Hidrología básica y aplicada

2014
Hidrología Básica y Aplicada
Carlos Gutiérrez C.
Primera Edición

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Carlos Aníbal Gutiérrez Caiza
Ingeniero civil, obtuvo su título en la Universidad Central del Ecuador, efectuó estudios de
postgrado en Gerencia de Proyectos Educativos y Sociales en la Universidad Central del
Ecuador, Máster en Hidrología General y Aplicada en el Centro de Estudios y
Experimentación de Obras Públicas – CEDEX de España, y está culminando su Maestría
en Ingeniería Ambiental y Seguridad Industrial en la Universidad Nacional de Piura – Perú.
Durante doce años viene dictando la cátedra de Hidrología en la Carrera de Ingeniería Civil
de la Universidad Politécnica Salesiana, al igual que las materias de Estadística, Proyecto
Hidrológico, Drenaje Vial y Formulación de Proyectos. En la Carrera de Ingeniería Ambiental
ha dictado durante dos años las cátedras de Estadística y Meteorología en la misma
universidad.
También ha dictado la cátedra de Hidrometeorología Básica en la Facultad de Geología y
Petróleos en la Maestría en Ciencias de la Tierra y Gestión del Riesgo en la Escuela
Politécnica Nacional.
Consultor de importantes proyectos y empresas especializadas en estas áreas a lo largo de
su ejercicio profesional que supera ya los 22 años.

“El pesimista se queja del viento. El optimista
espera que cambie. El realista ajusta las velas”.
George Ward
Educar es aprender dos veces

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Contenido
INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................................6
A LA HIDROLOGÍA.............................................................................................................................................6
1.1 Definición...................................................................................................................................................................................6
1.2 Distribución del agua en el planeta .......................................................................................................................................6
1.3 Algunas definiciones hidrometeorológicas .........................................................................................................................8
1.4 La Hidrología en la Ingeniería...............................................................................................................................................10
1.5 El ciclo hidrológico ................................................................................................................................................................11
1.6 Balance hidrológico...............................................................................................................................................................13
1.7 Sistema hidrológico...............................................................................................................................................................16
CUENCAS HIDROGRÁFICAS O HIDROLÓGICAS...........................................................................................22
2.1 Cuenca hidrográfica...............................................................................................................................................................22
2.2 Características físicas de una cuenca hidrográfica..........................................................................................................24
2.3 Características topográficas de una cuenca hidrográfica...............................................................................................25
2.4. Drenaje de una cuenca hidrográfica ..................................................................................................................................29
2.5 Suelos .....................................................................................................................................................................................31
2.6 Orientación..............................................................................................................................................................................31
2.7 Tiempo de concentración (Tc)..............................................................................................................................................31
LA HIDROLOGÍA Y SU RELACIÓN CON LA METEOROLOGÍA Y CLIMATOLOGÍA.......................................34
3.1 Introducción............................................................................................................................................................................34
3.2 Meteorología ...........................................................................................................................................................................34
3.3 Climatología ............................................................................................................................................................................34
3.4 Principales parámetros meteorológicos que interesan a la Hidrología e instrumentos en que se miden..............34
HIDROMETRÍA .................................................................................................................................................45
4.1 Introducción............................................................................................................................................................................45
4.2 Estaciones hidrométricas .....................................................................................................................................................45
4.3 Medición de caudal ................................................................................................................................................................46
4.4 Curvas de descarga o de gasto............................................................................................................................................61

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4.5 Generación de caudales........................................................................................................................................................69
LA PRECIPITACIÓN.........................................................................................................................................72
5.1 Introducción............................................................................................................................................................................72
5.2 Origen de las precipitaciones...............................................................................................................................................74
5.3 Análisis y relleno de datos....................................................................................................................................................75
5.4 Análisis de consistencia de un registro pluviométrico y ajuste de la Estadística.......................................................83
5.5 Test de consistencia y contraste de hipótesis ..................................................................................................................90
5.6 Registros pluviométricos o fajas pluviográficas..............................................................................................................90
5.7 Análisis de lluvias intensas ..................................................................................................................................................92
5.8 Variabilidad de la precipitación............................................................................................................................................98
5.9 Precipitación máxima probable..........................................................................................................................................107
CAUDALES DE APROVECHAMIENTO..........................................................................................................111
6.1 Introducción .....................................................................................................................................................................111
6.2 Curva de duración o permanencia de caudales..........................................................................................................111
ESTADÍSTICA APLICADA A LA HIDROLOGÍA..............................................................................................123
7.1 Introducción..........................................................................................................................................................................123
7.2 Análisis probabilístico de la información hidrológica....................................................................................................124
7.3 Funciones de probabilidad y frecuencia ..........................................................................................................................128
7.4 Parámetros estadísticos......................................................................................................................................................132
7.5 Ajuste de una distribución de probabilidades.................................................................................................................134
7.6 Análisis de frecuencias hidrológicas................................................................................................................................142
7.7 Distribuciones de probabilidad para variables continuas .............................................................................................145
ESTUDIO DE CRECIENTES O AVENIDAS.....................................................................................................163
8.1 Introducción..........................................................................................................................................................................163
8.2 Métodos para la estimación de crecidas ..........................................................................................................................163
8.3 Métodos hidrometeorológicos de estimación de crecidas o avenidas .......................................................................164
8.4 Infiltración - hidrograma de una cuenca unitaria ...........................................................................................................169
8.5 Hidrogramas..........................................................................................................................................................................177
8.6 Hidrograma unitario.............................................................................................................................................................184

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8.7 Hidrogramas unitarios sintéticos ......................................................................................................................................193
ESTUDIO DE PROPAGACIÓN DE CRECIDAS O AVENIDAS.................¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.

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Prefacio
El conocimiento de la hidrología en el país es muy limitado debido a que la bibliografía que
se utiliza son traducciones que no alcanzan a satisfacer las necesidades de quienes
estudian este tema, por ende la dificultad del estudiante de ingeniería civil para aprender
esta materia es alta, por lo que nace una iniciativa en escribir este compendio de “Hidrología
básica y aplicada para estudiantes de ingeniería civil”, basado en libros muy reconocidos y
utilizados en el país, así como en experiencias vividas por el autor en el campo y como
docente en la Universidad Politécnica Salesiana en las carreras de Ingeniería Civil y
Ambiental.
En este contexto el tratado abarca desde conceptos elementales como introducción a la
hidrología, elementos básicos del ciclo hidrológico, principios científicos que lo gobiernan, y
las técnicas más utilizadas en la práctica para la cuantificación de estos fenómenos
aplicados a la solución de problemas en el campo de la ingeniería civil.
De acuerdo con la experiencia del autor en los campos de la hidrología, hidráulica,
formulación de proyectos de ingeniería civil y los recursos hídricos, acompañado de una
bibliografía adecuada, se expone en una forma equilibrada los componentes del ciclo
hidrológico como un sistema, características de las cuencas hidrográficas que sirven de
base para la cuantificación de los diferentes parámetros hidrológicos, la relación existente
entre la hidrología y la meteorología con los diferentes instrumentos y equipos utilizados
para su medición en el campo.
Es importante conocer la manera cómo se genera la información hidrológica, es por eso que
todo el capítulo 4, está dedicado a la hidrometría desde la instalación de las estaciones,
diferentes métodos de medición de caudales, generación de curvas de descarga, hasta la
obtención del dato hidrológico a ser utilizado.
En el capítulo 5, se desarrolla todo lo relacionado a la precipitación como un vector de
entrada en el estudio del ciclo hidrológico, su origen, análisis, homogenización y completado
de datos faltantes empleando técnicas estadísticas y test de validación, para luego
determinar los valores promedio de la precipitación en una cuenca hidrográfica aplicando
diferentes métodos de cálculo, también se hace un análisis de fajas pluviográficas para
determinar las curvas de Intensidad-Duración –Frecuencia que sirven para la generación de
caudales para obras de drenaje urbano y rural, y la determinación de los hidrogramas
unitarios sintéticos a partir de datos de eventos de lluvias.
En el capítulo 6 se estudia la curva de duración general de caudales que es muy útil para
determinar si una fuente es suficiente para suministrar la demanda o si hay necesidad de
construir embalses de almacenamiento, pero siempre tomando en cuenta la demanda.
En el capítulo 7, se hace énfasis en el tratamiento estadístico de las series de
precipitaciones y caudales, desde el análisis probabilístico de la información hidrológica,
funciones de probabilidad y frecuencia, ajuste de una distribución de probabilidades, análisis
de frecuencias hidrológicas hasta obtener datos de diseño para obras de protección y/o
control de inundaciones que se diseñan en la ingeniería civil.
En el capítulo 8, se hace un estudio relacionado a las crecidas y/o avenidas, métodos
hidrometeorológicos para determinar datos de caudales, infiltración, hidrogramas y tipos,
hidrograma unitario, hidrogramas unitarios sintéticos como el hidrograma unitario de Soil
Conservation Service-SCS, y otros. Todo esto permite generar caudales de diseño en sitios
donde no se tiene estaciones hidrométricas, basándose en información de precipitaciones
de una cuenca hidrográfica.

