Unidad temática 4. Escorrentía superficial

1. Unidad temática4. Escorrentía superficial

2. Contenido Unidad Temática 4. Escorrentía superficial 4.1 Generalidades 4.2 Escorrentía superficial-Producción 4.3 Escorrentía superficial-Propagación

3. 4.3 Escorrentía superficial-Propagación

4. Índice • Concepto de hidrograma • Componentes y análisis del hidrograma • Hidrograma de un aguacero: Convolución • El hidrograma en S • Hidrogramas Unitarios Sintéticos • Método Racional

5. Concepto de hidrograma. Caudales diarios río perenne

6. Concepto de hidrograma. Crecida río perenne

7. Concepto de hidrograma. Caudales diarios río efímero

8. Concepto de hidrograma. Crecida río efímero: efecto “pared”

9. Concepto de hidrograma. Hidrogramade un aguacero • Recesión subterránea • Descarga de los acuíferos • Comienza la tormenta • Comienza la lluvia neta y E • Curva de ascenso del hidrograma • Aumenta la superficie de cuenca que contribuye a E • Fin de la tormenta • Fin de la lluvia neta • Máximo caudal • Curva de recesión • El caudal comienza a disminuir • Fin de E

10. Índice • Concepto de hidrograma • Componentes y análisis del hidrograma • Hidrograma de un aguacero: Convolución • El hidrograma en S • Hidrogramas Unitarios Sintéticos • Método Racional

11. Por definición los volúmenes son iguales: hietograma lluvia neta x A hidrograma de E Sin embargo, las formas son muy distintas, especialmente debido a que los caudales presentan un retraso Componentes y análisis del hidrograma. Hidrogramade escorrentía superficial

12. Tiempo de concentración (tc) Final E – final lluvia neta Máximo tiempo recorrido de una gota Componentes y análisis del hidrograma. Tiempos característicos

13. Tiempo de desfase (td) Entre centros de gravedad Componentes y análisis del hidrograma. Tiempos característicos

14. Tiempo base (tb) Duración del hidrograma tb = d + tc Componentes y análisis del hidrograma. Tiempos característicos

15. te td tc Componentes y análisis del hidrograma. Cálculo de tc en cuencas urbanas • Suma de dos componentes: • te = tiempo de entrada [2, 10] min • td = tiempo de viaje en la red de alcantarillado • Normativa Valencia 2003: • te = 6 min • Vi para Q25 (no sección llena)

16. Componentes y análisis del hidrograma. Estimación del desfase cuencas naturales (i) • Fórmula californiana • Fórmula de Giandotti • Fórmula de Kirpich • Fórmula de Ven Te Chow

17. Componentes y análisis del hidrograma. Estimación del desfase cuencas naturales (ii) • U.S. Corps of Engineers • Para el tiempo de desfase: • Experimentalmente, Lc/L ~ 0,5 • Asumiendo tm~td • Instrucción 5.2-IC de Drenaje Superficial (Témez) • Fórmula del USCE, con td/tc~ 0,45

18. Componentes y análisis del hidrograma. Inicio de la Escorrentía Superficial • Inicio del ascenso del hidrograma • Inicio del hietograma neto

19. Componentes y análisis del hidrograma. Fin de la Escorrentía Superficial • Suma del tiempo de concentración al fin del hietograma neto • Recesión subterránea pura de tipo embalse lineal

20. Componentes y análisis del hidrograma. Separación del caudal de flujo base • Unir mediante una línea recta el comienzo y el final de la escorrentía superficial

21. Índice • Concepto de hidrograma • Componentes y análisis del hidrograma • Hidrograma de un aguacero: Convolución • El hidrograma en S • Hidrogramas Unitarios Sintéticos • Método Racional

22. Q t Δt + tc Hidrograma de un aguacero.Definición de Hidrograma Unitario • Supongamos una lluvia neta de 1 mm, uniforme en el tiempo y espacio y de duración Δt • El HU de Δt, δΔt(t), es la respuesta de la cuenca frente a esa lluvia neta Δt t 1/Δt e

