HIDROLOGIA APLICADA. La Hidrología Aplicada utiliza la información básica y la procesa de acuerdo con las necesidades de los proyectos de aprovechamiento de los recursos hidráulicos, empleando las herramientas que ofrece la tecnología moderna. Entre los temas que desarrolla la Hidrología Aplicada están los siguientes: Hidrología en cuencas pequeñas con información escasa Drenaje de aguas lluvias Hidrología en Proyectos de Riego y Drenaje Hidrología en Proyectos de Acueducto y Alcantarillado Hidrología en Proyectos de generación de Energía Hidráulica Diseño y Operación de embalses Hidrología para estudios de aprovechamiento de Aguas Subterráneas Control de inundaciones Estimativo de los volúmenes de sedimentos que pueden afectar el funcionamiento de las estructuras hidráulicas. 1. Hidrología en cuencas pequeñas con información escasa. El problema de la información escasa es muy frecuente en las cuencas que están alejadas de los centros poblados y en las que pertenecen a zonas selváticas y montañosas. El tema trata del manejo de la información hidrológica en estudios que utilizan las fuentes de agua para captaciones, y para diseño de obras en corrientes naturales. 2. Drenaje de aguas lluvias El drenaje de aguas lluvias relaciona factores que tienen que ver con las lluvias intensas y con las características de las áreas de drenaje. En su estudio se combinan la Hidrología Aplicada y la Hidráulica general. 3. Hidrología en Proyectos de Riego y Drenaje. En los proyectos de Riego y Drenaje los estudios de Hidrología tienen su desarrollo en los siguientes capítulos: Requerimientos de agua. Los requerimientos de agua se refieren al volumen de agua que necesitan los cultivos para desarrollarse adecuadamente. Su valor depende de la relación que existe entre el clima, el suelo y el cultivo por una parte, y en el tamaño del área de proyecto, la eficiencia en la aplicación del riego y las pérdidas en las conducciones por la otra. Los estudios hidrológicos que se ejecutan para determinar los requerimientos de agua comprenden análisis de Clima, Evapotranspiración y Lluvia en períodos cortos. Necesidades de riego. Cuando los cultivos pueden desarrollarse adecuadamente dentro de las condiciones climáticas naturales de la zona del proyecto no hay necesidad de aplicar riego. En caso contrario se estudia la necesidad de aplicar riego durante aquellos períodos que presentan deficiencias porque las condiciones naturales de la zona no tienen capacidad para suministrar los requerimientos de agua, y de instalar estructuras de drenaje de los campos agrícolas para evacuar los excesos de agua que se presentan durante los períodos de lluvias altas. Capacidad de la fuente seleccionada para suministrar la demanda. Una vez que se ha determinado el valor de la Demanda de agua se analiza la fuente que va a suministrarla. Esa fuente puede ser una corriente natural o un depósito subterráneo.

1. 1. Introducción
a la Hidrología.
Conceptos básicos
Hidrología Aplicada
Escuela Politécnica Nacional
Email: Xavier.Zapata@epn.edu.ec
Ing. Xavier Zapata Rios, PhD
1

2. 2. Interacciones físicas y químicas con los materiales
del planeta
3. Los procesos biológicos y actividades humanas que afectan
su movimiento, distribución y calidad
Concepto:
Hidrología es una
de las ciencias de
la tierra que
describe y predice
la occurencia y
circulación del
agua en el planeta.
Se enfoca:
1. Distribución del
movimiento del agua sobre
y bajo la superficie,
incluyendo los
intercambios con la
atmosfera
2

3. 3
Fuente: Dingman, 2015
Flujos y almacenamientos fundamentales
en el ciclo hidrológico
Para el estudio de flujos y almacenamientos se escogen diversas
escalas espaciales.