5
El libro contiene ejercicios resueltos y propuestos por cada uno de los capítulos, con el fin de
resolver y ejercitar la hidrología, y el contenido del libro tiene un alcance hasta el estudio de
crecidas lo que obliga al autor que en una segunda edición más los comentarios recibidos
en esta primera edición, se amplíen a temas como tránsito de crecidas en cauces naturales
y embalses, y producción de sedimentos en las cuencas hidrográficas.
Expreso mi gratitud a todas las personas que han colaborado en la edición de este libro, a
quienes expreso mi gratitud. Agradezco especialmente a la Universidad Politécnica
Salesiana por darme la oportunidad de publicar este libro que espero sea de gran utilidad
para los estudiantes que siguen la carrera de ingeniería civil.
Dedico este libro a mi esposa Carmen y a mis hijos Wilmita, Carlitos y Danielito.

6
CAPÍTULO 1
Introducción
a la hidrología
1.1 Definición
Existen varias definiciones de hidrología, pero la más completa es la siguiente:
La hidrología viene del vocablo griego hidro: agua y logos: tratado; es la ciencia natural
geográfica que se dedica al estudio de la distribución, espacial y temporal sobre y debajo de
la superficie terrestre, de su ocurrencia, circulación, cuantificación, utilización y de las
propiedades del agua presentes en la atmósfera, en la superficie terrestre y debajo de ella.
Esto incluye las precipitaciones, la escorrentía superficial y subterránea, la humedad del
suelo, la evapotranspiración y el equilibrio de las masas glaciares.
Una concepción más moderna divide a la ciencia del agua en Hidrología Sistemática
(Hidrología Teórica) e Hidrología Física, de acuerdo con la forma de enfocar el ciclo
hidrológico. La primera hace uso de modelos matemáticos, mientras que la segunda se basa
en las leyes físicas.
La hidrología se divide en dos grandes ramas: Superficial y subterránea.
El agua se encuentra dentro de la naturaleza en tres estados: líquido, sólido y gaseoso.
La Hidrología está interrelacionada con muchas otras ciencias, entre las cuales se
encuentran la Meteorología, la Climatología, la Geología, la Hidráulica, la Oceanografía y el
comportamiento del agua en la naturaleza.
Si bien es cierto la tierra es definida como el planeta azul debido a la abundancia de agua,
pero en el momento de realizar la evaluación de su disponibilidad para uso directo e
inmediato, nos encontramos con la realidad que el recurso agua es escaso y está distribuido
geográficamente en forma irregular.
1.2 Distribución del agua en el planeta
La cantidad de agua que hay en el planeta es enorme. Si se extendiera sobre toda la tierra
formaría una capa de unos 3000 m. de profundidad, sin embargo alrededor del 97% de esta

7
agua está en los mares y océanos y es salada, apenas el 3% es agua dulce, figura 1.2.1, por
lo que no se puede usar ni para beber ni para agricultura, ni para la mayor parte de usos
industriales.
Figura 1.2.1 Distribución del agua a nivel mundial (planeta Tierra).
(Fuente: Gleick, P. H., 1996)
A pesar de esto, los ríos y lagos son las principales fuentes de agua que la población usa a
diario. Una estimación de la distribución del agua a nivel mundial se observa en la tabla 1.2.1.
Tabla 1.2.1 Distribución del agua a nivel mundial,
Fuente: Gleick, P. H., 1996, modificado por el autor
Fuente de agua Volumen de agua,
en metros cúbicos
Volumen de agua,
en millas cúbicas
Porcentaje de agua
dulce
Porcentaje total de
agua
Océanos, Mares y
Bahías
1,338,000,000 321,000,000 --
94.92
Capas de hielo,
Glaciares y Nieves
Perpetuas
24,064,000 5,773,000 68.7
1.71
Agua
subterránea
23,400,000 5,614,000 --
1.66
Dulce 10,530,000 2,526,000 30.1 0.75
Salada 12,870,000 3,088,000 -- 0.91
Humedad del
suelo
16,500 3,959 0.05
0.001
Hielo en el suelo y
gelisuelo
(permafrost)
300,000 71,970 0.86
0.021
Lagos 176,400 42,320 -- 0.013
Dulce 91,000 21,830 0.26 0.006
Salada 85,400 20,490 -- 0.006
Atmósfera 12,900 3,095 0.04 0.001
Agua de pantano 11,470 2,752 0.03 0.001
Ríos 2,120 509 0.006 0.0002
Agua biológica 1,120 269 0.003 0.0001
Total 1,409,560,910 338,168,194 100 100.00

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1.3 Algunas definiciones hidrometeorológicas
Precipitación (P)
Es el agua de procedencia atmosférica que cae sobre la superficie terrestre, ya sea en forma
líquida (llovizna, lluvias o chubascos) o en forma sólida (nieve o granizo). La precipitación se
mide por la altura en mm que alcanzaría su equivalente en agua en una superficie plana y
horizontal donde no existan pérdidas ni por evaporación ni por infiltración.
Evaporación (E)
Es la cantidad de agua que se transforma en vapor desde superficies de agua libre, nieve o
hielo, el suelo o la vegetación. La medida común de la evaporación está dada en milímetros
(mm).
Transpiración (T)
Es la cantidad de agua que por un proceso biológico es devuelta a la atmósfera por las
plantas a través de las hojas, agua que las raíces extraen del suelo para el desarrollo y vida
de los vegetales, se mide en mm.
Evapotranspiración (ET)
Es la suma de la cantidad de agua que pasa a la atmósfera por los procesos de evaporación
del agua interceptada por el suelo y de la transpiración de las plantas, se estima en mm.
Evapotranspiración potencial (ETP)
Es la cantidad de agua que si estuviera disponible sería evapotranspirada desde una
superficie dada. Se estima en mm (UNESCO, 1990).
Evapotranspiración real (ETR)
Es la cantidad de agua que realmente pasa a la atmósfera por el proceso de
evapotranspiración. Su valor máximo sería la evapotranspiración potencial, se estima en mm
(UNESCO, 1990).
Radiación
Es la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas emitida por cualquier
cuerpo a temperatura superior a la del cero absoluto (-273°C), mientras que radiación solar
son las ondas electromagnéticas emitidas por el sol y comprendidas entre 120 a 0.010 micras
(Guevara, 1995).
Insolación
Es la cantidad de energía en forma de radiación solar que llega a un lugar de la Tierra en un
día concreto (insolación diurna) o en un año (insolación anual), se refiere específicamente al