23. Hidrograma de un aguacero. Convolución (i) • Problema: determinar la respuesta frente a un hietograma complejo de lluvia neta con discretizaciónΔt Δt 2Δt nΔt t e Q t

24. Hidrograma de un aguacero. Convolución (ii) 1º Principio de invariabilidad: hacer uso del HU de Δt, δΔt(t) Δt 2Δt nΔt t e Q t

25. Hidrograma de un aguacero. Convolución (iii) 2º Obtener las respuestas elementales de cada ej. Por aplicación del principio de proporcionalidad: t ej e Q t

26. Hidrograma de un aguacero. Convolución (iv) 3º Por el principio de superposición, el hidrograma respuesta del aguacero es: t e Q t

27. Hidrograma de un aguacero. Principios de Sherman (i) • Principio de invariabilidad en el tiempo o de constancia del tiempo de concentración: en una cuenca dada, la duración de la escorrentía superficial correspondiente a lluvias de la misma duración es constante e independiente del volumen de la precipitación

28. Hidrograma de un aguacero. Principios de Sherman (ii) • Principio de invariabilidad en el tiempo o de constancia del tiempo de concentración • Principio de proporcionalidad: en una cuenca dada, lluvias de intensidad uniforme e idéntica duración, pero con volúmenes de precipitación distintos, producen caudales proporcionales a dichos volúmenes

29. Hidrograma de un aguacero. Principios de Sherman (iii) • Principio de invariabilidad en el tiempo o de constancia del tiempo de concentración • Principio de proporcionalidad • Principio de superposición: en una cuenca dada, la escorrentía superficial producida por una lluvia es independiente de la escorrentía concurrente de otros períodos. => El proceso de propagación es lineal => La velocidad de propagación es estacionaria => El HU es una característica de la cuenca

30. Índice • Concepto de hidrograma • Componentes y análisis del hidrograma • Hidrograma de un aguacero: Convolución • El hidrograma en S • Hidrogramas Unitarios Sintéticos • Método Racional

31. El hidrograma en S. Definición. • Respuesta de la cuenca frente a una lluvia neta uniforme, intensidad unitaria y duración infinita • No depende de Δt t 1 mm/h e Q t

32. El hidrograma en S. Tiempo de concentración • Tiempo de equilibrio frente a una lluvia neta uniforme y de duración infinita (tercera definición de tc) • En este momento, toda la cuenca contribuye eficazmente y de forma uniforme al desagüe t e Q eA t tc

33. El hidrograma en S. Obtención (i) Δt • Por superposición el input se puede desagregar en suma de inputs de los que podemos conocer su respuesta: 1 + t 1 1 + e 1 + ….

34. El hidrograma en S. Obtención (ii) • Por proporcionalidad la respuesta de los impulsos individuales es proporcional al HU de Δt: Δt t 1 e Q Δt δΔt t

35. El hidrograma en S. Obtención (iii) • Por tanto, el hidrograma en S se puede obtener por suma de infinitos HU de duración Δt desfasados un tiempo Δt y multiplicados por Δt: Δt t … 1 e Q … t

36. El hidrograma en S. Obtención de un HU (i) • A partir del H en S se puede obtener el HU de cualquier Δt Por superposición: 1/Δt’ Δt’ t + 1/Δt’ -1/Δt’ e Δt’

37. El hidrograma en S. Obtención de un HU (ii) Δt’ t Y por proporcionalidad: Luego: 1/Δt’ e Q t

38. Índice • Concepto de hidrograma • Componentes y análisis del hidrograma • Hidrograma de un aguacero: Convolución • El hidrograma en S • Hidrogramas Unitarios Sintéticos • Método Racional

