UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL

Asignatura: Hidrología – 730008M Octava clase

Tema: ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL

Profesor: Hernán Materón Muñoz Septiembre de 2011

Escurrimiento superficial

CAUDAL: es la variable hidrológica que más interesa al ingeniero. ORIGEN: una lluvia (h) que se presenta durante un tiempo (t) se

distribuye como: Intercepción Depósitos superficiales Infiltración Escorrentía superficial

Teniendo en cuenta el camino que sigue el agua para agregarse a las

corrientes, puede ser: Superficial Sub-superficial Subterráneo

Ciclo del escurrimiento

Escurrimiento

ESCORRENTÍA SUPERFICIAL: ocurre cuando la intensidad de la lluvia (i) es mayor que la capacidad de infiltración del suelo; el escurrimiento superficial es el que viaja por la superficie del terreno hacia los cauces, entendiéndose por cauce cualquier depresión del terreno por la que pueda fluir el agua durante y después de ocurrida la precipitación.

ESCURRIMIENTO SUB-SUPERFICIAL: es la parte de la lluvia

que se infiltra y que se mueve lateralmente por los estratos más elevados hasta llegar al cauce, su movimiento es más lento que el superficial por lo que tarda más en llegar al cauce.

Su cantidad depende de las condiciones geológicas de la zona, las que pueden obligar al flujo a que aflore antes de llegar al cauce y seguir por la superficie del terreno o bien a que se agregue al escurrimiento subterráneo.

Escurrimiento

ESCURRIMIENTO SUBTERRANEO: es el producto de la lluvia que se infiltra hasta llegar a los niveles freáticos y viaja por este camino hasta enriquecer las corrientes superficiales, su movimiento es más lento que el superficial y que el sub-superficial.

Por sus características de movilidad y su fuente de abastecimiento al descargar al cauce, se conocen como “caudal de estiaje” o “caudal base”.

La separación de estas tres partes del producto de la lluvia es arbitraria y en gran parte artificial, ya que el agua podría iniciar su movimiento hacia el cauce como escurrimiento del sub-suelo o el escurrimiento del sub-suelo podrá aflorar a la superficie debido a una barrera impermeable y continuar su camino hacia el cauce por la superficie del terreno.

Escurrimiento directo y escurrimiento base

Para propósitos prácticos de análisis, el escurrimiento total de una corriente se considera formado por escurrimiento directo y un escurrimiento base llamado también de estiaje.

ESCURRIMIENTO DIRECTO: es el que se agrega a una corriente

después de ocurrida la lluvia, y está formado por: Escorrentía superficial Escorrentía sub-superficial Precipitación en el cauce o canal ESCURRIMIENTO BASE O CAUDAL DE ESTIAJE: se define como el

caudal lento y temporal que se compone de escurrimiento subterráneo y sub-superficial atrasado, muy difícil de diferenciarlo del escurrimiento sub-superficial, en la mayoría de los casos no se les hace diferencia.

Escurrimiento superficial

De una lluvia productora de escurrimiento, se considera que la precipitación total consta de: a) una parte abstracta

b) una parte llamada exceso de precipitación, siendo esta parte la que contribuye directamente al escurrimiento.

La parte considerada abstracta está compuesta por:

a) intercepción

b) evaporación

c) transpiración

d) almacenamiento en depresiones

e) infiltración

Factores que afectan el escurrimiento

FACTORES CLIMÁTICOS

Precipitación: Intensidad, Duración, Distribución en el tiempo, Área de distribución, Frecuencia.

Nieve

Evapotranspiración

FACTORES FISIOGRÁFICOS

Características de la cuenca: área de drenaje, forma, pendiente, red de drenaje, pendiente del cauce.

factores físicos: cubierta vegetal, uso del suelo, infiltración (condiciones), geología (permeabilidad y almacenamientos superficiales), lagos y lagunas.

Escurrimiento superficial

CORRELACIÓN LLUVIA – CAUDAL Dado que la lluvia es la fuente principal de el caudal debe existir

correlación entre ambas variables. Si graficamos escurrimiento anual versus precipitación anual,

encontramos gran dispersión de los puntos, lo que nos hace ver que deben haber otras variables que influyen como son:

Frecuencia Humedad antes de la lluvia Duración Época del año

Esto ha dado lugar a gráficos compuestos donde intervienen varias

variables.

La Formula Racional: para el diseño de drenajes

• La determinación de la descarga máxima en un punto dado de un cauce después de ocurrida una lluvia intensa, ha sido preocupación de primer orden.

• Se han desarrollado un gran número de fórmulas y métodos, pero se ha considerado como representativa de todas ellas a la llamada “Fórmula Racional”.

• Se basa en ciertas suposiciones que no pueden comprobarse fácilmente, y por su simplicidad tiene un gran uso en ingeniería.

La formula Racional se expresa así:

Donde: Q = caudal máximo probable, en m3/seg C = coeficiente de escurrimiento, adimensional I = intensidad de lluvia, mm/hora A = área de la cuenca, km2 La formula es llamada racional porque las unidades de

las variables que intervienen aunque aproximadas, tienen consistencia.