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número de horas y décimas durante las cuales el sol brilla en un lugar, se mide mediante el
heliógrafo.
Temperatura
Es un valor numérico que indica el estado de calor de un cuerpo, expresado en grados
centígrados (°C), Fahrenheit (°F) o Kelvin (°K). En meteorología y en climatología se aplica al
aire, al agua y al suelo, pero, cuando no se indica lo contrario, se refiere a la temperatura del
aire (Guevara, 1995).
Intercepción
Proceso por el cual una parte de la lluvia caída, queda retenida en la cubierta vegetal y
estructuras. Este es un proceso de difícil medida y cuantificación, se pierde por evaporación y
transpiración antes de penetrar en el suelo, se mide en mm.
Infiltración (I)
Es el flujo del agua hacia el interior de la tierra a través de su superficie. La mayor parte de la
precipitación se infiltra en el terreno, por eso su estudio es fundamental ya que determina el
agua disponible para la evapotranspiración y la recarga de los acuíferos, y; modifica
totalmente el hietograma determinando la escorrentía superficial, siendo un proceso
altamente no lineal que trunca el hidrograma, se mide en mm.
Flujo subsuperficial
Se presenta en la zona no saturada es decir inmediatamente por debajo de la superficie del
terreno donde coexisten dos fluidos el aire y el agua que son inmiscibles.
Percolación (p)
Flujo del agua a través del suelo bajo la acción de gradientes hidráulicas moderadas, debido
a la acción de la gravedad.
Capilaridad (c)
En la zona no saturada el agua ocupa los poros de menor tamaño y el aire los más grandes.
Esto se debe a la existencia de una presión capilar, fruto de la curvatura de las interfaces
aire-agua, como el agua moja las partículas sólidas, ésta se encuentra siempre en la parte
convexa del menisco y por lo tanto a menor presión que el aire, por lo que el agua se
encuentra sujeta a fuertes gradientes de presiones elevándose o cayendo según la variación
de estas gradientes de presiones.
Almacenamiento en depresiones
Es el almacenamiento de agua que se presenta en las depresiones del terreno.
Escorrentía superficial (Q)
Es el agua que no se infiltra y que escurre sobre la superficie de la cuenca que en general no
es horizontal, e inicia su camino hacia abajo para alcanzar el punto de control a la salida de la
cuenca. Se mide en mm para luego transformar en m3
/s.

10
1.4 La Hidrología en la Ingeniería
Desde el punto de vista de Ingeniería Civil, la Hidrología incluye los métodos para determinar
el caudal como elemento de diseño de las obras que tienen relación con el uso,
aprovechamiento y control del agua.
La Hidrología se utiliza principalmente en relación con los proyectos de ingeniería civil y el
funcionamiento de las estructuras hidráulicas y más aún ahora debido a los últimos
acontecimientos de lluvias intensas en el oriente y costa ecuatoriana, fenómenos extremos
como “El Niño” se hace aún más indispensable tomar en cuenta a la Hidrología evaluando los
caudales que circulan por los ríos que inundan grandes extensiones de zonas pobladas y de
cultivos. Por todos estos motivos, se hace necesario hacer ciertas preguntas como:
 ¿Cuál es el caudal máximo que pasa por un río para diseñar un vertedero o aliviadero
de una presa?
 ¿Cuál es el caudal máximo que esperarse en un sistema de desagües para una
ciudad o para el diseño de un alcantarillado?
 ¿Cuál es el caudal con que debo diseñar una toma para agua potable, riego o
hidroelectricidad?
 ¿Qué cantidad de agua debo embalsar para satisfacer la demanda de abastecimiento
y/o riego para una determinada zona?
 ¿Con que caudal debo diseñar y operar estructuras hidráulicas, tratar y disponer
aguas residuales?
 ¿Cuál es el caudal con que debo diseñar un sistema de drenaje urbano y rural?
Todas estas preguntas debe responder el hidrólogo.
Además de estos temas la Hidrología tiene aplicaciones prácticas en la navegación, erosión y
control de sedimentos, control de salinidad, disminución de la contaminación, uso
recreacional del agua y protección de la vida terrestre y acuática.
Las agencias de agua a nivel del país deben saber qué cantidad de agua existe en una
determinada cuenca, subcuenca o microcuenca para poder concesionar, para lo cual se
requiere de un hidrólogo; sin embargo en el país no existe esta formación a nivel de la
universidad ecuatoriana, por lo que el ingeniero civil debe asumir esta responsabilidad,
siendo la Hidrología una parte esencial de la enseñanza del ingeniero civil.
El papel de la Hidrología básica y aplicada es ayudar a analizar los problemas relacionados
con estas labores y proveer una guía para el planteamiento y el manejo de los recursos
hidráulicos.
Por regla general, cada problema hidrológico es único, por cuanto está relacionado con un
conjunto específico de características físicas geográficas de una cuenca hidrográfica; por lo
que no es posible transferir directamente las conclusiones de una cuenca a otra, pero
utilizando procedimientos apropiados se puede lograr dicha transferencia en forma válida
bastante aproximada.
En la tabla 1.4.1 se presentan estudios hidrológicos requeridos en proyectos de
multipropósito.
Tabla 1.4.1 Estudios hidrológicos requeridos para proyectos multipropósito
Estudio 1 2 3 4 5
Propósito Precipitación Evaporación Infiltración
Caudales,
niveles
Condiciones de
aguas

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subterráneas
1. Erosión del suelo
Intensidad y
duración
Humedad del
suelo
Capacidad de
infiltración
- -
2. Control de
crecientes
Altura de
precipitación de la
tormenta
-
Tasa de
infiltración
actual
Frecuencia de
caudales
máximos
Infiltración entrante
3. Navegación - - -
Hidrograma de
niveles.
Curvas de
duración de
niveles.
Niveles
mínimos
Infiltración de agua
a través de canales
4. Hidroelectricidad Precipitación
Evaporación sobre
el área de drenaje
y el embalse
-
Máximos y
Promedios.
Hidrogramas
de crecida
Infiltración a través
de presas
5. Drenaje
Frecuencia de
tormenta,
intensidad y
duración
Altura de drenaje
anual
Tasa de
infiltración
actual
- Niveles freáticos
6. Irrigación
Variación mensual
y anual de la
precipitación
Máxima
evaporación,
transpiración
Pérdidas por
infiltración
Años húmedos
y secos,
niveles en
bocatoma
Pérdidas por
percolación, nivel de
tabla de agua
7. Abastecimiento
de aguas
Precipitación
Evaporación sobre
el área de drenaje
y embalse.
-
Años húmedos
y secos
Rendimiento seguro
8. Embalse de agua
subterránea
Precipitación anual
sobre el área de
abastecimiento
Evaporación anual
del área de
abastecimiento
Infiltración
anual, recarga
Infiltración
entrante y
saliente
Almacenamiento
Fuente: Monsalve, 1999
1.5 El ciclo hidrológico
Se refiere al movimiento general del agua, ascendente por evaporación y descendente
primero por las precipitaciones y después en forma de escorrentía superficial y subterránea.
El ciclo se hace visible empezando con la evaporación de las aguas de los océanos, el
vapor resultante es transportado por las masas de aire en movimiento, en determinadas
condiciones formando nubes que a su vez pueden ocasionar precipitaciones.
Una parte precipita y regresa al mar, otra se precipita pero no llega abajo sino que vuelve a
evaporarse durante el camino, finalmente una tercera parte cae al suelo. Una porción puede
ser retenida sobre la vegetación (árboles, bosques y plantas), y no llegar nunca a la tierra ya
que regresa a la atmósfera por evaporación; es lo que constituye la intercepción. El agua
que llega a la superficie puede seguir varios caminos, una parte se evapora directamente
hacia la atmósfera, otra podría infiltrarse dentro del perfil del suelo. En el caso de que la
intensidad de la lluvia exceda a la tasa de evaporación e infiltración se forman charcos sobre
las irregularidades del terreno, los cuales se conocen como almacenamiento en
depresiones.

