Fahrenheit)yunpuntodeebullicinde
+212gradosF.Esuntrminocomnenreasqueusanelsistemainglsde
medidas.FuecreadoporGabrielDanielFahrenheit(16961736)en1714,un
fsicoalemninventordelostermmetrosdealcoholymercurio.
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FIGURA1.8GRFICASDETEMPERATURA
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1.6.3.PRECIPITACIN
ElpromediodelaprecipitacinenMxicoesde777mmanualesysudistribucin
es muy irregular. Para dar una idea, ms de la mitad del territorio mexicano
localizadoalnorteyenel altiplano recibe sloel9%de laprecipitacinmedia
anual,peroconcentraal75%delapoblacindelpas,al70%delPIB(actividad
industrial)yal40%delastierrasagrcolasdetemporal.Entanto,casiel70%de
la precipitacin anual se da en el sureste deMxico, donde vive el 24% de la
poblacinylaindustriaesIncipiente,exceptolarelacionadaconelpetrleo.En
general, las lluvias se acotan a un periodo restringido que pocas veces se
extiendemsalldeJunioaSeptiembre.
Con respecto a la altitud hay tambin desequilibrios considerables. El 85%del
volumenalmacenadoenmsde4milestructurasdecontroldedistribucinyel
suministrodeaguaselocalizaanomsde500metrossobreelniveldelmar.Sin
embargo,el75%delapoblacinviveaunamayorelevacin.
DistribucinGeogrficadelAguaenMxico
Territorio Precipitacin Poblacin
Actividad
Industrial
(PIB)
Tierras
Agrcolas
de
temporal
Elevacin
Promedio
(msnm)
Altiplano,
Nortey
Noreste
9% 75% 70% 40% >500
Sury
Sureste70% 20% Incipiente 20%
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Todoellodificultaelaprovechamientodelagua.Loscortosperiodosdelluviasy
las sequas prolongadas obligan a almacenarla en infraestructura adicional para
sumanejo.Por fortuna,el agua subterrneacontenidaen losmantosacuferos
delpastieneunaampliadistribucingeogrfica,aunqueesunrecursoagotable
yenalgunoslugaresselocalizaagranprofundidad.
BalanceNacionaldelAgua
Oferta
Mxico recibe 1,570 km3 de agua por precipitacin y pierde por evaporacin
1,064km3,loqueestablecelaofertadeaguaanivelnacionalen473km3.Fluyen
porcaucesyvasossuperficiales410km3yel restorecargaa travsdemantos
acuferos(63km3).
Demanda
En1995seusaron163km3deaguassuperficiales(40%deltotaldisponible)y24
km3 de subterrneas (38% del total de recarga), lo que aproxima la demanda
nacionala190km3anuales.
LLUVIA. Convencionalmente se mide la cantidad de lluvia que cae sobre un
lugardeterminadodelasuperficiedelatierra,suponiendoqueelsuelofueselo
suficientemente impermeable y plano para impedir que el agua corriera o se
infiltrara,porelalmacenamientoproducido,cuyoespesormedidoenmilmetros,
expresalacantidaddeaguacadaenunperodopreciso,quepuedeserdameso
ao.
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Uniendo puntos geogrficos que tienen igual cantidad de lluvia, se trazan unas
lneas conocidas con el nombre de isoyetas, las que permiten observar
grficamenteladistribucindelalluviaenlasuperficiedelatierra.
EnIngenieraCivilserecurreadiversosmtodosdemedicin,paradeterminarla
cantidad de lluvia que se precipita en determinado lugar. Entre estosmtodos
podemosmencionar los estudios demeteorologa sin embargo estos no sonde
granutilidadparapredecirlaprobabilidad,magnitudyextensindelalluvia,con
excepcindecuandofaltanregistrosadecuadosyelingenieronotieneotragua.
Otrosmtodos consisten en la utilizacin de dispositivos bsicos paramedir la
precipitacin,conocidosconelnombredepluvimetros.
Clasificacindelaprecipitacin:
PrecipitacinConectiva
PrecipitacinCiclnica
PrecipitacinOrtogrfica
Despus de enunciar los tipos de precipitacin, procedemos a explicar en que
consistecadaunodeellos.
PrecipitacinConectiva.Laprecipitacinconectivaescausadaporelascensodel
aireclidomslivianoqueelairefridelosalrededores.Lasdiferenciasenlas
temperaturas pueden ser el resultado del calentamiento diferencial en la
superficie,deenfriamientodiferencialen laparte superiorde la capadeaireo
ascensosmecnicos cuando el airees forzado a pasar sobre unamasa de aire
msfraomsdensaosobreunabarreramontaosa.
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Precipitacin Ciclnica. La precipitacin ciclnica resulta del levantamiento de
aire,queconvergeenunreadebajapresinocicln.Laprecipitacinciclnica
puede dividirse como frontal o no frontal. La precipitacin frontal resulta del
levantamientodelaireclidoaunladodeunasuperficiefrontalsobreairems
densoyfro.
PrecipitacinOrogrfica.Laprecipitacinorografaresultadelascensomecnico
delairesobreunacadenamontaosa.Lainfluenciaorogrficaestanmarcadaen
terreno quebrado que los patrones de las tormentas tienden a parecerse a
aquellosdelaprecipitacinmediaanual.
Precipitacin.Partculasdeagualquidasoslidasquecaendesdelaatmsfera
hacialasuperficieterrestre.
Precipitacin Continua. Se dice que la precipitacin es continua, cuando su
intensidadaumentaodisminuyegradualmente.
Precipitacin Intermitente. La precipitacin es intermitente cuando se
interrumpey recomienza cuandomenos una vez en el lapso de una hora y su
intensidaddisminuyeoaumentagradualmente.
PrecipitacinPotencial.Cantidaddeaguaexpresadacomounvolumenocomo
unamasaquepuedeobtenersesielvapordeaguaenunacolumnadeaireenla
atmsferasecondensayprecipita.
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1.6.4EVAPORACIN
Cambiodefasedelaguadeunestadolquidoaslidoporabsorcindecalorsele
denominaevaporacin.Seproduceunacirculacinquevadeloscuerposdeagua
hacia la atmsfera. A mayor evaporacin la atmsfera estar ms hmeda
llegandomas rpidoaunestadode saturacin, loqueeleva laprobabilidadde
precipitaciones.
Dado que la mayor parte del estado de Oaxaca tiene una superficie agrcola
predominantementedetemporal,esevidentequeunodelosfactoreslimitativos
de laagriculturaen la entidades ladisponibilidaddelagua.Deahque resulta
necesario estimar la cantidad de agua perdida por las plantas durante su ciclo
vegetativo,para compararla con la lluvia recibida,a findeefectuarunbalance
hdricoencualquierregin.
Laevapotranspiracineslacombinacindeprocesosdeevaporacindelaguay
transpiracindelasplantasyanimalespormediodelaculelaguaestransferida
alaatmsferadesdelasuperficieterrestre.
Enrelacinaesteparmetrosepuededecirquelosvaloressonmayoresa100
mmsobrelaspartesbajasdelavertientehaciaelGolfodeMxico.Encambioen
lacostadelPacficosepresentanvaloresmayoresa120mmaumentandoams
de140mmenlaporcincomprendidaentrePuertongelSalinaCruzyelIstmo
en los lmites con Chiapas. Los valores ms bajos menores a 60 mm se
distribuyenenlaspartesmsaltasdelassierrasdelaentidad.
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1.7TIPODESUELO
El rea estudiada se encuentra en el litoral del Estado de Oaxaca, desde los
lmites con el Estado de Guerrero, hasta Salina Cruz la costa oaxaquea
pertenecealaprovinciafisiogrficaconocidacomoZonaMontaosadelaCosta
delSuroeste.Frenteaellalaplataformacontinentalesmuyangostaylacostaes
principalmente rocosa y solamente en escasas porciones se desarrolla una
incipiente planicie costera. En esta zona predominan las costas primarias
formadasporprocesosdiastrficosyenmenorproporcincostassecundariassea
porerosin,poroleajeopordepositacinmarina .DesdeSalinaCruzhasta los
lmitesdelaRepblicadeGuatemala,setieneunallanuracosteraendesarrollo,
deamplitudmoderada,asociadaaunaplataformacontinentalamplia.
Este litoral se caracteriza por contar con costas secundarias por depositacin
marina. Tectnicamente, el litoral de Oaxaca es parte de la costa de colisin
continental, afectada por el contacto de la Placa de Amrica con la Placa de
Cocos.Lasrocasqueafloranenlascuencashidrolgicasquedrenanhaciaelmar
sondelitologayedadmuydiversa(Fig. l).Enlamayoradelaslocalidadesde
playa estudiadas se reciben principalmente lo aportes de sedimentos
provenientes de rocas metamrficas del Paleozoico y del Precmbrico, rocas
intrusivasyextrusivascidasdelTerciarioysuelosdelCuaternario(SPP,1981).
Elsueloesaluvialdeorigengranticoestratificadoyerrticomuestreadoauna
profundidadpromediode30mts.,de6a9mtssetienenunacapacidaddecarga
aproximadade6a12t/m2yde9a30mtsarribade20t/m2.
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FIGURA1.9PLANOGEOLGICO
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1.8REGIONALIZACINSSMICA
Sepuedeverquenuestropasestasociadayqueestoshanocurridoalolargo
demillonesdeaos.