4. 4
Fuente: Dingman, 2015
Flujos y
almacenamientos
Sobre y bajo la
superficie
terrestre

5. 5
Fuente: Dingman, 2015
Jerarquía de las ciencias desde las
ciencias básicas hasta el manejo de
recursos hídricos.
Gestión integral de cuencas
hidrográficas

6. 6
Método para el estudio de la hidrología en clase
1. Conceptos fisicos básicos de la
ciencia de la hidrología (Hidrologia
basica e Hidrologia Aplicada)
2. Contexto global, ciclo hidrológico y
de energía (Hidrologia básica)
3. Flujos y almacenamientos sobre y
bajo la superficie terrestre (esquema
slide 4) (Hidrología básica y
aplicada)

7. 7
• La hidrología es una ciencia cuantitativa
• Las relaciones hidrológicas se expresan
usualmente en forma de relaciones
matemáticas entre variables
• Leyes fisicas fundamentales que se aplican
a la hidrología:
• Conservación de masa (materia) = la materia
no se crea ni se destruye solo se tranforma.
• 1ra ley de la termodinámica = la energía no
Se crea ni se destruye solo se tranforma.
• Ley de Fick = Una substancia en difusión se mueve
desde los lugares con mayor concentración a lugares
de menor concentración.

8. 8
• Conservación de momento. Todo cuerpo persevera en su
estado de reposo o movimiento uniforme y rectilineo a no ser
que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas
sobre él.
• El cambio de momento de un cuerpo es proporcional a la
fuerza neta que actua sobre el y en la misma direccion que
la fuerza (F=m.a)
• Leyes físicas fundamentales que se aplican
a la hidrología: (cont.)
Leyes de Newton fuerza y movimiento

9. 9
Dimensiones y Unidades
Dimensiones = Cantidades que se determinan a traves
de la medición. Eg. Masa (M), Tiempo (T), distancia (L),
Temperature (Θ)
No tienen dimensiones las cantidades expresadas como la
relación entre cantidades con similares dimensiones.
Unidades = son estandares arbitrarios con los cuales se expresan
las dimensiones. El Sistema Internacional (SI) es el estandar para
todas las ramas de la ciencia.
Siempre chequear en los cálculos de hidrología
la consistencia en las dimensiones y unidades!!

10. 10
Propiedades del Agua
• Las fuerzas que actúan sobre el agua son las responsables de que
ésta se mueva a través del ciclo hidrológico.
• Las caracteristicas físicas del agua determinan las relaciones entre
las fuerzas y el movimiento resultante.
• A su vez estas propiedades fisicas estan determinadas por
las estructuras atómicas y moleculares del agua.
http://www.bionova.org.es/animbio/anim/aguatotal.swf
Animación

11. 11
Propiedades del Agua
1. Puntos de congelación y fusión
Diagrama de fase del agua
Temp fusión: 273.16 K (0 ° C)
Temp Ebullición: 373.16 K (100 °C)
Propiedad que permite que el agua exista en 3 estados en nuestro
Planeta.

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Propiedades del Agua
2. Densidad
(ρw) Es la masa por unidad de volume. El peso específico
(Ɣw) es el peso por unidad de volume. Tanto la densidad y el peso
Especifico están relacionados por la segunda ley de Newton.
Ɣw = ρw * g
‘g= gravedad = 9.81 m/s2
Ρw = 999.73 kg/m3 (10 °C)
La densidad es importante porque controla las velocidades del flujo
de agua. Causa Tambien la estratificación en los lagos.

13. 13
Propiedades del Agua
2. Densidad (Cont.)
Fuente: Dingman, 2015

14. 14
Las moléculas de agua en la superficie están sujetas a una fuerza
hacia adentro del cuerpo de agua debido a los enlaces de hidrógeno.
La tension superficial es igual a la magnitud de esa fuerza dividida
para la distancia sobre la que actúa. También la tension superficial
puede ser definida como el trabajo requerido para contrarestar
la fuerza hacia adentro del cuerpo de agua.