12
La lluvia disponible para el movimiento sobre la superficie (agua en exceso a la evaporación,
infiltración y en depresiones) se denomina exceso de lluvia. La escorrentía no puede ocurrir,
sin embargo, sino hasta tanto la capa de agua cubra totalmente el camino del movimiento.
Una porción de la escorrentía puede infiltrarse (infiltración) dentro del suelo o evaporarse de
regreso hacia la atmósfera, antes de alcanzar el cauce del río.
El agua infiltrada pasa a formar parte de la zona denominada de aereación o zona no
saturada (Figura 1.5.1.) que solo retiene una limitada cantidad de agua en forma de
humedad del suelo. La máxima cantidad de agua que retiene el suelo en esta zona se
denomina capacidad de campo; el exceso pasa a través del perfil hacia la zona inferior,
zona saturada o agua subterránea. El agua subterránea puede ascender por capilaridad
hacia la zona superior o fluir como flujo base hacia las corrientes del sistema de drenaje de
la cuenca.
Figura 1.5.1 El agua subterránea comienza Figura1.5.2 El agua subterránea fluye bajo la superficie
con la precipitación (Escurrimiento subsuperficial)
Fuente: Gleick, P. H., 1996
Como se muestra en la figura 1.5.2, la dirección y velocidad del movimiento del agua
subterránea están determinadas por varias características del acuífero y de las capas
confinadas del suelo (donde el agua tiene dificultad en penetrar). El movimiento del agua por
debajo de la superficie depende de la permeabilidad (que tan fácil o difícil es el movimiento
del agua) y de la porosidad (la cantidad de espacio abierto en el material) de la roca
subsuperficial. Si la roca permite que el agua se mueva de una forma relativamente libre
dentro de ella, el agua puede moverse distancias significativas en un corto período de
tiempo. Pero el agua también puede moverse hacia acuíferos más profundos, desde donde
demorará años en volver a ser parte del ambiente.
De lo descrito anteriormente se puede deducir nítidamente cinco fases que intervienen en
los estudios hidrológicos:
 Precipitación
 Evaporación y evapotranspiración
 Escorrentía superficial
 Escorrentía subsuperficial y
 Escorrentía subterránea.
En general el ciclo hidrológico constituye el conjunto de fenómenos que transforman el agua
de una fase en otra y su movilización de una localidad a otra; es un sistema cerrado sin
principio ni fin. En la figura 1.5.3, se presenta un esquema representativo del ciclo
hidrológico.

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Figura 1.5.3 Esquema del ciclo hidrológico
Fuente: es.wikipedia.org, modificado por autor
En resumen el ciclo hidrológico es un concepto más bien teórico, pero útil, que corresponde a
un modelo o idealización del movimiento, distribución y circulación general del agua en la
Tierra. De acuerdo a este concepto, el ciclo hidrológico abarca no solamente el movimiento y
distribución del agua dentro de las masas continentales (escorrentía, infiltración, percolación,
etc.) sino también el movimiento y circulación desde la hidrósfera a la atmósfera (evaporación),
desde la atmósfera a la litósfera (precipitación) y desde esta última nuevamente a la hidrósfera
y la atmósfera (escorrentía, evaporación, transpiración).
Desde un punto de vista global, el ciclo hidrológico es un proceso continuo, pero que contiene
elementos de azar y variaciones no continuas o discretas al considerar extensiones o territorios
más reducidos. Por ejemplo, en el caso de una cuenca hidrológica, la precipitación, no puede
ser considerada como un proceso continuo sino discreto en el tiempo. Sin embargo, subsisten
procesos continuos, como la evaporación y evapotranspiración, que ocurren en todo momento,
pero con cambios graduales de sus tasas de acuerdo a las variaciones de la energía solar.
La Hidrología propiamente tal estudia aquella parte del recorrido que abarca desde el
instante en que la precipitación llega al suelo hasta el regreso del agua hacia la atmósfera o
al océano.
De todo esto lo que interesa al hidrólogo es lograr una comprensión cualitativa del ciclo
hidrológico y medir cuantitativamente las cantidades de agua que se desplazan durante el
ciclo.
1.6 Balance hidrológico
El conocimiento de la distribución, movimiento, cantidad, permanencia, variación y
transporte del agua en los distintos lugares donde pueden concentrase, sirve para el
conocimiento de su balance, ya que éste debe estar basado en el proceso global que
gobierna el ciclo hidrológico.
Las cantidades de agua involucradas en uno o varios de los procesos del ciclo hidrológico,
usualmente pueden evaluarse mediante la siguiente ecuación diferencial:

14
I – Q = dS/dt (1.6.1)
Donde:
I = aporte o afluente por unidad de tiempo
Q = descarga o efluente por unidad de tiempo
dS/dt = cambio de almacenaje por unidad de tiempo
La ecuación (1.7.1) permite plantear el balance hidrológico (superficial y subterráneo),
mediante las variables mostradas en la figura 1.7.1.
Figura 1.7.1 Esquema del ciclo hidrológico de una región.
Fuente: Edilberto, Guevara 1991, Pág. 13., Modificado por el autor
- Balance hídrico sobre la superficie
P + R1 –R2 +Rg – Es – Ts –I = ∆Ss (1.6.2)
- Balance hídrico debajo de la superficie
I + G1 – G2 – Rg – Eg – Tg = ∆Sg (1.6.3)
Balance total es la suma de 1.7.2 y 1.7.3
P – (R2-R1) – (Es +Eg) – (Ts- Tg) – (G2-G1) = ∆(Ss + Sg) (1.6.4)
Resumiendo la ecuación y eliminando los subíndices, y; haciendo referencia a lluvia total (P)
y valores netos de flujo superficial (R ), flujo subterráneo ( G), evaporación ( E), transpiración
( T) y almacenaje ( S), el balance de una región se puede simplificar a:
P – R – G – E – T = ∆S (1.6.5)
Las unidades de la ecuación pueden ser expresadas en altura media de agua sobre la
cuenca o cuerpo de agua en mm., como volumen de agua (hm3
), o en forma de flujo (m3
/s).
En la práctica se engloba E y T en el término de evapotranspiración (ET).
P – R – G – ET = ∆S (1.6.6)

15
Para cálculos en cuencas extensas y largos periodos de tiempo, el caudal medio (Q) está
constituido por R y G, con lo cual, se puede simplificar aún más la ecuación hidrológica:
P – Q – ET = ∆S
(1.6.7)
Ejemplo 1.6.1.La lluvia media anual en una cuenca de 600 Km2
es 1600 mm, el caudal medio de 12
m3
/s. ¿Qué cantidad de agua se pierde por la evapotranspiración?
Solución:
Datos
P = 1600 mm. En términos medios anuales ∆S = 0 en la Ec. (1.7.7): P – Q = ET
A = 600 Km2 ET = 1600 – (12*86400*365*1000)/ (600*106
)
Q = 12m3/s ET = 1600 – 630.7
ET = ? ET = 969.3 mm/año
Ejemplo 1.6.2. Utilizando los registros hidrológicos de 50 años en una cuenca de drenaje con un área
de 500 Km2
, se calculó el promedio anual de lluvia en 90 cm y el promedio anual de escorrentía en
33 cm, Se ha planeado la construcción de un embalse a la salida de la cuenca, con una superficie
promedio de 1700 ha, con el fin de recolectar la escorrentía disponibles para abastecer de agua a
una comunidad cercana.
Se ha estimado que la evaporación anual sobre la superficie del embalse es de 130 cm. No existen
infiltraciones de agua subterránea o caudales de entrada a la cuenca.
Determine el caudal promedio anual disponible que puede retirarse del embalse para el
abastecimiento de agua.
Solución:
Datos
P = 90 cm = (0.9 m) En términos medios anuales ∆S = 0 en la Ec. (1.6.7):
P – Q = ET= Pérdidas
A = 500 Km2 Pérdidas en la cuenca = P - Q
Q = 33 cm (0.33 m) Pérdidas en la cuenca = 0.9 – 0.33 = 0.57 m = 9.04 m3
/s
A embalse = 1700 ha (17 Km2
) E embalse = (17*106
*1.3*0.7)/ (365*86400) = 0.49 m3
/s
E embalse = 130 cm (1.3 m) Q escorrentía = (500*106
*0.33) / (365*86400) = 5.23 m3
/s
C = 0.7 (coeficiente anual de embalse) Q = 5.23 – 0.49 (m3
/s)
Q =?
Q medio anual disponible = 4.53 m3
/s
Ejemplo 1.6.3 Calcule la salida constante de agua de un embalse de 500 Ha durante un periodo de
tiempo de 30 días en el cual el nivel del embalse descendió 0.50 m a pesar que hubo un caudal d
entrada de 200000m3
/día. Durante este periodo la pérdida total por flujo subterráneo fue de 2cm, la
precipitación total fue de 10.5 cm y la evaporación total fue de 8.5cm.
Solución:
Ae = 500 Ha
t = 30 días
∆H = 0.5 m