La mayor parte de los sismos de grandes magnitudes (mayores de 7, por
ejemplo)yquesonlosqueocasionangrandesperjuiciosparaelhombre,tienen
epicentros en las costas de pacfico a lo largo de Jalisco, Colima, Michoacn,
GuerreroyOaxaca.
El territorio de la RepblicaMexicana se encuentra se encuentra clasificado de
acuerdoalpeligrossmicoaqueestnsujetas lasconstruccionesy,engeneral,
lasobrascivilesqueseplaneerealizar.
Se han establecido cuatro zonas, llamadas A, B, C, y D, las que representan
zonasdemenoramayorpeligro.Estassehandefinido,bsicamente,enfuncin
alasismicidadpropiadecadaregin.
Aestaclasificacinseconocecomoregionalizacinssmicaytienecomoprincipal
objetivo, junto con manuales de obras civiles proporcionar la informacin
necesaria a los constructores para el clculo de los valores con que se debe
disearcualquierobra,detalmaneraqueestaresultesuficientementeseguray
sucostonoseaexcesivo.Cabeaclararquelaregionalizacincitadaesaplicablea
estructuras construidas en terreno firme y no toma en cuneta el fenmeno de
amplificacin del movimiento ssmico por efecto de suelos blandos. Este
fenmenopuedeserdecisivoparaelpeligrossmicodealgunospuntoscomola
ciudaddeMxico.
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CAPITULOI.MARCOTERICO
30
DeacuerdoconlaregionalizacinssmicadelaRepblicamexicana,SalinaCruz
selocalizadentrodelazonaDyuntipodesueloclasificadoentreI,IIyIIIconsu
respectivocoeficientessmicode0.48,0.56y0.64paraelreadelaRefinerase
considerauncoeficientessmicoiguala0.56.
FIGURA1.10CROQUISDEREGIONALIZACIN
SSMICADELAREPBLICAMEXICANA
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CAPITULOI.MARCOTERICO
31
1.9EVENTOSCLIMATOLGICOSEXTREMOSENLAZONA
Elrangodemareaesmenorde2m.haciaeloestedeSalinaCruzyde2a4m.
hacia el este del mismo puerto. En ambos casos la marea es de tipo mixto
(InstitutodeGeofsica,1978).
Deacuerdoconlascartasmensualesdecorrientessuperficiales, lasprximasa
lascostasoaxaqueaspresentanenpromediovelocidadesmenoresde0.3nudos,
conunmximode0.42nudosmedidoenelmesdeJunio.DelmesdeMayoal
mesdeSeptiembreladireccindeestascorrientesesprincipalmentedeEaW,
entantoqueelrestodelaosepresentaalWdePuertongelunacorrienteEW
yalEdelmismopuertolacorrientetieneunadireccinWE.
DeacuerdoconStrakhov(1967)elreadeestudioquedacomprendidadentrode
una regin de intenso intemperismo qumico, en la cual la precipitacin anual
mediafluctaentre1000y2000mm.
La zona costera est sujeta a ciclones tropicales cuyas principales trayectorias
tienenunadireccinSENW.Enelreadeestudioocurrenolasconalturasde2.4
metrosomsconuna frecuenciade10a20%almenosdurantedos cuartas
partesdeunao(Meisburger,1962).
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CAPITULOI.MARCOTERICO
32
-
CAPITULOI.MARCOTERICO
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CAPITULOI.MARCOTERICO
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
34
CAPITULOIIASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
35
2.1DESCRIPCINDEFLUJO
El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en
tubera.Estasdosclasesdeflujossonsimilaresenmuchosaspectos,peroestos
sediferencianenunaspectoimportante.
Elflujoencanalabiertodebetenerunasuperficielibre,entantoqueelflujoen
tuberanolatiene,debidoaqueenestecasoelaguadebellenarcompletamente
elconducto.Unasuperficielibreestsometidaalapresinatmosfrica.Elflujo
en tubera, al estar confinado en un conducto cerrado, no est sometido a la
presinatmosfricademaneradirecta,sinosoloalapresinhidrulica.
Lasdos clasesde flujo se comparanen la figura2.1.A la izquierdadeestse
muestraelflujoentubera.Dostubospiezomtricosseencuentraninstaladosen
las secciones 1 y 2 de la tubera. Los niveles de agua en estos tubos se
mantienen por accin de la presin en la tubera en elevaciones representadas
porlalneaconocidacomolneadegradientehidrulico.Lapresinejercidaporel
aguaencadaseccindeltuboseindicaeneltubopiezomtricocorrespondiente,
mediante la altura y de la columna de agua por encima del eje central de la
tubera.
Enlafigura2.1laenergaestarepresentadaporlalneaconocida,comolneade
gradientedeenergaosimplemente,lneadeenerga.
Laprdidadeenergaqueresultacuandoelaguafluyedesdelaseccin1hasta
laseccin2estrepresentadaporhf.Undiagramasimilarparaelflujoencanal
abierto se muestra en la parte derecha de la figura 2.1. Con propsitos de
simplificacin,sesuponequeel flujoesparaleloyquetieneunadistribucinde
velocidadesuniformeyquelapendientedelcanalespequea.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
36
En este caso, la superficie de agua es la lnea de gradiente hidrulico, y la
profundidaddelaguacorrespondealaalturapiezometrica.
Apesardelasimilaridadqueexistenenestosdostiposdeflujo,esmuchoms
difcilresolverproblemasdeflujoencanalesabiertosqueentuberasapresin.
Lascondicionesdeflujoencanalesabiertossecomplicanconelhechodequela
posicin de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y
tambinporelhechodequelaprofundidaddeflujo,elcaudalylaspendientes,
delfondodelcanalydelasuperficielibresoninterdependientes.Amenudo,es
difcil obtener datos experimentales confiables en el caso del flujo en canales
abiertos.
Ademslascondicionesfsicasdeloscanalesabiertosvaranmuchomsqueen
lastuberas.
Encanalesabiertoslasuperficievariadesdelacorrespondienteametalespulidos
utilizados en canales de prueba hasta la correspondiente a lechos rugosos e
irregularesenros.Ademslarugosidadenuncanalabiertovariaconlaposicin
delasuperficielibre.Porconsiguiente,laseleccindeloscoeficientesdefriccin
implicaunamayorincertidumbreparaelcasodecanalesabiertosqueparaelde
tuberas.Engeneral,eltratamientodelflujoencanalesabiertosesmsemprico
que el correspondiente a flujo en tuberas. El mtodo emprico es el mejor
mtodo disponible en el presente, y si se aplica de manera cuidadosa, puede
producirresultadosdevalorprctico.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
37
Figura2.1Comparacinentreflujoentuberasyflujoencanalesabiertos
2.1.1TIPOSDEFLUJOS
El flujo en canales abierto puede clasificarse enmuchos tipos y distribuirse de
diferentesmaneras.Lasiguienteclasificacinsehacedeacuerdoconelcambio
enlaprofundidaddelflujoconrespectoaltiempoyalespacio.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
38
FLUJOPERMANENTEYNOPERMANENTE: tiempocomocriterio.Sediceque
elflujoenuncanalabiertoespermanentesilaprofundidaddelflujonocambiao
puedesuponerseconstanteduranteelintervalodetiempoenconsideracin.
ELFLUJOESNOPERMANENTE:silaprofundidadnocambiaconeltiempo.En
lamayorpartedecanalesabiertosesnecesarioestudiarelcomportamientodel
flujosolobajocondicionespermanentes.Sinembargoelcambioenlacondicin
del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no
permanente, el nivel de flujo cambia demanera instantnea amedida que las
ondaspasanyelelementotiemposevuelvedevitalimportanciaparaeldiseo
deestructurasdecontrol.
Paracualquierflujo,elcaudalQenunaseccindelcanalseexpresapor
Q=VA.2.1
DondeVes lavelocidadmediayAeselreadelaseccintransversalde flujo
perpendicular a la direccin de este, debido a que la velocidad media esta
definidacomoelcaudaldividoporelreadelaseccintransversal.
FLUJOUNIFORMEYFLUJOVARIADO: espacio como criterio. Se dice queel
flujoencanalesabiertosesuniformesi laprofundidaddel flujoes lamismaen
cada seccin del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no
permanente,segncambieonolaprofundidadconrespectoaltiempo.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
39
EL FLUJOUNIFORME PERMANENTE: es el tipo de flujo fundamental que se
consideraenlahidrulicadecanalesabiertos.Laprofundidaddelflujonocambia
duranteelintervalodetiempobajoconsideracin.Elestablecimientodeunflujo
uniforme no permanente requerira que la superficie del agua fluctuara de un
tiempoaotroperopermaneciendoparalelaalfondodelcanal.
En efecto est es una condicin prcticamente imposible. Por tanto el termino
flujouniformeseutilizarparadesignarelflujouniformepermanente.
Elflujoesvariadosilaprofundidaddelflujocambiaalolargodelcanal.
El flujo variado puede ser permanente y no permanente.Debido a que el flujo
uniformenopermanenteespocofrecuente,eltrminoflujonopermanentese
utilizarparadesignarexclusivamenteelflujovariadonopermanente.
El flujo variado puede clasificarse adems como rpidamente variado o
gradualmentevariado.Elflujoesrpidamentevariadosilaprofundidaddelagua
cambiademaneraabruptaendistanciascompartidamentecortasdeotromodo,
esgradualmentevariado.Unflujorpidamentevariadotambinseconocecomo
fenmenolocalalgunosejemplossonelresaltohidrulicoylacadahidrulica.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
40
P rofundidadConstanteCambiodelaprofundidad
coneltiempo
F.R.VF.G.VF.R.VF.G.VF.R.VF.G.VF.R.V
CompuertaResalto
deslizantehidrulico Flujosobre
unvertedor
Cadahidrulica
Contraccin
pordebajode
lacompuerta
Flujovariado
F.G.VondadecrecienteF.R.Voleada
Flujonopermanente
Figura2.2Diferentestiposdeflujosencanalesabiertos
F.G.V=FlujoGradualmenteVariado.