15. 15
La tension superficial controla la formación y el tamaño de
las gotas de agua. Controla tambien la absorpción y retención
del agua en los suelos.
La tensión superficial influencia significativamente el movimiento
del agua en pequeñas escalas (pocos milimetros). La tensión
superficial produce un fenómeno llamado capilaridad que afecta
la distribución del agua en el suelo. E.g Absorbiendo agua en
suelos secos y conservando el agua a pesar de la gravedad.
cuando Temp

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Propiedades del Agua
4. Viscosidad dinámica (μ)
• El agua se mueve en respuesta a fuerzas gravitatorias
y/o fuerzas de presión.
• La viscosidad es la fricción interna intermolecular
que se resiste al movimiento de un fluido.
• La viscosidad controla el el flujo del agua en un
medio poroso

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Propiedades del Agua
4. Viscosidad dinámica (μ) (cont.)
• A pequeñas escalas espaciales (centímetros or mas
pequeño) y pequeñas velocidades de flujo (pocos cm/s),
la resistencia de la viscosidad controla la ‘gradiente y
el flujo de agua. El flujo es lineal y es uniforme.
• Cuando el flujo de agua y las velocidades
incrementan la viscosidad ya no controla el flujo, el
cual se vuelve caotico con remolinos. A este
fenomeno se llama turbulencia
• El número de Reynolds indica si el flujo es laminar
o turbulento en suelos y en el movimiento del agua
superficial.

18. 18
Propiedades del Agua
4. Viscosidad dinámica (μ) (cont.)
‘ρw = densidad, μ es la viscosidad dinamica,
U es la velocidad promedio del liquido.
L es el diametro promedio de los poros del suelo
L en flujo de agua superficial en canales es la profundidad
Flujo laminar dominado por la viscosidad si
Re < 1 en suelos y Re< 500 en canales abiertos superficiales

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Propiedades del Agua
5. Calor latente
• El calor latente es la energía que se libera o se
absorbe cuando la masa de una substancia cambia de
fase.
• Existe el calor latente de fusion y el calor latente
de vaporización
• El calor latente de fusion (λf) (3.34 KJ/kg 0 °C) es la
cantidad de energía calórica o térmica liberada or
absorbida cuando una unidad de mas se derrite o se
congeal.
• ‘λf controla la formacion y el derretiento del hielo
y nieve

20. 20
Propiedades del Agua
5. Calor latent (cont.)
• El calor latente de vaporización (λv) (2.471 MJ/kg a
10°C) es la energía térmica que se absorbe o se libera
cuando una unidad de masa se vaporiza o condensa.
• ‘λv controla la transferencia de energia entre la
Superficie de la tierra y la atmosfera, la circulacion
Atmosferica y la precipitación.

21. 21
Propiedades del Agua
6. Calor específico ó capacidad térmica (Cw)
Es la cantidad de energía térmica absorbida o liberada
por unidad de masa y por unidad de cambio de
temperature.
Cw= 4.191 KJ/kg. K a 10° C
Cw decrese lentamente a medida que la temperatura
incrementa.
Cw modera las temperaturas del aire y agua y determina
la transferencia de calor de los oceanos.

22. 22
Deber: Considera una laguna como un Sistema hidrológico. Dibuja los
flujos de entrada y salida. Repite el analisis para un Sistema hidrológico
puntual (una parcela) solo flujos verticals en 1 dimensión.
Sistemas Hidrológicos (cont.)
La Cuenca hidrográfica
como Sistema hidrológico

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Sistemas Hidrológicos
Diagrama conceptual
de un sistema
Un Sistema consiste de 1 o mas
volúmenes de control que
recibe, almacena o descargan
una substancia.
Los diagramas de los slides 3 y
4 muestran varios sistemas
Hidrológicos.

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Fuente: Dingman, 2015
Flujos y
almacenamientos
Sobre y bajo la
superficie
terrestre
Sistemas Hidrológicos (cont.)