16
Q entrada = 200000 m3
/día
Infiltración = 2 cm = 0.02 m
Precipitación = 10.5 cm = 0.105 m
Evaporación = 8.5 cm =0.85 m
Q entrada = 200000 m3
/día * (1 día) / (86400 s) =
2.315 m3
/s
Q infiltración = (5x106
m22
* 0.02 m) / (30 días *
86400 s) = 0.039 m3
/s
Q precipitación = (5x106
m2
* 0.105 m) / (30 días * 86400 s) = 0.203 m3
/s
Q evaporación = (5x106
m2
* 0.086 m) / (30 días * 86400 s) * 0.7 = 0.115 m3
/s
Calculamos el caudal de salida en el embalse
Q salida = Q entrada + Q precipitación – Q infiltración – Q evaporación
Q salida = 2.315 m3
/s + 0.203 m3
/s – 0.039 m3
/s – 0.115 m3
/s = 2.359 m3
/s
1.7 Sistema hidrológico
Se ha propuesto la siguiente definición de sistema: "Un sistema es una estructura, mecanismo,
esquema o procedimiento, ya sea real o abstracto, que relaciona en el tiempo y el espacio, una
causa entrada, o estímulo de materia, energía información, con un efecto salida, o respuesta de
información, energía o materia".
De acuerdo a esta definición el ciclo hidrológico o el ciclo de escorrentía puede visualizarse y
analizarse como sistema hidrológico, y a su vez, pueden considerarse diferentes subsistemas
tales como el acuífero, con sus procesos de almacenamiento y escurrimientos, la vegetación
con sus procesos de intercepción y evapotranspiración, el suelo con los procesos de flujo
superficial, infiltración y almacenamiento, la atmósfera, etc. El tratar una componente del ciclo
hidrológico como un sistema, o un subsistema, y el grado de detalle con que éste se considere,
dependerá de la naturaleza y objetivo del estudio y, por lo tanto, en cierta medida de la
disciplina científica que lo aborde.
De acuerdo a lo expuesto, se puede resumir simbólicamente los conceptos de análisis (y
síntesis) de sistema hidrológico según el diagrama que se presenta en la figura 1.7.1.
Figura 1.7.1 Diagrama de análisis y síntesis de sistemas hidrológicos
e = 8.5 cm
0.5 m
Q salida
P = 10.5 cm
I = 2 cm
Q entrada
LEYES FÍSICAS
ESTÍMULO
RESPUESTA
SISTEMAS
HIDROLÓGICOS
NATURALEZA Y ESTADO
DEL SISTEMA

17
Fuente: autor
El sistema natural fundamental con que trabaja el hidrólogo es la cuenca u hoya hidrográfica.
Una cuenca es una unidad básicamente definida topográficamente, y drenada por un sistema
de cauces superficiales (ríos, esteros, quebradas) de tal manera que toda la escorrentía que se
genera en la superficie encerrada por la línea divisoria de las aguas, se descarga a través de
una salida única e identificable.
Una cuenca (y en general cualquier subsistema hidrológico: subcuenca, tramo de un río,
subregión, etc.) puede describirse y analizarse por medio de un balance hidrológico que no es
otra cosa que la aplicación detallada de la ecuación general de balance de masa, o ecuación
de continuidad, cuya expresión general es:
(1.7.1)
Donde "I" representa los insumos o entradas al sistema por unidad de tiempo, "Q" las salidas
por unidad de tiempo y dS/dt es la tasa de variación con el tiempo del almacenamiento de
masa o volumen en el sistema.
El ciclo hidrológico puede representarse como un sistema cuyos componentes principales
son la precipitación (P), la evaporación (E) y el escurrimiento (Q). Para su análisis puede
dividirse en subsistemas, estudiarlos por separado y combinar luego los resultados de
acuerdo a las interacciones entre ellos (Ven Te Chow).
Figura 1.7.2 Esquema de concepción de una cuenca como un sistema hidrológico
Fuente: autor
El objeto del análisis del sistema hidrológico es estudiar la operación y el comportamiento
del sistema y predecir su salida.
Un modelo del sistema hidrológico es una aproximación al sistema real, sus entradas y
salidas son variables hidrológicas mensurables y su estructura (transformación del sistema)
es un conjunto de ecuaciones que conectan las entradas y las salidas.
Las entradas y las salidas pueden expresarse como funciones del tiempo, I (t) y Q (t)
respectivamente, en donde t pertenece al rango de tiempo en consideración. El sistema
realiza una transformación de la entrada en salida representada por Q (t)= ΩI (t).
E
∆S
Q
P
Cuenca hidrológica
Divisoria de aguas
dt
dS
Q
I 


18
Figura 1.7.3 Esquema de entradas y salidas en un sistema hidrológico
Fuente: autor
La cual se conoce como ecuación de transformación del sistema. El símbolo Ω es una
función de transferencia, entonces Ω es un operador algebraico. Por ejemplo si Q (t) = C I (t)
donde C es una constante, entonces la función de transferencia es el operador.
Si la transformación es descrita por una ecuación diferencial, entonces la función de
transferencia sirve como un operador diferencial. Por ejemplo, un embalse lineal tiene su
almacenamiento S relacionado con su caudal de salida Q a través de:
S = K*Q (1.8.1)
Donde K es una constante que tiene dimensiones de tiempo. Por consiguiente, la tasa de
cambio:
dS/dt = I(t) – Q(t) (1.8.2)
Del almacenamiento con respecto al tiempo dS/dt es igual a la diferencia entre la entrada y
la salida.
dS/dt = I(t) – Q(t) (1.8.3)
Eliminando S en las ecuaciones y reordenando,
K dQ/dt + Q (t) = I(t) (1.8.4)
Luego
Ω = Q (t) / I (t) = 1/(1+KD) (1.8.5)
Donde D es el operador diferencial d/dt. Si la ecuación de transformación ha sido
determinada y puede ser resuelta, entonces se encuentra la salida como función de la
entrada. La ecuación 1.8.5 describe un sistema n lineal si K es una constante. Si K es una
función de la entrada I o de la salida Q entonces, describe un sistema no lineal que es más
difícil de solucionar (Chow et al., 1996).
1.8 Modelos hidrológicos
Los modelos hidrológicos surgen de la necesidad de estimar las magnitudes de las variables
que intervienen en el ciclo del agua y pueden dividirse en dos categorías:
Modelos físicos.- son aquellos que representan el sistema a una escala reducida, como por
ejemplo un modelo hidráulico representado por el vertedero de excesos de una presa.
Dentro de estos modelos están los modelos analógicos, que usan otro sistema físico con
propiedades similares a las del prototipo, por ejemplo en agua subterránea un modelo
Ω (t)
I (t) Q (t)
(t)