F.R.V=FlujoRpidamenteVariado.
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
41
2.1.2ESTADODEFLUJO.
El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos esta gobernado
bsicamenteporlosefectosdeviscosidadygravedadenrelacinconlasfuerzas
inerciales del flujo. La tensin superficial del agua puede afectar el
comportamiento del flujo bajo ciertas circunstancias, pero no juega un papel
significativo en la mayor parte de los problemas de canales abiertos que se
presentaneningeniera.
EFECTODEVISCOSIDAD:el flujopuedeser laminar, turbulentoo transaccional
segnelefectodelaviscosidadenrelacindelainercia.
ELFLUJOESLAMINAR:silasfuerzasviscosassonmuyfuertesenrelacinconlas
fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega con un papel muy
importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo laminar, las
partculas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o en lneas de
corriente,ylascapasdefluidoconespesorinfinitesimalparecendeslizarsesobre
capasadyacentes.
El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son dbiles en relacin con las
fuerzas inerciales. El flujo turbulento, las partculas del agua se mueven en
trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas, pero que en un conjunto
todavarepresentanelmovimientohaciaadelantedelacorrienteentera.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
42
Entre los estados del flujo laminar y turbulento existe un estado mixto o
transicional.
El efecto de laviscosidad en relacin con la inercia puede representarse por el
numerodeReynolds,definidopor
uVL
R = 2.2
Donde
V=velocidaddelflujoenm/s
L = es una longitud caracterstica en pies la cual se considera igual al radio
hidrulicoRdeunconducto
=eslaviscosidadcinemticaenm2/s
ElflujoencanalesabiertoseslaminarsielNmerodeREYNOOLSRespequeo,
yturbulentosiResgrande.
EFECTO DE LA GRAVEDAD. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo
representaporrelacindelasfuerzasinercialesylasfuerzasgravitacionales.
REGIMENES DE FLUJO: en un canal el efecto combinado de la viscosidad y la
gravedadpuedeproducircualquierade4regmenesdeflujo,loscualesson:
subcrticolaminar
supercrticolaminar
subcrticoturbulento
supercrticoturbulento
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
43
1)subcrticolaminar,cuandoFesmenorquelaunidadyRestenelrango
laminar.
2)supercrticolaminar,cuandoFesmayorquelaunidadyRestenelrango
laminar.
3)supercrticoturbulento, cuando F esmayor que la unidad y R est en el
rangoturbulento.
4)subcrticoturbulento,cuandoFesmenorquelaunidadyRestenelrango
turbulento.
Figura 2.3 Fotografas que muestran cuatro regmenes de flujo en un canal de
laboratorio.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
44
2.2CLASESDECANALESABIERTOS
Uncanalabiertoesunconductoenelcualelagua,fluyeconunasuperficielibre.
Deacuerdoconsuorigenuncanalpuedesernaturaloartificial.
En los canales NATURALES influyen todos los tipos de agua que existen de
manera natural en la tierra, los cuales varan en tamao desde pequeos
arroyuelos en zonas montaosas hasta quebradas, arroyos, ros pequeos y
grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterrneas que transportan
agua con una superficie libre tambin son consideradas como canales abiertos
naturales.
Las propiedades hidrulicas de un canal natural por lo general son muy
irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empricas
razonablemente consistente en las observaciones y experiencias reales, de tal
modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables
mediantetratamientoanalticodelahidrulicaterica.Unestudiocompletosobre
el comportamiento del flujo en canales naturales requiere el conocimiento de
otroscampos,comohidrologageomorfologa,transportedesedimentosetc.
Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el
esfuerzo humano: canales de navegacin, canales de centrales hidroelctricas,
canales y canaletas de irrigacin, cunetas de drenaje, vertederos, canales de
desborde,canaletasdemadera,cunetasalolargodecarreterasetc...,ascomo
canalesdemodelosdelaboratorioconpropsitosexperimentaleslaspropiedades
hidrulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o
diseadasparacumplirunosrequisitosdeterminados.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
45
Laaplicacindelasteorashidrulicasacanalesartificialesproducirn,portanto,
resultados bastantes similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son
razonablementeexactosparapropsitosprcticosdediseos.
Bajo diferentes circunstancias en la prctica de ingeniera, los canales abiertos
artificialesrecibendiferentesnombrecomocanalartificial,canaleta,rpida,
cada,alcantarilla,tnelconflujoosuperficielibre,etc.
Elcanalartificialporlogeneralesuncanallargoconpendientesuaveconstruido
sobreelsuelo,quepuedeserrevestidoconpiedras,concreto,cemento,maderao
materialesbituminosos.
La canaleta es un canal demadera, demetal, de concreto demampostera, a
menudosoportadoeno sobre la superficiedel terrenopara conducir el aguaa
travsdeunadepresin.
Larpidaesuncanalquetienealtaspendientes.Lacadaessimilaraunarpida,
peroelcambioenelevacinseefectaenunadistanciacorta.
Laalcantarillaquefluyeparcialmentellena,esuncanalcubiertoconunalongitud
compartidamentecortainstaladoparadrenarelaguaatravsdeterraplenesde
carreterasodevasfrreas.
Eltnelconflujoasuperficielibreesuncanalcompartidamentelargo,utilizado
paraconducirelaguaatravsdeunacolinaoacualquierobstruccindelterreno.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
46
2.2.1GEOMETRADECANAL
Un canal con una seccin transversal invariable y una pendiente de fondo
constante se conoce como canal prismtico. De otra manera, el canal es no
prismticounejemploesunvertederodeanchovariableyalineamientocurvo.
Almenosqueseindiqueespecficamenteloscanalesdescritossonprismticos.
El trmino seccin de canal se refiere a la seccin transversal de un canal
tomada en formaperpendicular a la direccin del flujo.Una seccin verticalde
canal,sinembargo,eslaseccinverticalquepasaatravsdelpuntomsbajo
delaseccindelcanal.Paracanaleshorizontales,porconsiguiente,laseccindel
canalessiempreunaseccinverticaldecanal.
Las secciones de canales naturales son, por lo general, muy irregulares, y a
menudovarandesdeaproximadamenteunaparbolahastaaproximadamenteun
trapecio.Paracorrientessujetasacrecientes frecuentes,elcanalpuedeconstar
deunaseccinprincipaldel canalqueconduce los caudalesnormales,ounao
msseccioneslateralesdecanalparaacomodarloscaudalesdedesborde.
Loscanalesartificialesamenudosediseanconseccionesdefigurasgeomtricas
regulares.Latabla21relaciona7formasgeomtricasutilizadascomnmente.
El trapecio es la forma ms comn para canales con bancas en tierra sin
recubrimiento,debidoaqueproveenlaspendientesnecesariasparaestabilidad.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
47
El rectngulo y el tringulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el
rectngulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales
construidosconmaterialesestables,comomampostera,roca,metalomadera.
Laseccintriangularsloseutilizaparapequeasacequias,cunetasyalolargo
decarreterasytrabajosdelaboratorio.Elcrculoeslaseccinmscomnpara
alcantarilladosyalcantarillasdetamaopequeoymediano.
Laparbolaseutilizacomounaaproximacinaseccionesdecanalesnaturalesde
tamaopequeoymediano.
El rectngulo con esquinas redondeadas es unamodificacin del rectngulo. El
tringulocon fondoredondeadoesunaaproximacindelaparbolastaes la
formacreadaamenudoconlautilizacindeescavadoras.
Seccionesgeomtricascerradasdiferentesdelcirculoseutilizanconfrecuenciaen
alcantarillados de aguas negras, de manera particular para alcantarillas
suficientementegrandesquepermitenlaentradadeunhombre.Estassecciones
reciben diferentes nombres de acuerdo con su forma pueden ser en formade
huevo, ovoides, semielpticas, en forma de U, catenaria, herradura, manija de
canasto,etc.
Losrectngulosycuadradoscompletos,tambinsoncomunesenalcantarillados
grandes.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
48
Tabla2.1Elementosgeomtricosdeseccionesdecanal
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
49
2.2.2 ELEMENTOS GEOMTRICOS DE UNA SECCIN DE UN
CANAL.
Loselementosgeomtricossonpropiedadesdeunaseccindecanalquepueden
ser definidos por completo por la geometra de la seccin y la profundidad del
flujo.Estoselementossonmuyimportantesyseutilizanconlaamplituddelflujo.
Paraseccionesdecanal regularesysimples, loselementosgeomtricospueden
expresarsematemticamenteentrminosde laprofundidadde flujoydeotras
dimensionesdelaseccin.
Paraseccionescomplicadasyseccionesdecorrientesnaturales,sinembargono
se puede escribir una ecuacin simple para expresar estos elementos, pero
pueden preparase curvas que presenten la relacin entre estos elementos y la
profundidaddeflujoparausoenclculoshidrulicos.
A continuacin se dan las definiciones de varios elementos geomtricos de
importanciabsica.