39. Hidrogramas Unitarios Sintéticos. HU por isocronas (i) • Isocrona: Puntos con igual tiempo de viaje al desagüe, que depende de: • Distancia al desagüe según el recorrido de drenaje • Velocidad del flujo (función de la pendiente y la superficie drenada). Complejo de estimar

40. Hidrogramas Unitarios Sintéticos. HU por isocronas (ii) • Obtención del mapa de isocronas con velocidad constante: • A partir de un MED ráster, obtener el mapa de distancias de cada celda al desagüe di • Estimación del tiempo de concentración de la cuenca => • El mapa de tiempos de viaje será: ti = di / v • El mapa de isocronas es una discretización del anterior en unos pocos intervalos de tiempo (al menos 5)

41. Hidrogramas Unitarios Sintéticos. HU por isocronas (iii) Mapa de isocronas con velocidad constantepara un tiempo de concentración de 10.97 horas en la cuenca del embalse del Regajo (río Palancia)

42. Hidrogramas Unitarios Sintéticos. HU por isocronas (iv) • El hidrograma en S por isocronas es proporcional al “Área acumulada” en función del “tiempo de viaje”: • Parámetro: • Velocidad de propagación (o tc)

43. Hidrogramas Unitarios Sintéticos. HU de Clark • Desventaja isocronas: la velocidad es la misma para toda la E <=> sólo considera la ED => demasiado “picudo” desde el punto de vista de la E = ED+FS • Para incluir el interflujo en el HU por isocronas: HU Clark = HU isocronas + embalse lineal • Parámetros: • Velocidad de propagación (o tc) • Coeficiente de descarga del embalse lineal

44. Hidrogramas Unitarios Sintéticos. HU del SCS • Forma adimensional, con dos parámetros:

45. Índice • Concepto de hidrograma • Componentes y análisis del hidrograma • Hidrograma de un aguacero: Convolución • El hidrograma en S • Hidrogramas Unitarios Sintéticos • Método Racional

46. Método Racional. Estudios hidrológicos de crecidas • Objetivo: determinar QT = cuantil asociado a uno o varios T • Caudal pico Qp,T • Hidrograma asociado al Qp,T • Ya que Qdiseño = QT => paso previo a tareas de planificación o diseño de infraestructuras • Determinación de zonas inundables • Dimensionamiento de encauzamientos, aliviaderos de presas, drenajes de obras lineales • Iteracciones puente-río

47. Método Racional. Métodos estimación de crecidas (i) • Fórmulas empíricas: relacionanQp,T con A y poco más, ajustando funciones relativamente simples a las observaciones de un conjunto de cuencas • No se tiene en cuenta la complejidad del fenómeno • Mala extrapolación a cuencas hidrológicamente distintas de las utilizadas en la estimación empírica => Sólo orden de magnitud => ¡No utilizar nunca como resultado final!

48. Método Racional. Métodos estimación de crecidas (ii) • Fórmulas empíricas • Métodos Estadísticos: en cuencas con estación de aforos • Ajustar a la serie de caudales instantáneos máximos anuales el “mejor” modelo estadístico paramétrico • Función de distribución • Método de estimación • Dependiente de la calidad y cantidad de los datos

49. Método Racional. Métodos estimación de crecidas (iii) • Fórmulas empíricas • Métodos Estadísticos • Métodos Hidrometeorológicos: en cuencas no aforadas (lo habitual). Tradicionalmente constan de las siguientes fases: • Análisis de la Frecuencia de Precipitaciones Diarias Máximas Anuales (siempre hay datos diarios) • Cálculo de la Tormenta de Proyecto de período T • Aplicación de un modelo de transformación lluvia-escorrentía => QT

50. Método Racional. Fundamentos (i) • Tormenta de diseño: lluvia uniforme en el tiempo y en el espacio de intensidad obtenida a partir de la curva IDF => • K = Coeficiente de uniformidad temporal (adimensional) ≥ 1 • KA = Coeficiente de reducción areal (adimensional) ≤ 1 • En cuencas pequeñas ~ 1