19
eléctrico basado en la analogía matemática entre el flujo de agua (Ley de Darcy) y el flujo de
electricidad (Ley de Ohm).
Modelos matemáticos.- Los modelos matemáticos representan el sistema hidrológico en
forma abstracta, mediante un conjunto de ecuaciones que relacionan las variables de
entrada y de salida. Estas variables pueden ser funciones del espacio y del tiempo, y
también pueden ser variables probabilísticas o aleatorias que no tienen un valor fijo en un
punto particular del espacio y del tiempo.
1.8.1 Modelos matemáticos en Hidrología
Los modelos matemáticos en la Hidrología se clasifican en:
Modelos determinísticos: Estudian los fenómenos hidrológicos considerando relaciones
precisas de causa - efecto sin tener en cuenta las condiciones aleatorias del fenómeno o sus
componentes. El hidrólogo determinista estudia cada fenómeno bajo leyes físicas o
analíticas rígidas e inmutables.
Idealmente, un modelo determinístico debería proveer el mejor detalle en la simulación de
los procesos físicos o químicos. En la práctica, sin embargo, la aplicación de modelos
determinísticos está asociada frecuentemente a la incapacidad del modelo o del modelador
de resolver la variabilidad temporal y espacial del fenómeno natural en incrementos
suficientemente pequeños, esos modelos a su vez se clasifican en empíricos (basado en
fórmulas empíricas propias para el sitio estudiado) y conceptuales.
Los modelos conceptuales son representaciones simplificadas de los procesos físicos,
usualmente recaen sobre descripciones matemáticas (ya sean en forma algebraica o por
ecuaciones diferenciales ordinarias), que simulan procesos complejos basándose en unas
pocas claves de parámetros conceptuales. El uso extensivo de los modelos conceptuales en
la ingeniería hidrológica refleja la complejidad inherente del fenómeno y la incapacidad
práctica de considerar los componentes determinísticos en todas las instancias. De allí que
los modelos conceptuales son sustitutos útiles y prácticos para los modelos determinísticos,
empíricos y conceptuales (Estrela T., 1992).
Un ejemplo típico de modelo conceptual sería la cascada de reservorios lineales, que
simulan los procesos físicos de la concentración del escurrimiento y la difusión del mismo
que están siendo simulados en el medio representados por las ecuaciones matemáticas de
un reservorio lineal, en donde se toman en cuenta los datos de lluvia-escurrimiento medidos
en la cuenca.
Estos modelos se clasifican en físicos y analíticos, y los modelos analíticos a su vez en
globales y matriciales o distribuidos.
Modelos probabilísticos.- Son exactamente lo opuesto en significado a los modelos
determinísticos. Un modelo probabilístico se formula siguiendo las leyes del azar o
probabilidad, son de tres tipos: (1) regresión-correlación, (2) estadísticos, y (3) estocásticos.
Un ejemplo de este modelo sería el método de Gumbel para el análisis de frecuencia de
inundaciones (crecientes).
Los modelos estadísticos tratan con ejemplos observados, mientras que los modelos
estocásticos con la estructura del azar observada en ciertas series hidrológicas temporales -
por ejemplo, flujos diarios de corriente en cuencas de tamaño medio. El desarrollo de
modelos estadísticos requieren invariablemente el uso de datos; los modelos estocásticos
enfatizan sobre las características estocásticas de los procesos hidrológicos. Un ejemplo de
este modelo sería la simulación Monte Carlo que ha sido utilizada primeramente en la

20
generación sintética de series hidrológicas temporales, tales como flujos diarios de corriente
de cuencas de tamaño medio, las cuales muestran componentes sustanciales del azar.
Esta clasificación se observa en la figura 1.8.1.
Figura 1.8.1 Clasificación de los modelos matemáticos en Hidrología
Los modelos hidrológicos sirven para: reconstrucción y regeneración de series de datos,
estimación de caudales, previsión de eventos extremos, gestión de embalses, simulación de
transportes de contaminantes, simulación de los niveles del acuífero.
Bibliografía
Chow, Ven Te; Maidment D.R., Mays L.W.(1996)- Hidrología aplicada. Santa Fe de Bogotá,
Colombia: McGraw-Hill Interamericana, Primera Edición traducida, .
Gleick, P. H., (1996) Water resources. En S. H. Schneider (Ed.) Encyclopedia of Climate and
Weather, (vol. 2: 817-823). New York: Oxford University Press.
Guevara P., Edilberto., Cartaya D. Humberto (1991). Hidrología, una introducción a la
ciencia hidrológica aplicada. Valencia Venezuela: Gueca Ediciones, , Primera edición, 1991
Monsalve S. Germán (1999). Hidrología en la Ingeniería. Bogotá D.C.: Editorial Escuela
Colombiana de Ingeniería, Segunda Edición..
Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO)
(1982). “Guía metodológica para la elaboración del balance hídrico de América del Sur”,
Editorial Rostalac.
Estrela, T. (1992) Modelos matemáticos para la evaluación de recursos hídricos. Centro de
Estudios, Hidrográficos. Madrid. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas
Estadístico
Regresión,
Correlación Estocásticos
Lineales No lineales Físicos
Matriciales
(distribuidos)
Analíticos
Globales
Empíricos Conceptuales
Probabilístico
Determinísticos
Modelos matemáticos en Hidrología

21
PROBLEMAS
1.1 Plantee el esquema de abastecimiento de la población X de 28.000 habitantes y 300
litros/día/habitante de dotación con las siguientes fuentes de agua superficial.
1.2 Calcule la salida constante de agua de un embalse de 1500 ha de superficie durante un periodo
de 30 días en el cual el nivel del embalse descendió medio metro a pesar de que hubo un caudal de
entrada promedio de 180.000 m3
/día . Durante este periodo, la pérdida total por flujo subterráneo fue
de 4 cm, la precipitación total fue de 10.5 cm, y la evaporación total fue de 8.5 cm.
1.3 Con los datos dados determine el agua almacenada al final de marzo, si en el embalse había 60
Hm3
a principio de enero.
Mes E F M
Aporte (m3/s) 4 6 9
Descarga (m3/s) 8 11 5
1.4 Un suelo arenoso de 0.5 m de espesor radicular, tenía almacenado 50 mm de agua al final de
junio. Estime el agua útil almacenada durante julio si llovió 150 mm y se evaporó 110 mm.
1.5 En una estación hidrométrica ubicada a la salida de una cuenca, se realizaron mediciones
(aforos), de igual manera; en una estación pluviométrica ubicada en el centroide de la cuenca se ha
registrado la tormenta correspondiente. Si al inicio de la tormenta el almacenamiento en la cuenca era
nulo ¿Qué cantidad de agua permaneció almacenada en la cuenca al final del período de duración de
la tormenta?, ¿Qué porcentaje de precipitación se convirtió en caudal durante el período de la
tormenta? y ¿Cuál fue el almacenamiento máximo? Adicionalmente grafique la distribución temporal
de la precipitación, caudal, cambio en almacenamiento y almacenamiento acumulado. El área de la
cuenca es de 400 Km2
Tiempo (h) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Precipitación
(mm)
0 8.5 13.6 11.5 7.3 4.5 0.9 0 0 0 0 0 0 0 0
Caudal
(m3/s)
0.1 0.1 2.4 6.2 7.1 3.8 2.9 1.9 1.3 0.6 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1

22
CAPÍTULO 2
Cuencas hidrográficas o
hidrológicas
2.1 Cuenca hidrográfica
Se consideran dos definiciones desde el punto de vista de dos autores:
Cuenca hidrográfica es una superficie de tierra que drena hacia una corriente en un lugar
dado (Ven Te Chow, 1996).
Cuenca hidrográfica es un área definida topográficamente, drenada por un curso de agua o
un sistema conectado de cursos de agua, tal que todo el caudal efluente es descargado a
través de una salida simple (Monsalve, 1996).
La cuenca de un río incluye las cuencas vertientes superficial y subterránea, para su
conocimiento nos valemos de las divisorias de aguas.
2.1.1 Divisorias
Se define como divisoria de aguas a una línea que separa la superficie de tierra cuyo
drenaje fluye hacia un río dado de las superficies de tierra cuyos desagües corren hacia
otros ríos. El terreno encerrado por la divisoria recibe el nombre de cuenca del río.
Figura 2.1.1 Cuenca hidrográfica