Laprofundidaddeflujo,y,esladistanciaverticaldesdeelpuntomsbajode
una seccin del canal hasta la superficie libre. A menudo este trmino se
intercambia con la profundidad de flujo de la seccin, d. En efecto, la
profundidadde flujode la seccines laprofundidadde flujoperpendiculara la
direccindeste,olaalturadelaseccindelcanalquecontieneagua.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
50
Elniveleslaelevacinodistanciaverticaldesdeunniveldereferenciahastala
superficie libre.Sielpuntomsbajode la seccinde canal seescoge comoel
niveldereferencia,elnivelesidnticoalaprofundidaddeflujo.
ElanchosuperficialTeselanchodelaseccindelcanalenlasuperficielibre.
ElreamojadaAeselreadelaseccintransversaldelflujoperpendicularala
direccindelflujo.
ElradiohidrulicoReslarelacindelreamojadaconrespectoasupermetro
mojado,o
PA
R = 2.3
LaprofundidadhidrulicaDeslarelacinentreelreamojadayelanchodela
superficie,o
PA
R = 2.4
El factor de seccin para el clculo de flujo critico Z es el producto del rea
mojadaylarazcuadradadelaprofundidadhidrulica,o
TA
ADA
Z = = 2.5
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
51
ElfactordeseccinparaelclculodelflujouniformeAR2/3eselproductoderea
mojadayelradiohidrulicoelevadoalapotencia2/3.
Latabla21presentaunalistadeecuacionesparalosseiselementosgeomtricos
bsicos de siete secciones de canal comnmente utilizadas. Para una seccin
circular, lascurvasdelafigura24representan lasrelacionesdeloselementos
correspondientescuandostafluyellena.
2.2.3DISTRIBUCINDEVELOCIDADESENUNASECCIN
TRANSVERSAL.
Debidoalapresenciadelasuperficielibreyalafriccinalolargodelasparedes
del canal, las velocidades en un canal no estn del todo distribuidas en su
seccin.Lamximavelocidadmedidaencanalesnormalesamenudoocurrepor
debajo de la superficie libre a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad
cuantomscercaestnlasbancasmsprofundoseencuentraestemximo.
Ladistribucindeseccionesdeuncanaldependetambindeotrosfactores,como
unaformainusualdelaseccin,larugosidaddelcanalylapresenciadecurvas,
en una corriente ancha, rpida y poco profunda o en un canal muy liso la
velocidadmximaporlogeneralseencuentraenlasuperficielibre.Larugosidad
delcanalcausaunincrementoenlacurvaturadelacurvadedistribucinvertical
develocidades.Enunacurvalavelocidadseincrementedemanerasustancialen
el lado convexo, debido a la accin centrifuga del flujo. Contrario a la creencia
usual, el viento en la superficie tiene muy poco efecto en la distribucin de
velocidades.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
52
Losmodelosgeneralesparaladistribucindevelocidadesendiferentessecciones
delcanalconotrasformasseilustranenlafigura2.4.
CanalTrapezoidal
CanalTriangular
CunetaPocoProfunda Seccin
Rectangular
TuberaCanalNaturalI rregular
Figura2.4Curvascomunesdeigualvelocidadendiferentesseccionesdecanal.
Ladistribucindevelocidadesenunaseccindecanaldependetambindeotros
factores, como una forma inusual de la seccin, la rugosidad del canal y la
presencia de curvas. En una corriente ancha, rpida y poco profunda o en un
canalmuyliso,lavelocidadmximaseencuentraenlasuperficielibre.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
53
2.3DISEOHIDRULICODEUNCANAL
Para el diseo de un canal se presume queel escurrimiento se desarrollaren
condicionesde flujouniforme.Elflujonouniformesepresentarensituaciones
de cambios en la pendiente, rugosidad, dimensiones de la seccin,
embalzamientos,cadasoporcambiosinducidosporlaoperacinderganosde
operacinoseguridad.
La velocidadmedia de flujoen un canal se determina pormedio de la frmula
desarrolladaporChezy:
(2.6)
Aplicandolaleydecontinuidad,seobtienelacapacidaddeconduccin:
(2.7)
Donde:
V:Velocidadmediadeflujoenm/s
C:CoeficientedeChezy
RL:Radiohidrulicoenm
I:Pendientehidrulica
Q:Caudalenm3/s
Ah:reahidrulicaenm2
El caudal Q manifiesta la capacidad de conduccin, la pendiente hidrulica del
canal que ser funcin de las condiciones topogrficas podr estar asociada al
mismo tiempo a las velocidades lmites stas se establecern con base en las
caractersticas del material que conforme el permetro mojado y tomar en
cuentalaprobabilidaddeerosinysedimentacin.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
54
SegnManningStrickler,elcoeficientedeChezyadquierelasiguienteforma:
6
11Rh
nC =
(2.8)
donde:KscoeficientedefriccindeManningStrickler
RhRadiohidrulicoenm
Porloquelacapacidaddeconduccindelcanalsepodrexpresarpormediode
lafrmulasiguiente:
2
1
3
2
SRhnAh
Q = (2.9)
ElcoeficientedefriccindeManningStricklerdependerdeltipodematerialque
conformaelpermetromojado,delcaudalydelascaractersticasmorfolgicasdel
canal. La influencia de la rugosidad ser mayor para caudales menores,
reducindose en funcin de su incremento. Por otra parte, la configuracin en
plantatambintendrefectossobrelarugosidad,siendomayorparatrayectorias
con numerosos curvas y cambios de seccin, sin embargo esta influencia en la
prctica solo es posible determinar mediante mediciones en canales ya
construidos.
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
55
Eldiseodeuncanalrequieredelanlisisdelasvelocidadesmediasdeflujo,de
manera que no se presente sedimentacin ni erosin en el primer caso nos
referimos a la velocidad mnima o velocidad "que no sedimenta" vn.s y en el
segundoalavelocidadmximao"velocidadnoerosiva"vn.e.
Entre losprimeros intentosparaencontrar las relacioneshidrulicasde canales
sin erosin ni sedimentacin, se puede mencionar al profesor ingls R.G.
Kennedy, que present en 1895 una frmula basada en el estudio del
funcionamientohidrulicode22canalesderiegoenlaIndia(13)(12),lamisma
queseexpresadelasiguientemanera:
(2.10)
Donde:
v0= Velocidad media de flujo que no ocasiona ni sedimentacin ni erosin, en
metros/s
y=Tirantedeagua,enmetros
C=Coeficientequedependede la firmezadelmaterialqueconformael canal ,
queKingasociaalgradodefinuradelaspartculasdelsuelo.
Posteriormente, trabajos relacionados al estudio de la Teora de Rgimen,
ampliaron los niveles de conocimiento sobre la estabilidad hidrulica de los
canales,sinembargolaaplicacindelasfrmulas,desarrolladassobrelabasede
medicionesenlanaturaleza,requierendelconocimientoprecisodelosrangosde
validez de las mismas y de las caractersticas particulares de los canales que
sirvierondemodelo.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
56
Lavelocidadmnimapermisible, vn.s.,queevite la sedimentacindepartculas
slidas,puededeterminarseutilizandolafrmulaempricadeLevy:
=
ndksw
Vns0225.0
01.0(2.11)
Donde:
W=Velocidaddecadadeunapartculadedimetrodavenmm/s
dks=Dimetrocaractersticodelaspartculasensuspensinenmm.
Rh=Radiohidrulicodelcanalenm.
n=Coeficientederugosidaddelpermetromojadodelcanal.
Girshkanproponelasiguientefrmula:
(2.12)
Donde:
F=Coeficienteiguala:0.33paraw=1.5mm/s
0.44paraw=1.53.5mm/s
0.55paraw>3.5mm/s
Q=Caudalenm3/s
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
57
2.4CANALESCOMNESQUEDEMUESTRANDIFERENTES
VALORESDEn
1
2
3
1n=0.012.Canalrevestidoconplacasdeconcretoconjuntasdecementolisasyunasuperficiemuylisa,
terminadaamanoconllanayconlechadadecementosobrelabasedeconcreto
2n=0.014.Canaldeconcretovaciadopordetrsdeunaplataformamvilparanivelacinypulimento
superficial
3n=0.016.Zanjaocuneta,revestidaenconcreto,rectayuniforme,confondoligeramentecurvo,ladosy
fondosrecubiertosconundepositorugoso,elcualincrementaelvalorden.
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
58
4
5
6
4n=0.018.Revestimientodeconcretolanzadosintratamientoparaaislar.Superficiecubiertaporalgas
finasyfondocondunasdearenasarrastradas.
5n=0.018.Canasdetierraexcavadoenmargaarcillosa,condepsitosdearenaslimpiasenelmedioylodo
limosocercadeloslados.
6n=0.020.Recubrimientodeconcretohechoenuncortetoscoenrocadelava,limpio,muyrugosoy
excavadoprofundamente.
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CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
59
7
8
9
7n=0.020.Canaldeirrigacin,enarenasuavemuydensa
8n00.022.Revoqueapaetedecementoaplicadodirectamentealasuperficietratadadeuncanalentierra.
Conmalezasenloslugaresdaadosyarenasueltaenelfondo.
9n=0.024.canalexcavadoenmargaarcillosaylimosa.Lechoduroyresbaladizo
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
60
10
11
12 1
10n=00.029.Canalentierraexcavadoenunsuelodelimoaluvial,condepsitosdearenaenelfondoy
crecimientosdepastos
11n=0.030.Canalconlechodecantosrodadosgrandes.