Fórmula Racional – Tiempo de Concentración (tc)

• Cuando se usa la fórmula racional, se supone que la máxima variación del caudal correspondiente a una lluvia de cierta intensidad sobre el área, es producida por la lluvia que se mantiene por un tiempo igual al que tarda el caudal máximo en llegar al punto de observación considerado, teóricamente este período es el “tiempo de concentración” que se define como el “tiempo requerido por el escurrimiento superficial para llegar desde la parte más alejada de la cuenca hasta que el punto que se considere”.

• Tratándose de una lluvia de intensidad uniforme podría ser el tiempo de equilibrio, durante el cual la cantidad de escurrimiento es igual a la cantidad de lluvia en toda la cuenca, sin embargo lo anterior, no es estrictamente cierto, ya que el tiempo de concentración es ligeramente mayor que el necesario para alcanzar el caudal máximo escurrido en cuencas con patrones de drenaje complejos, en cambio en cuencas pequeñas de patrón simple, el tiempo de concentración es semejante al tiempo de recesión.

Suposiciones de la Formula Racional según Krimgold

1. El valor del escurrimiento resultante de cualquier intensidad de lluvia, es máximo cuando el periodo de duración de la lluvia es mayor que el tiempo de concentración.

2. Cuando el tiempo que dura la lluvia es igual o mayor que el tiempo de concentración, el

caudal máximo escurrido es sólo una fracción de la cantidad llovida, siempre y cuando se suponga una relación lineal entre el caudal y la intensidad de lluvia y el caudal es nulo cuando la intensidad es cero.

3. La frecuencia del pico de descarga, es la misma de la lluvia con esa intensidad para un

tiempo dado de concentración. 4. La relación existente entre el caudal máximo descargado y el tamaño de la cuenca, es la

misma que hay entre la intensidad de la lluvia y el tiempo en que ocurre. 5. El coeficiente de escurrimiento, es el mismo para lluvias de varias frecuencias. 6. El coeficiente de escurrimiento es el mismo, para todas las lluvias que se presenten en la

misma cuenca. Analizando las anteriores suposiciones en que se fundamenta la Fórmula Racional, se

concluye que es un método inadecuado es inexacto, pero sin embargo se utiliza para el cálculo de crecientes y para el proyecto de diferentes obras de ingeniería, considerando los resultados que se obtienen como índices para el diseño.

Fórmulas empíricas - Tiempo de concentración (tc)

KIRPICH (1940):

Tc : tiempo de concentración, en minutos L : longitud del cauce principal, en m. ∆H: diferencia de altura entre puntos extremos, en m. S : pendiente del cauce principal, en m/m.

GUAIRE:

Tc = en horas; L = en Km; S = en m/km; A = área en km2

BUREAU OF RECLAMATION:

Tc = horas; L = km; H = desnivel en m.

S.C.S. :

Tc = tiempo de concentración, en horas Tl = tiempo de retardo, en horas S = máximo potencial de humedad, en pulgadas Y = pendiente media del cauce principal, en % L = longitud del canal, en pies

Curvas Isocronas – Diagrama % Área - tiempo

Coeficiente de escurrimiento (C):

Se considera que el coeficiente de escurrimiento es la relación que existe entre el volumen escurrido y el volumen llovido.

C = Volumen escurrido/volumen llovido El coeficiente de escurrimiento no es un factor

constante, sino variable mensual y anualmente, de acuerdo con la intensidad de la lluvia y las condiciones de la cuenca, su determinación es aproximada.

Valores empíricos del Coeficiente de escorrentía – Drenaje rural

Valores empíricos del Coeficiente de escorrentía – Drenaje urbano

Clase de superficie Valores de C

Cubiertas impermeables Pavimento asfáltico en buen estado Pavimento en piedra (concreto) Calzadas en macadam Pavimento de piedras sin juntas de cemento Calzada para grava Patios y pilotes vacíos Prados y jardines

0.75 a 0.95 0.85 a 0.90 0.75 a 0.85 0.25 a 0.60 0.50 a 0.70 0.15 a 0.30 0.10 a 0.30 0.05 a 0.25

Áreas densamente construidas Áreas adyacentes Áreas residenciales separadas Áreas suburbanas

0.70 a 0.90 0.50 a 0.70 0.25 a 0.50 0.10 a 0.25

Coeficientes de escorrentía o impermeabilidad RAS 2000 SISTEMAS DE RECOLECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES Y PLUVIALES

TABLA D.4.5

Tipos de superficie c

Cubiertas 0.75 - 0.95

Pavimentos asfalticos y superficies de concreto 0.75 - 0.95

Vías adoquinadas 0.70 - 0.85

Zonas comerciales o industriales 0.60 - 0.95

Residencial, con casas contiguas, predomínio de zonas duras 0.75

Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre estos 0.60 - 0.75

Residencial unifamiliar, con casas contiguas y predominio de jardines 0.40 - 0.60

Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados 0.45

Residencial, con predominio de zonas verdes y parques cementerios 0.3

Laderas sin vegetación 0.6

Laderas con vegetación 0.3

Parques recreacionales 0.20 - 0.35