23
Existen dos clases de divisorias: Topográfica e hidrográfica.
Divisoria topográfica:- Obtenida de un plano topográfico, delimita el contorno dentro del
cual toda gota de agua, si escurriese libremente, acabaría pasando por el punto de estudio
del cual ese contorno es divisoria.
Divisoria hidrográfica.- Establece los límites de los embalses de agua subterránea, de
donde se deriva el caudal de la cuenca; para encontrar ésta, se deberá tener en cuenta que,
por filtración, puede haber aporte de agua de cuencas colindantes, o pérdidas de la propia a
favor de aquellas. Salvo en el caso de cuencas con zonas muy permeables, ambas
divisorias coinciden sensiblemente (Rodríguez J. 2000).
Figura 2.1.2 Corte transversal de una cuenca hidrográfica
Normas prácticas para el trazado de divisorias
 Escoger una carta topográfica a una escala adecuada. Como orden de magnitud se
puede considerar que para cuencas de unos 1.000 Km2
una escala adecuada es de
1: 25.000, para cuencas menores escala 1: 10.000 y para mayores la escala
1:50.000 (Estudios hidrológicos).
 La línea divisoria corta perpendicularmente a las curvas de nivel.
 Según se pasa de una curva de nivel a otra, si la altitud crece, la divisoria la corta por
su parte convexa, y si decrece corta a las curvas de nivel por su parte cóncava según
se observa en la figura 2.1.3.
 Abatiendo sobre un plano horizontal, un plano vertical que corte al terreno
perpendicularmente a la divisoria, el punto de mayor cota de la intersección del plano
y el terreno será el de la divisoria.
Figura 2.1.3 Punto alto de cuenca (divisoria)

24
 La línea divisoria no debe cortar el cauce de un río, quebrada, arroyo, etc., salvo en
el sitio del río denominado punto de estudio.
2.2 Características físicas de una cuenca hidrográfica
Para pode definir la afinidad hidrológica entre dos cuencas se recurre al estudio de una serie
de elementos físico-geográficos, como son el clima, pluviometría, vegetación, geología,
topografía, etc. Del estudio de la topografía, superficie y perímetro de la cuenca, se obtienen
unas características físicas muy útiles.
Estas características dependen de la morfología (forma, relieve, red de drenaje, etc.), los
tipos de suelos, las prácticas agrícolas, etc. Estos elementos proporcionan la posibilidad de
conocer la variación en el espacio de los elementos del régimen hidrológico.
Las características físicas de una cuenca desempeñan un papel esencial en el estudio y
comportamiento de algunos de los componentes del ciclo hidrológico tales como la
evaporación, infiltración, flujo superficial y otros.
2.2.1 Área de drenaje (A)
Es el área plana (proyección horizontal) incluida entre su divisoria topográfica, se mide en
Km2
, hectáreas u otra unidad de superficie.
2.2.2 Perímetro de la cuenca (P)
Es la longitud total de la divisoria de aguas, desde el inicio del punto de estudio hasta
finalizar en el mismo, se mide en Km u otra unidad de longitud.
2.2.3 Forma de la cuenca hidrográfica
La forma de la cuenca interviene de una manera importante en las características del
hidrograma de descarga de un río, particularmente en los eventos de avenidas máximas y
está relacionado con el tiempo de concentración de la cuenca. En general, cuencas de igual
área pero de diferente forma generan hidrogramas diferentes. Para determinar la forma de
una cuenca se utilizan los coeficientes que a continuación se describen:
2.2.4 Índice de compacidad de la cuenca (Kc)
También denominado índice de Gravelius, es la relación entre el perímetro de la cuenca y la
longitud de la circunferencia de un círculo de área igual a la de la cuenca.
A = π*r2
r = (A/ π)1/2
(2.2.1)

25
Kc = P/(2πr) (2.2.2)
Sustituyendo (2.2.1) en (2.2.2)
Kc = P/ (2π (A/π) 1/2
) Kc = 0.28 P /A1/2
(2.2.3)
En donde:
P: perímetro de la cuenca en Km.
A: área de drenaje de la cuenca en Km2
.
Cuanto más irregular sea la cuenca mayor será su coeficiente de compacidad. Una cuenca
circular posee un coeficiente mínimo igual a uno. Existe mayor tendencia a las crecientes en
la medida en que este valor sea próximo a la unidad.
2.2.5 Factor de forma de la cuenca (Kf)
Es la relación entre el ancho medio y la longitud axial de la cuenca. La longitud axial de la
cuenca se mide cuando se sigue el curso de agua más largo desde la desembocadura hasta
la cabecera más distante de la cuenca.
El ancho medio B se obtiene cuando se divide el área por la longitud axial de la cuenca.
Kf = B/L (2.2.4)
B = A/L (2.2.5)
Kf = A/L2
(2.2.6)
En donde:
B: ancho medio en Km.
L: longitud axial de la cuenca en Km.
A: área de drenaje en Km2
.
Una cuenca con factor de forma bajo está menos sujeta a crecientes que otra del mismo
tamaño pero con mayor factor de forma.
2.3 Características topográficas de una cuenca hidrográfica
2.3.1 Altitud media de la cuenca
Es el resultado de dividir la suma de los productos de la altitud media entre dos curvas de
nivel consecutivas, por la superficie comprendida entre ambas curvas de nivel por la
superficie total de la cuenca.
H=
𝛴 (𝐴𝑖 𝑥 𝐻𝑖 )
𝛴𝐴
(2.3.1)
En donde:
Hi: Altitud media entre dos curvas de nivel consecutivas en m.
Ai: Superficie de la cuenca comprendida entre las dos curvas de nivel anterior en
Km2
.
A: Superficie total de la cuenca en Km2
.

26
Este parámetro influencia sobre la precipitación, las pérdidas de agua por evaporación y
transpiración, consecuentemente sobre el caudal medio de una cuenca.
2.3.2 Pendiente de la cuenca
La pendiente de la cuenca tiene una relación importante con los fenómenos de infiltración, el
escurrimiento superficial, la humedad del suelo y la contribución del agua subterránea al
flujo de los cauces (Campos, 1992).
Esta característica controla en buena parte la velocidad con que se da la escorrentía
superficial y afecta, por lo tanto, el tiempo que lleva el agua de la lluvia para concentrarse en
los lechos de los cauces que constituyen la red de drenaje de las cuencas.
Según Heras (1972), entendemos por pendiente media de una cuenca a la media
ponderada de todas las pendientes correspondientes a áreas elementales en las que
pudiéramos considerar constante la máxima pendiente.
El método más antiguo para obtener la pendiente media consiste en ponderar las
pendientes medias de superficies o bandas de terreno en las que queda dividida la cuenca
por las curvas de nivel.
(2.3.2)
Donde: S = es la pendiente media de la cuenca (m/m)
∆H = la equidistancia entre curvas de nivel (metros)
Lcm = longitud de todas las curvas de nivel (Km.)
A = área total de la cuenca (Km2
)
También se puede obtener la pendiente media de una cuenca como el cociente entre la
diferencia de elevación máxima medida entre el punto más alto del límite de la cuenca y la
desembocadura del río principal, y la mitad del perímetro de la cuenca (Llamas, 1993).
(2.3.3)
Donde: H = es la citada diferencia de cota (m)
P = Perímetro de la cuenca (Km)
Tabla 2.3.1 Rangos de pendiente y tipo de terreno (Heras, 1972)
Rangos de pendiente (%) Tipo de terreno
0 – 2 Llano
2 – 5 Suave
5 -10 Accidentado medio
10 – 15 Accidentado
15 – 25 Fuertemente accidentado
A
HLcm
S