12 n = 0.035. Canal natural, pendientes laterales algo irregulares: fondoms omenos nivelado, limpio y
regularenarcillalimosagrisclaraomargalimosamarrnclaromuypocavariacinenlaseccintransversal
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
61
13
14
15
13n=0.040.Canalenrocaexcavadoconexplosivos.
14n=0.040.Zanjaocunetaenmargaarenosayarcillosapendienteslaterales,fondoyseccintransversal
irregularespastoenlaspendienteslaterales
15n=0.045.Canal dragado,pendientes laterales y fondo irregularesen arcillanegraplstica en laparte
superiorhastalaarcillaamarillaenelfondo,ladoscubiertosconpequeosmatorralesyarbustos,variaciones
pequeasygradualesenlaseccintransversal.
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
62
2.5VALORESPARAELCOEFICIENTEDERUGOSIDAD
A partir del reconocimiento de varios factores primordiales que afectan la
rugosidad, Cowan, desarrollo el procedimiento para estimar el valor de n.
Medianteesteprocedimiento,elvalordenpuedecalcularsepor.
n=(no+n1+n2+n3+n4)n5 2.13
donde no es el valor bsico den para un canal recto, uniforme y liso para los
materialesnaturales involucrados,n1 eselvalorquedebeagregarsealn0para
corregirelefectodelasvelocidadessuperficiales,n2 eselvalorparaconsiderar
lasvariacionesen formay tamaode la seccin transversaldel canal,n3 esel
valor para considerar las obstrucciones, n4 es el valor para considerar la
vegetacin y las condiciones de flujo, y m5 es un factor de correccin de los
efectospormeandrosenelcanal.Losvaloresapropiadosden0an4ym5pueden
seleccionarseenlatabla2.25deacuerdoconlascondicionesdadas.
Alestablecerelvalorden1,seconsideraqueelgradodeirregularidadessuave
para superficies comparables con la mejor obtenible en los materiales
involucrados.
Al establecer n2 se considera que el carcter de las variaciones en tamao y
formadelaseccintransversalesgradualcuandoelcambioeneltamaooenla
formaocurredemaneragradual.
Al establecer el valor de n3 se considera la presencia y las caractersticas de
obstruccincomodepsitosdebasura,palos,racesexpuestas,cantosrodadosy
troncoscadosyatascados.
Alestablecerelvalorden4seconsideraelgradodeefectodelavegetacin:bajo,
medio,alto,muyalto.
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
63
Alestablecern5,elgradodelosefectospormeandrodependedelarelacinentre
lalongitudconmeandrosylalongitudrectadeltramodelcanal
Tabla2.2Valoresparaelcalculodelcoeficientederugosidadmediante
laecuacin(2.13).
Condicionesdelcanal ValoresTierra 0.02
Material Corteenroca 0.025Involucrado GravaFina 0.024
GravaGruesa
n0
0.028
Suave 0,000Gradode Menor 0.005
Irregularidad Moderado 0.01Severo
n1
0.02
Gradual 0,000Variacionesdela OcasionalmenteAlternante 0.005SeccinTransv. FrecuentementeAlternante
n2
0.0100.015
Insignificante 0,000Efectivorelativo Menor 0.0100.015
alasobstrucciones Apreciable 0.0200.030Severo
n3
0.0400.060
Baja 0.0050.010Vegetacin Media 0.0100.025
Alta 0.0250.050MuyAlta
n4
0.0500.100
Menor 1Gradodelos Apreciable 1.15
efectospormeandro Severo
m5
1.3
-
CAPITULOII.ASPECTOSTERICOSENELDISEODECANALES
64
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
65
CAPITULO III ANLISIS HIDROLGICO
3.1DEFINICINYOBJETIVODELAHIDROLOGA
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
66
Existen varias definiciones de hidrologa, pero la ms completa es quizs la
siguiente.
Hidrologaeslaciencianaturalqueestudiaalagua,suocurrencia,circulaciny
distribucin en la superficie terrestre, sus propiedades qumicas y fsicas y su
relacinconelmedioambiente,incluyendoalosseresvivos.
Aceptando esta definicin, es necesario limitar la parte de la hidrologa que se
estudia en la ingeniera a una rama que comnmente se le llama ingeniera
hidrolgicaohidrologaaplicada,queconcluyeaquellaspartesdelcampodela
hidrologa que ataen al diseo y operacin de proyectos de ingeniera para el
controlyaprovechamientodelagua.
Elingenieroqueseocupadeproyectar,construirosupervisarelfuncionamiento
deinstalacioneshidrulicasdeberesolvernumerososproblemasprcticosdemuy
variadocarcter.Porejemplo,seencuentraconlanecesidaddedisearpuentes,
estructurasparaelcontroldeavenidas,presas,vertedores,sistemasdedrenaje
parapoblaciones,carreterasyaeropistasysistemasdeabastecimientodeagua.
Sinexcepcinestosdiseosrequierendeanlisishidrolgicocuantitativosparala
seleccindeleventodediseonecesario.
Elobjetivodelahidrologaaplicadaesladeterminacindeesoseventos,queson
anlogosalascargasdediseoenelanlisisestructural,porponerunejemplo
dela ingeniera civil. Los resultados son normalmente solo estimaciones, con
aproximacinlimitadaenmuchoscasosyburdaenalgunosotros.
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
67
Sinembargoestasestimacionesraravezsonmenosaproximadasquelascargas
usadasenel anlisisestructuraloel volumende trficoen las carreteras ,por
ejemplo.Elanlisishidrolgicoexhaustivoes,pues,elprimerpasofundamental
en la planeacin, diseo y operacin de proyectos hidrulicos. En la fase de
planeacin y diseo el anlisis se dirige bsicamente a fijar la capacidad y
seguridaddeestructurashidrulicas.
Esasencuantoalahidrologatrataconunaspectoimportanteyvitaldelmedio
ambiente,queeselagua,esunacienciaesencialparaelaprovechamientodelos
recursoshidrulicosyeldiseodeobrasdedefensa.Aunqueestaesenciaesta
lejos de tener un desarrollo completo, existen varios mtodos analticos y
estadsticosquesonmayoromenorgradoaceptadosenlaprofesiningenieril.
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
68
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
69
3.2CICLOHIDROLGICO
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
70
Cmo se realiza el ciclo del agua?Consideremos la atmsfera comopunto de
partida del ciclo: el agua se acumula en la atmsfera bajo la accin de los
procesos de evaporacin que tienen lugar en la superficie del mar y de los
continentes y tambin por obra de plantas y animales. Al ascender, el aire
hmedo se enfra y luego se condensa parcialmente en forma de nubes en
definitiva,laatmsferacontieneaguaenformadevapor,delquidoodecristales
dehielo.Debidoalagravedad,elaguavuelveacaeralmaroaloscontinentes
enformadelluvia,nieve,granizouotraformacualquieradeprecipitacin.
Partedelaguacadavuelvesufrirelfenmenodelaevaporacinoesexpulsada
denuevoporlosorganismosvivos.Otrapartecorreporlasuperficieoseinfiltra
en el suelo para formar posteriormente cursos de agua. stos, por ltimo,
devuelvenelaguaalmar,puntodepartidadeunnuevociclo.
El ciclo hidrolgico, por lo tanto, es un sistema complejo de circulacin
interrumpida que, en continuo y a muy gran escala, asegura los procesos de
bombeo,destilacinytransportedelaguaentodassusformas.Elfenmenodela
circulacin del agua constituye una ilustracin de la ley de conservacin de la
materia,aguaennuestrocaso.Peroobservemosquenotodaelaguadelsistema
climtico participa constantemente en el ciclo hidrolgico determinadas
cantidadesseacumulanduranteperodosvariablesenlaatmsfera, labiosfera,
la criosfera (en forma de capas de nieve), elmar, los ros, los embalses y los
lagos,yenlalitosferaenformadeaguaqumicaofsicamenteligadaalossuelos
olasrocas.
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
71
Elciclodelaguacomprendedospartesprincipales:laatmosfricaylaterrestre.
Laparte terrestredel ciclohidrolgicoest representadapor todocuantohace,
referenciaalmovimientoyalalmacenamientodelaguaenlatierrayenelmar
eslamsestudiadayconocida.Laparteatmosfricadelcicloestconstituidapor
los transportesdeaguaen laatmsfera,principalmenteen formadevapor. La
interfase entre la atmsfera y la superficie del globo terrestre (incluidos los
ocanos)constituyelabisagraentreambaspartesdelciclodelagua.
Elciclohidrolgico,comoyasemencion,seconsideraelconceptofundamental
de lahidrologa.De lasmuchasrepresentacionesquesepuedanhacerdel, la
ms ilustrativa es quizs la descriptiva. Con todo ciclo el hidrolgico no tiene
principionifin,ysudescripcinpuedecomenzarencualquierpunto.Elaguaque
seencuentrasobrelasuperficieterrestreomuycercadeellaseevaporabajoel
efectodelaradiacinsolaryelviento.Elvapordeagua,queasseforma,se
elevaysetransportaporlaatmsferaenformadenubeshastaquesecondensa
y cae hacia la tierra en forma de precipitacin. Durante su trayecto hacia la
superficie de la tierra, el agua precipitada puede volver a evaporarse o ser
interceptadas por la plantas o las construcciones, luego fluye por la superficie
hastalascorrientesoseinfiltra.Elaguainterceptadayunapartedelainfiltrada
y de la que corre por la superficie seevapora nuevamente.De la precipitacin
que llegaa lascorrientes,unapartese infiltrayotra llegahasta losocanosy
otros grandes cuerpos de agua, como presas y lagos. Del agua infiltrada, una
parte es absorbida por las plantas y posteriormente es transpirada casi en su
totalidad,hacialaatmsferayotrapartefluyebajolasuperficiedelatierrahacia
lascorrientes,elmaruotroscuerposdeagua,obienhaciazonasprofundasdel
suelo (percolacin) para ser almacenadas como agua subterrnea y despus
aflorarenmanantiales,rosoelmar.