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Ecuaciones de conservación
La ecuación básica de conservación es una generalización
de la (1) ecuación de conservación de masa, (2) la primera
ley de movimiento de Newton (momento) (3) la primera ley
de la termodinámica (energía)
Flujos de ingresos (I) – flujos de egresos (O) = cambio en el
almacenamiento (ΔS)
Se aplica para substancias conservativas (agua), dentro de un
Volumen de control determinado y en un periodo determinado.
I-O = ΔS
I/dt – O/dt = ΔS/dt
ECUACIONES DE
BALANCE DE AGUA

26. Foto: Galo Zapata
26
La Cuenca Hidrográfica
Es un área natural de terreno en donde el agua drena y confluje
a un punto comun de salida de agua

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La Cuenca Hidrográfica
• Los límites politicos no coinciden con los
bordes de las cuencas hidrográficas.
• El manejo de la cantidad y calidad del
agua require una perspectiva de Cuenca.
• Se debe tomar en Cuenca que la divisoria
de aguas de una cuenca no
necesariamente representa los limites de
los acuiferos y del agua subterránea.

28. 28
Delineación manual de cuencas hidrográficas
• Determinar el punto de drenaje de la
cuenca (sitio de aforo de caudal) sobre el
mapa topográfico
• Dibujar la red de drenaje
• Del punto de drenaje dibujar lineas
perpendiculares a las curvas de nivel
tanto al lado izquierda y derecho
• Una linea divisoria de aguas nunca corta
ninguna linea de drenaje
• La delimitación es preferable hacerlos
con ayuda de SIG

29. 29
Ejemplo carta Otavalo del IGM (1:50000)
Ejercicio para la clase

30. 30
Ejemplo carta Imantag del IGM (1:50000)

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Delineación manual de cuencas hidrográficas (cont)
Deber: delinear manualmente el área de drenaje
de la quebrada Arrayan Huaycu (32-33, 82-84),
Rio volador (31-30, 84-85), Rio Pamplona
(26-27, 79-80), Rio Cariyacu (19-20,94-95) (Carta IGM OTAVALO)
¿Cuál es el area aproximada de drenaje de las cuencas?
http://hydrosheds.cr.usgs.gov/overview.php
HydroSHEDS es un product del USGS y WWF
Que proporciona informacion hidrologica para
Estudios regionals y globales a varias escalas en
Formatos raster y vector

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Tiempo de residencia
El tiempo de residencia (Tr) de un
reservorio es el periodo promedio de
Tiempo que una parcela de agua
Permanence en el reservorio.
Tr
Se calcula Tr dividiendo el
volumen almacenado de agua
en el reservorio por flujo
promedio de ingreso o egreso

33. 33
ECUACION DEL BALANCE HIDRICO
I-O = ΔS
Unidades? mm (lámina de agua) ó m3 (volúmenes)
1 m2
1 mm
= 1 litro / m2 = 0.001 m3

34. 34
EJERCICIO
¿Cuánta agua se puede recoger en 1 ha de terreno durante un dia
lluvioso en el cual se registró una precipitación de 10 mm?
Se conoce los componentes (flujos) de un balance hidrológico
durante 1 año de un lago con un área de 4.2 km2. Los
componentes son P=1083 mm, Qin= 2.33e7 m3; GWin = 2.2e5
m3; GWout=0.6e5m3, Qout=2.7e7m3. La superficie del lago, h, al
finalizar el año incrementó en 10.8 cm. Usando el método del
balance hidrológico, ¿Cual es la estimación de la evaporación?

35. 35
P= 1083 mm
P= 1.083 m
Area= 4.2 km2
Area= 4200000 m2
Vol. Precip= 4’548600 m3
ΔS= 10.8 cm
ΔS= 0.108 m
Vol ΔS= 453600 m3
P+Qin+Gwin-Gwout-Qout-ET=ΔS
ET= P+Qin+Gwin-Gwout-Qout-ΔS
ET= 555000 m3
ET= 0.13 m
ET= 132.14 mm
RESOLUCION