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
72
ElCiclodelAgua
Enelciclohidrolgicoelsolprovocalaevaporacinconstantedelaguaquepasa
alaatmsferaparavolveralatierraenformadelluvia,nieveogranizo.Partede
esaprecipitacinseevaporarpidamenteyvuelveotravezalaatmsfera,otra
partedelaguaqueseprecipitaperidicamentefluyeatravsdelasuperficiede
lascuencasformandoarroyosyrosparainiciarsuviajederetornoalmar.
FIGURA3.3CICLOHIDROLGICODELAGUA
En su trnsito forma lagos y lagunas o se deposita en almacenamientos
artificiales formados por presas. Otra parte del agua que llega a la superficie
terrestre en forma de lluvia, se deposita en el suelo donde se convierte en
humedad o en almacenamientos subterrneos denominados acuferos. En
condiciones normales, las aguas subterrneas se abren camino gradualmente
hacia lasuperficieybrotanen formademanantialesparavolveraunirsea las
aguassuperficialesyengrosarloscaudalesdelosros.
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
73
Las plantas y la vegetacin incorporan en sus tejidos parte de lahumedaddel
sueloydelasaguassubterrneasyluego,unapartesedesprendedeellaspor
transpiracinparapasaraintegrarsenuevamentealaatmsfera.Esteesunciclo
naturalqueserepiteintermitentemente.
Enlaatmsfera,conlaayudadelaireydelSol,elvapordeaguaseconvierteen
humedad, niebla, neblina, roco, escarcha y nubes. Y como nieve sobre las
montaas,ocomolluviaogranizoenlosvalles,seescurreenlatierra,dondela
recogen los ros y de los ros va almar. El mar retiene la sal del agua (que
recogi del suelo, la tierra y las rocas que se encontraban en los lugares por
dondepasaelro)ylaenvaalaatmsfera,purayevaporada.Delaatmsfera,
elaguacaecomolluviaybajasobrelospradosyloscampos,nutrelascosechas
ylafruta,ycorreporlostroncosyramasdelasplantasyrboles,llenndolosde
flores.Alencontrargrietasenlasrocasyelsuelo,elaguapenetrahaciaadentro
delatierra,formandolosrossubterrneosquellenanlospozosavecessaleen
pequeas cascadas o manantiales. A todo este proceso se le llama El Ciclo
Hidrolgico,ygraciasal,probablementetvolversabeberestamismaagua
cienvecesdurantetodatuvida.
El agua que tomamos ahora es la misma que se ha estado usando durante
millonesdeaos.Sehaconservadocasisincambiotantoencantidadcomoen
tipo desde que se form laTierra. El agua semantiene en tresestados: como
lquido, gas (vapor) o slido (hielo), y se recicla constantemente, es decir, se
limpia y se renueva trabajando en equipo con el sol, la tierra y el aire, para
mantenerelequilibrioenlaNaturaleza.Lainterminablecirculacindelaguaenla
tierrasellamaelciclohidrolgico.
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
74
Aunqueel aguaestenmovimiento constante, sealmacena temporalmenteen
losocanos,lagos,ros,arroyos,cuencas,yenelsubsuelo.Nosreferimosaestas
fuentescomoaguassuperficiales,aguassubterrneas.
ElsolcalientaelaguasuperficialdelaTierra,produciendolaevaporacinquela
convierteengas.Estevapordeaguaseelevahacialaatmsferadondeseenfra,
producindose lacondensacin.Asse formanpequeasgotas,quese juntany
crecen hasta que se vuelven demasiado pesadas y regresan a la tierra como
precipitacinenformadelluvia.
A medida que cae la lluvia, parte de ella se evapora directamente hacia la
atmsferaoes interceptadapor los seresvivientes.Laque sobra semetea la
tierra a travs de un proceso que se llama infiltracin, formando las napas
subterrneas.Si laprecipitacin continacayendoa la tierrahastaquestase
satura, el agua excedente entonces pasa a formar parte de las aguas
superficiales.
Tantolasaguassuperficialescomolasaguassubterrneasfinalmentevanadar
alocano.
Todaslasnubesestnhechasdepequeasgotasdeagua,decristalitosdehielo,
o de ambos, y pueden formarse en cualquier clima, en cualquier parte del
planeta,pudiendoserdediferentes formas,quedependende sualturayde la
cantidaddeairedelaatmsferaquesemuevehaciaarriba.Amedidaqueelaire
delaatmsferasube,seenfra,ysuvapordeaguasecondensaenpartculasde
materiaquesellamanncleosdecondensacin.
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
75
Haydiferentestiposdenubes.Estasseclasificandeacuerdoconsuaparienciay
alturadebase.As,lasnubesdebajonivelsonmuydelgadas,vandesdeelnivel
delsuelo,hasta2Km.dealturalasdenivelmedioseformandesdeunaaltura
de 2 hasta 5 Km. y las de alto nivel pueden alcanzar de 5 hasta 14 Km. de
altura.
Entrelasnubesdebajonivelestnlasllamadasstratusycumulus.Laalturade
basedelasnubesstratusgeneralmenteeslamsbajadelaatmsfera(600m).
Casisiempreseencuentranalrededordelasmontaasodelaspartesaltasdelas
formacionesrocosasenelocano.
Puestoqueseformanenelaireestable,esdecir,conpocaturbulenciaosinella,
el aire nuboso no semezcla con el aire limpio que estencima o abajo de l.
Comoresultado,unavinqueviajaatravsdeunanubestratustieneunvuelo
tranquilo. Si estasnubes se forman en el aire que se est elevando sobre una
montaa,puedenprovocar lluviaporeso, lagentequeviveenlosvallessabe
quelloversiaparecenestasnubesenlascimasdelasmontaas.Lasnubesdel
tipostratuspuedenformarsetambindenochecuandoelairehmedosemueve
sobreelsueloqueseestenfriando.Entonces,aunqueeldasiguienteamanece
nublado,sielsolevaporalasgotitasdeagua,lasnubesprontodesaparecen,yse
tieneundadespejado.
Las nubes de tipo cumulus (que significa "apilada") se forman en columnas de
airequeseelevanrpidamente,osobreelsueloqueestsometidoaunfuerte
calentamientodelsol.Enellas,el calor latentedecondensacincalientaelaire
queestalrededordelasgotitasdeagua,demaneraque,amedidaqueelaire
siguesubiendo,seproducemscondensacindevapordeagua.Entonces,elaire
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
76
elcualestalrededorde lasnubesbaja,secalienta,y lasgotitasdeaguaque
estn en las orillas de las nubes se evaporan, limitndose as el crecimiento
horizontalde lasnubesde tipocmulos.Cuandoestasltimassonpequeas,y
estnseparadas,significaquehabrbuentiempo.
Unejemplodenubesdenivelmedio,sonlasllamadasnimbus.Sualturadebase
varaentre600y2000m.Generalmentesepresentanenformaconjuntaconlas
nubes de tipo stratus, tomando el nombre de nimbostratus. Estas forman una
capalosuficientementegruesacomoparaimpedirelpasodelaluzdelsol,yson
lasresponsablesdelas lluvias intermitentes.Lasnubesdetiponimbostratusse
formancuandoelairecalienteyhmedoseelevademaneraconstantesobreun
reagrande.estopuedesucedercuandoexisteunfrentecaliente,oconmenos
frecuencia, en un frente fro. Generalmente el aire es estable y hay poca
turbulenciaenestetipodenubes.
Porltimo,lasnubesdetipocirrusejemplificanlasdealtonivel.
Aparecenespecialmentecuandoelaireestseco.Siaparecenaisladasenuncielo
despejado,puedenserunasealdequeseguirelbuentiempo.Peroestetipode
nubes tambinpuedenapareceralprincipiodeun frentecaliente.Sielcielose
cubre casi completamente con cirrus, y especialmente si forma una capa
continua, llamada cirrostratus, se puede predecir que habr viento y lluvia. El
vientoproduceen lasnubesde tipo cirrus filamentos (tirasque seextiendena
partirdesusorillas),cuyalongitudindicalafuerzadelviento.
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
77
En la atmsfera hay vapor de agua, que proviene de la evaporacin de los
ocanos,ros,lagos,lagunasydelatranspiracindelasplantas.Paralicuarsey
hacersevisiblenecesitaunncleodecondensacin,algodondedepositarseque
puedesertaninsignificantecomounamotitadepolvo,unaesporaounmicrobio
queflotaenelaire.Silatemperaturaessuperiora0C,conestauninseforma
unagotitadelquidotandiminutaqueavecessenecesitarnvariosmiles,unaal
lado de la otra, para que se hagan visibles. Cuando hacemucho calor, vemos
nubes blancas, densas, que se levantan al atardecer en el lecho de los ros,
subiendoporlasladerasdelasmontaas.Estasformacionesconstituyenlaniebla
olaneblina,avecestanespesa,queflotaenelairecomounasbana.Cuandola
neblina se eleva o la condensacin se produce a cierta altura, se forman las
nubes.
Lahumedaddelaatmsferasehacevisibleatravsdelrocoylaescarcha.Por
lasmaanaslashojasdelasplantas,losptalosdelasflores,yanlaspiedras
aparecencubiertasdepequeasgotasdeaguatransparenteypura,alaquese
llama roco. El vapor del agua contenido en el aire se ha condensado sobre la
superficiedeloscuerposdeunmodoparecidoala formaenqueseempaael
cristaldeunaventanaeninvierno.Losprimerosrayosdelsolevaporanelroco.
Sielfroesmuyintenso,esterocoseconvierteenhielo,ydalugaralaescarcha
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
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Las nubes no permanecen quietas, sino que caen constantemente, pero a
velocidad tan pequea, que no lleganal suelo porquemuchas veces vuelven a
evaporarse antes de alcanzarlo y ascienden de nuevo en forma de vapor. Al
aumentarelvapor,osiestavelocidaddecadasuperalos3metrosporsegundo,
lasgotasdeaguaincrementansupeso,provocando lluviacuandoestepesose
hacemayor,aumenta lavelocidaddecadacon loque la lluvia se intensificay
puedetransformarseenunatormenta.
Lafrecuenciadeintensidaddelaslluviassonvariablesenlasdiferentesregiones
delaTierraycambiandeacuerdoconlaevaporacinyconlalatitud.Laduracin
de la lluviaesmsbrevesiel tamaode lasgotasesmayor,comosucedeen
chaparronesoaguaceros.
Lasmontaastambindesempeanunpapelimportanteenlafrecuenciadelas
lluvias,puestoqueobliganalevarsealasmasasdeaire,loqueprovocalarpida
condensacin del agua y su precipitacin como lluvia y nieve. Sin embargo,
existen regiones en que la nubosidades bastante elevada, y la pluviosidad,es
decir,lacantidaddelluviaescasa,por loquelasnubessloenrarasocasiones
provocalaprecipitacin.Enestasregioneselproblemagraveeslasequa
Elvapordeaguaatmosfricocondensado,caeendiferentesformasdependiendo
delascondicioneslocales.
La nieve aparece cuando las masas de aire cargadas de vapor de agua se
encuentran con otras cuya temperatura es inferior a cero grados centgrados.
Entonceselaguasecristalizaenformade"estrellitasdenieve",quedurantesu
cadapuedenformarloscoposdenievecondiversogradodedurezaytamao.
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
79
Otras gotas se convierten en hielo: a medida que van cayendo se agrupan y
forman el granizo, que puede llegar a destrozar cosechas ya que a veces el
tamaodeloscristalesllegaaserhastade5a10centmetros,pesandovarios
gramos.
Cuandolosrayossolaresincidensobrelasgotasdeaguaqueseencuentranenla
atmsfera,laluzsereflejaysedescomponeformandoelespectronormaldela
luz,queseobservaenformadeunarcodesietecolores,quesellamaarcoiris.
RIOSCASCADASYLAGOS
La lluvia que cae sobre lasmontaas da origen a los ros. El agua de los ros
siempreestenmovimiento.Vahaciaabajo(porefectodelagravedad)ynunca
vahaciaatrs.
Lalluviaproduceunaaccinerosivaextremadaenlascumbresdelasmontaas,
yelaguasejuntaenlasladerasysedeslizaporellasenbuscadelapendiente
ms favorable, transportando todos los materiales sueltos que encuentra a su
paso. As va trazando un camino (al que se llama lecho del ro), rpidamente
dondelanaturalezaoponepocaresistencia,ylentamentecuandoencuentraroca
oalgnmaterialgrandeyduro.Elaguadelosrosesdulceytransparente.
En todos los ros que alcanzan su pleno desarrollo se pueden identificar cuatro
partes:
Lacuencaalimentadora,querecibeelaguadelaslluviasyladirigehaciasurcos
y arroyuelos que, guindolas hacia las partesms bajas, las concentran enun
nicolecho.
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
80
Eltramodedescarga,enquelasaguas,yareunidasenuncaucetorrencialbien
definido,bajancongranvelocidad,erosionandoyarrastrandomateriales.Enesta
parte del cauce del ro, el lecho es recto, angosto y hondo. Debido a las
diferenciasdealtitud,enestapartedelosrossuelenexistirrpidosenloscuales
la corrientees intensayveloz.Lasaguassaltanespumeantes,arremolinadasy
violentas. Las piedras desgajadas en el arrastre chocan varias veces contra
peas, y al golpear unas contra otras se pulen. En esta parte del ro las
discordanciasdelterrenohacenqueenalgnmomentoelrotengaquesalvarun
desnivelbruscoproducidoporunafalla.Entonceselaguaseprecipitadesdeuna
determinada altura y da lugar a unacascada o catarata, si el desnivel esmuy
grande,yaunsaltosieldesnivelespequeo.
Eltramodecalmaesdependientesuaveyescurrimientolento.Aquelcaucedel
roseestabiliza.Enestetramo,elagua,fatigadadesusluchasconlasrocas,de
haber vencido la estrechez de las gargantas y haber superado las cataratas,
pierdempetuysecalma.Aquseproducenfenmenosinteresantes,unodelos
cualeseslacaptura.
Cuando el ro llega a un valle llano, tiende a extenderse y entonces origina
graciosas curvas, llamadas meandros. Tambin en este tramo se originan las
terrazas o plataformas escalonadas que forman las montaas en cuyos valles
fluyeelro.
Porltimo,ladesembocaduraesunazonadedepsitodelosmaterialesqueel
rohalogradoarrastrarhastaelfinaldesucurso.
Al final de su largo viaje, el ro se encuentra agotado, ensancha su cauce,
aumenta su caudal, pero su velocidad es poca y su profundidad no suele ser
notable.Elro,suponiendoquenohayamuertoenunlago,sedisponeaverter
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
81
susaguasenelmar.Peronosiempresedaesadecrepitudyesacalma.Hayros
que llegan al mar con fuerza y lanzan sus aguas dulces hacia el interior del
ocano.Entoncesladesembocaduraesunenormeestuario,anchoyabierto.Pero
comoelmartambinrompecontracorriente,lossedimentosdelrosedepositan
en gran cantidad a cierta distancia de la costa, formando un banco o barra
sumamentepeligrososparalanavegacin.
Enelcasoenelqueelrodesemboqueformandodelta,sedivideennumerosos
brazos, loscualesseabrenpasoapasoconciertadificultadentreelcmulode
sedimentoscadavezmayores.Losdeltasconstituyenunodelosfenmenosms
interesantes de la naturaleza. Avanzan constantemente y es difcil prever su
desarrollofinal.
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
82
3.3HIDROGRAFA
Eldrenajeenelrea,esprincipalmentedetipodentfricoenelreayslomuy
localmente se aprecia drenaje rectangular en algunas porciones del sector
oriental(Fig.3.4).
LosrosmsimportantesdeWaE,sonlossiguientes:Tehuantepec,Juchitno
delosPerros,Chicapa,NiltepecyOstuta.Comoaccidenteshidrogrficosnotables
semencionanlaslagunasSuperior,Inferior,MarTilemeyOriental,siendolams
profundalaprimeraconprofundidadeshastade6m.
ElRoTehuantepecarrojabaalOcanoPacficocercadecincomillonesdemde
azolve anual antes de que la Secretara de Recursos Hidrulicos (1970)
construyera la PresaBenito Jurez, la cual comenz a almacenar las aguas del
RoTehuantepecapartirdejuniode1961,confinesderiego.Desdeentoncesel
volumendeazolvedescendienlaestacinhidromtricaLasCuevasacercade
1500malao.
ElRodelosPerrosnaceaunaalturade1400menelparteaguasdelaSierra
Mixey tieneuncursoSEhasta sudesembocaduraen la LagunaSuperioren la
cualtambinviertesusaguaselRoChicapaquenaceenelextremooccidental
delaSierraMadredeChiapasaunaalturade2200m.
LasaguasdelRoNiltepeciniciansucursoalestedelCerroOcotilloaunaaltura
de1400mllegandoalaLagunaInferior.ElRoOstutanaceenelparteaguasde
laSierraMadredeChiapasaunaalturade2600menelCerroPiccahoPrietoy
desaguaenelextremonorestedelaLagunaOriental.
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
83
FIGURA3.4DRENAJEENLAZONA
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
84
3.4RELACINLLUVIAESCURRIMIENTO
Essumamentecomnquenosecuenteconregistrosadecuadosdeescurrimiento
enelsitiodeintersparadeterminarlosparmetrosnecesariosparaeldiseoy
operacindeobrashidrulicas.Engenerallosregistrosdeprecipitacinsonms
abundantesquelosdeescurrimientoy,adems,noseafectanporcambiosenla
cuenca, como construccin de obras de almacenamiento y derivacin, talas,
urbanizacin, etc. Por ello, es conveniente contar con mtodos que permitan
determinar el escurrimiento en una cuenca mediante las caractersticas de las
mismasylaprecipitacin.Lascaractersticasdelacuencaseconocenpormedio
de planos topogrficos y de uso de suelo, y la precipitacin a travs de
medicionesdirectasenelcasodeprediccindeavenidasfrecuentes.
Losprincipalesparmetrosqueintervienenenelprocesodeconversindelluvia
oescurrimientosonlossiguientes:
1.readelacuenca.
2.Alturatotaldeprecipitacin
3. Caractersticas generales o promedio de la cuenca (forma, pendiente,
vegetacin,etc).
4.Distribucindelalluviaeneltiempo.
5.Distribucinenelespaciodelalluviaydelascaractersticasdelacuenca.
Debidoaque,porunlado, lacantidady lacalidadde la informacindisponible
varan grandemente de un problema a otro y a que, por otro, no siempre se
requiere la misma precisin en los resultados, se han desarrollados una gran
cantidaddemtodosparaanalizarlarelacinlluviaescurrimiento.
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
85
Desdeluegolacomplejidaddelosmtodosaumentaamedidaquesetomanen
cuenta ms de los parmetros citados anteriormente. En este sentido tambin
aumenta su precisin, pero los datos que se requieran son ms y de mejor
calidad.Sloseexplicaranlosmtodosquetomanencuentaloscuatroprimeros
parmetros, pues los que consideran todos , llamados modelos conceptuales,
matemticos o de parmetros distribuidos, se encuentran aun en su fase
experimental y, adems, la informacin disponible en Mxico todava no es lo
suficientementecompletaparasuaplicacin
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
86
3.4.1MTODODEENVOLVENTES
Estos mtodos toman en cuenta slo el rea de la cuenca. Aunque no son
mtodosqueanalicenpropiamentela relacinentre la lluviayelescurrimiento,
se explicaran por ser de enorme utilidad en los casos en que se requiera slo
estimacionesgruesasdelosgastosmximosprobables,obiencuandosecarezca
casiporcompletodeinformacin.
La idea fundamental de estosmtodos es relacionar el gastomximoQ conel
readelacuencaAcenlaforma:
Q= a A b c (3.1)
dondeQesel gastomximoy a y b sonparmetrosempricos,quetambin
pueden ser funcin de A c. Ntese que, con b=1 y a = Ci, 3.1 es la frmula
racional.Sehavistoque b enel ordendepara cuencasdereamenorque
unos1500m2ydeparacuencasmayores
Existenunagrancantidaddefrmulasdeltipodela3.1perolamsusadaen
MxicosonlasdeCreageryLowry.LafrmuladeCreageres:
q=1.303Cc (0.386Ac) a Ac 1 (3.2)
dondeqeselgastomximoporunidadderea,
045.0
936.0Ac
= a (3.3)
AcQ
q =
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
87
Cc,esuncoeficienteempricoyAcestenkm2
LaformuladeLowryes:
( ) 85.0259 + =Ac
CLq
(3.4)
DondeCLesotrocoeficienteemprico.
Los valores de CC y CL se determinan por regiones, llevando a una grfica
logartmica los gastos unitarios mximos q registrados contra sus respectivas
reasdecuencayseleccionandoelvalordeCC yCL queenvuelvena todos los
puntosmedidos(vaseporejemplofigura3.3).
ElvalordeCc=200eslaenvolventeparatodoslospuntosqueanalizCreager,
aunqueCc=100davaloresmuchoms razonablesy seusacomoenvolvente
mundial.ParalafrmuladeLowry(3.4)sepuedetomarunvalordeCL =3500
comomundial
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
89
FIGURA3.4
LaSecretariadeAgriculturayRecursosHidrulicoshacalculadolosvaloresdeCc
y CL para las 37 regiones en que ha dividido a la repblica mexicana (Vase
Figura3.4)enlatablaloscorrespondientesaCL.
TABLA3.1VALORESDELCOEFICIENTEDEENVOLVENTEDELOWRY
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
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ReginNo.
Descripcin CL
1 BajaCalifornianoroeste(Ensenada) 9802 BajaCaliforniacentro(ElVizcano) 5303 BajaCaliforniasuroeste(Magdalena) 21904 BajaCalifornianoroeste(LagunaSalada) 10505 BajaCaliforniacentroeste(Sta.Rosala) 9906 BajaCaliforniasureste(Lapaz) 51207 RoColorado 10508 Sonoranorte 7609 Sonorasur 214010 Sinaloa 329011 PresidioSanPedrozonacostera 463011 Presidiosanpedrozonaalta 47012 LermaSantiago 129013 Huicicilia 76014 Ameca 60015 CostadeJalisco 527016 ArmeriaCoahuayana 494017 CostadeMichoacn 210018 Balsasalto 109018 Balsasmedioybajo 445019 CostaGrande 210020 CostaChicaRoVerde 318020 AltoRoVerde 39021 CostadeOaxaca(Pto.ngel) 300022 Tehuantepec 217023 CostadeChiapas 119024A AltoBravoConchos 102024B MedioBravo 517024C RoSalado 141024D BajoBravo 213025 SanFernandoSotodeMarina 233026A AltoPnuco 136026B BajoPanuco 301026C ValledeMxico 76027 TuxpanNautla 245028 Papaloapan 175029 Coatzacoalcos 1840
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
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ReginNo
Descripcin CL
30 GrijalvaUsumacinta 213030 AltoGrijalva 61031 Yucatnoeste(Campeche) 37032 Yucatnnorte(Yucatn) Sindatos33 Yucatneste(QuintanaRoo) SinDatos34 Cuencascerradasdelnorte 23035 Mapim36 Nazas 151036 Aguanaval 38037 ElSalado 1310
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
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TABLA.3.2VALORESDELCOEFICIENTECcDECREAGER.
Regin Cc
1.BajaCaliforniaNorte 30
2.BajaCaliforniaSur 72
3.RiColorado 14
4.Noroeste
a)ZonaNorte 35
b)ZonaSur 64
5.SistemaLermaChapalaSantiago
a)LermaChapala 16
b)Santiago 19
6.PacficoCentro 100
7.CuencaRoBalsas
a)AltoBalsas 18
b)BajoBalsas 32
8.PacficoSur 62
9.CuencaDelRoBravo
a)ZonaConchos 23
b)ZonaSaladoySanJuan 91
10.GolfoNorte
11.CuencaRoPanuco
a)AltoPanuco 14
b)BajoPanuco 67
12.GolfoCentro 59
13.CuencaRoPapaloapan 36
14.GolfoSur 36
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
93
Tabla3.3
Velocidadmedia,m/s
Pendiente
%Bosques Pastizales
Canalnatural
nobien
definido
03 0.3 0.5 0.3
47 0.6 0.9 0.9
811 0.9 1.2 1.5
1215 1.1 1.4 2.4
3.3a 3.3b
15.SistemaGrijalvaUsumacinta 50
16.PennsuladeYucatn 3.7
17.CuencasCerradasdelNorte
(ZonaNorte)4
18.CuencasCerradasDelnorte
(ZonaSur)26
19.ElSalado(ZonaSur) 45
20.Durango 8.4
21.CuencasdeCuitzeoyPtzcuaro 6.8
22.ValledeMxico 19
23.CuencasdelRoMetztitln 37
Pendientedel
Cauce
principal,%
Velocidad
Media,m/s
12 0.6
24 0.9
46 1.2
68 1.5
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
94
AcontinuacinseaplicanlosmtodosdeLowryyCreagerenelreadeestudio
deSalinaCruzOaxaca
ElreadeSalinaCruzOaxacaquedacomprendidaenlareginhidrolgica
N. 22 la cual lleva el nombre en el boletn hidrolgico como Costas de
GuerreroyOaxaca.
El rea de influencia que se determino en la carta Topogrfica
proporcionadaporelINEGIfueaproximadamentede5025has.
ElmtododeLowryenlatabladevaloresnosdicequecomosetratadela
reginhidrolgicaN.22yelreadeestudioperteneceaSalinaCruzOaxaca
setomolazonamsprximaqueestehuantepecelcualtieneunvalorde
CL=2170.
El mtodo de Creager maneja otros valores, las cueles se manejan por
zonasenestecasoenparticularlazonadeSalinaCruzOaxacaseLocaliza
enelPacficoSuryelcualtieneunCr=62.
FrmuladeLowry q=CL/(Ac+259)0.85
q=Gastosunitariom3/s/Km2
Ac=Km2
FrmuladeCreagerq=1.303Cc (0.386Ac) a Ac 1
a =0.936/Ac 0.048
q=Gastosunitariom3/s/Km2
Ac=Km2
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CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
95
*AplicandolaFrmuladeLowry
CL=2170
Ac=5025has=50.25Km2 (readelacuenca)
( ) ( )2
3
85.085.0 584.1625925.50
2170
259Kmsm
AcC
q L = +
= +
=
sm
xQ3
35.83325.50584.16.mx = =
*AplicandolaFrmuladeCreager
Cr=62
Ac=5025has=50.25Km2 (readelacuenca)
q=1.303Cc (0.386Ac) a Ac 1
=1.303*(62)*(.386*50.25)0.694*(50.25)1 =16.05
sm
XQ3
51.80625.5005.16.mx = =
MTODO GASTOMXIMO(m3/s)
Lowry 833.35
Creager 806.51
776.025.50936.0936.0
048.0048.0 = = = Ac a
-
CAPITULOIII.ANLISISHIDROLGICO
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AplicacindeCreageryLowryalreaexclusivamentedelaRefinara
*AplicandolaFrmuladeLowry
CL=2170
Ac=725has=7.25Km2 (reaaproximadadelarefinera)
( ) ( )2
3
85.085.0 83.1825925.7
2170
259Kmsm
AcC
q L = +
= +
=
*AplicandolaFrmuladeCreager
Cr=62
Ac=725has=7.25Km2 (reaaproximadadelarefinera)
q=1.303Cc (0.386Ac) a Ac 1
=1.303*(62)*(.386*7.25)0.851*(7.25)1 =26.75
sm
xQ3
94.19325.775.26.mx = =
MTODO GASTOMXIMO(m3/s)
Lowry 136.52
Creager 193.94
sm
xQ3
52.13625.783.18.mx =