P
H
S
2


27
25 -50 Escarpado
>50 Muy escarpado
2.3.3 Pendiente media del río
Es la diferencia total de elevación del lecho del río dividido por su longitud entre esos
puntos, también denominada pendiente media.
Ir = (Cmáx. – Cmín)/Lr*1000 (2.3.4)
En donde: Ir = Pendiente media del río
C máx.: Cota máxima en m.s.n.m.
C mín.: Cota mínima en m.s.n.m.
Lr: longitud del río en Km.
2.3.4 Alejamiento medio
Es un coeficiente que relaciona el curso de agua de mayor longitud con la superficie de la
cuenca, su expresión es:
Am = L/A (2.3.5)
En donde:
L: longitud del río más largo en Km.
A: área de la cuenca en Km2
.
2.3.5 Curva hipsométrica
Esta curva representa las superficies de la cuenca que se encuentran por encima de cada
cota de ella, y por ello caracteriza en cierta forma, el relieve de la cuenca.
La curva hipsométrica relaciona el valor de la cota, en las ordenadas, con el porcentaje del
área acumulada, en las abscisas. De esta curva también se puede obtener la curva de
distribución de frecuencias de la cuenca que representa el tanto por ciento, respecto a la
superficie total, de las superficies comprendidas entre dos curvas de nivel consecutivas.
Tabla 2.3.2 Datos para la curva hipsométrica de la cuenca hidrográfica del río Baba
Intervalo
entre curvas
de nivel (m)
Cota
media
(m)
Área (Km²)
Cota media
x Área
Área/Área
Total ( % )
Porcentaje
de área
acumulado
(%)
>2200 2300 1.82243328 4191.596544 0.204979144 0.20497914
2200-2000 2100 10.3288125 21690.50625 1.161738629 1.36671777
2000-1800 1900 16.3484621 31062.07799 1.838801891 3.20551966
1800-1600 1700 11.9779853 20362.57501 1.347230209 4.55274987
1600-1400 1500 14.6246302 21936.9453 1.644912989 6.19766286
1400-1200 1300 27.5718062 35843.34806 3.101153433 9.29881629
1200-1000 1100 48.2661503 53092.76533 5.428760692 14.727577
1000-800 900 73.0858414 65777.25726 8.220368529 22.9479455

28
800-600 700 116.530644 81571.45087 13.10684561 36.0547911
600-400 500 256.388979 128194.4896 28.83748554 64.8922767
400-200 300 252.091569 75627.47064 28.35413206 93.2464087
<200 100 60.0449845 6004.49845 6.753591276 100
TOTAL: 889.082298 545354.9813 100
Gráfico 2.3.1 Curva hipsométrica de la cuenca hidrográfica del río Baba- Ecuador
Fuente: autor
2.3.6 Rectángulo equivalente
Este índice fue introducido por los hidrólogos franceses como un intento de comprobar la
influencia de las características de la cuenca sobre la escorrentía.
Para poder comparar, de manera preliminar, el comportamiento hidrológico de dos cuencas
se utiliza la noción del rectángulo equivalente (Llamas, 1993; Campos, 1992). Se trata de
una transformación geométrica en virtud de la cual se asimila la cuenca a un rectángulo que
tenga el mismo perímetro y la misma superficie. De esta forma las curvas de nivel se
transforman en rectas paralelas a los lados menores del rectángulo y donde la
desembocadura de la cuenca o punto de estudio es uno de los lados (Llamas, 1993).
La característica más importante del rectángulo equivalente es que tiene igual distribución
de alturas que la curva hipsométrica original de la cuenca.
Es un rectángulo cuya área coincide con la superficie de la cuenca y cuyo perímetro es el de
la cuenca. Se obtiene resolviendo el sistema:
L * l = A (2.3.6)
2L + 2l = P (2.3.7)
Resultando L = (P ± (P2
– 16A)1/2
)/4 (2.3.9)

29
Del resultado se deduce que P2
< 16A no existe rectángulo equivalente.
Dibujando el rectángulo equivalente (figura 2.3.2) se puede transformar las curvas de nivel
en rectas paralelas al lado menor, trazadas a distancias di de modo que:
di = Ai / l (2.3.8)
Figura 2.3.2 Rectángulo equivalente
Siendo Ai la superficie comprendida entre dos curvas de nivel consecutivas e l la longitud
del lado menor del rectángulo equivalente.
Los lados del rectángulo equivalente también se pueden definir con la siguiente ecuación:
L, l = (Kc √A/1.128)[1±(1-(1.128/Kc)2
)1/2
] (Llamas, 1993) (2.3.9)
Donde:
L: lado mayor
l: lado menor
Para que esta ecuación se cumpla es necesario que el coeficiente de compacidad Kc sea
mayor o igual que 1.128.
Además de los parámetros indicados se pueden determinar otros como:
2.3.7 Radio de enlongación de la cuenca
Se obtiene a través de la fórmula:
R = D/P (2.3.10)
Donde: D: es el diámetro del círculo de área igual a la superficie de la cuenca- Km.
P: perímetro del círculo de área igual a la superficie de la cuenca – Km.
2.4. Drenaje de una cuenca hidrográfica
Sirve para realizar una evaluación hidrológica de la cuenca y está constituido por el río
principal y sus tributarios.
2.4.1 Orden de las corrientes y relación de bifurcación

30
Horton (1945) desarrolló un sistema para ordenar las redes de los ríos, que posteriormente
fue ligeramente modificado por Strahler (1964), dicho sistema es conocido como Horton –
Strahler y hoy en día es el método más comúnmente utilizado (Chow et al., 1994).
Por otro lado, Horton también introdujo el concepto de relación de bifurcación Rb para definir
el cociente entre el número de cauces de cualquier orden y el número de las corrientes del
siguiente orden superior Ni+1, con:
Rb = Ni/Ni+1 i = 1, 2, 3,..... (2.4.1)
Figura 2.4.1 Orden de las corrientes de agua
Fuente: autor
En la figura 2.4.1 se explica lo siguiente:
 Corrientes de primer orden: Pequeñas corrientes que no tienen tributarios.
 Corrientes de segundo orden: Cuando dos corrientes de primer orden se unen.
 Corrientes de tercer orden: Cuando dos corrientes de segundo orden se unen.
 Corrientes de orden n+1: Cuando dos corrientes de orden n se unen.
Como ejemplo:
En la figura 2.4.1: N1 = 13, N2 = 5, N3 = 2, N4 = 1
N1/N2 = 2.6; N2/N3 = 2.5 y N3/N4 = 2
El valor teórico mínimo para la relación de bifurcación es 3, y los valores se localizan
típicamente en el rango de 2 a 2.8 (Strahler, 1964).
2.4.2 Densidad de drenaje
Es la mayor o menor facilidad que presenta una cuenca hidrográfica para evacuar las aguas
provenientes de las precipitaciones que quedan sobre la superficie de la tierra debido al

31
grado de saturación de las capas del subsuelo. En general es la relación entre la longitud de
los canales de flujo y la superficie de la cuenca (Llamas, 1993).
Dd = L/A (km/Km2
) (2.4.2)
Donde:
L: longitud total de las corrientes de agua incluido los intermitentes, en Km.
A: área total de la cuenca, en Km2
.
Dd usualmente toma valores entre 0.5 Km/Km2
para cuencas con drenaje pobre y hasta 3.5
Km /Km2
para cuencas excepcionalmente bien drenadas (Monsalve, 1999).
2.5 Suelos
Influyen en el fenómeno de la escorrentía, juegan un papel importante por su naturaleza, su
color y el tipo de vegetación. Entre más impermeable es el suelo más rápida es la
escorrentía, sin embargo no se puede hablar de un 100% de impermeabilidad.
Otro factor que se debe tomar en cuenta es:
2.6 Orientación
Es la dirección geográfica de la pendiente del terreno, este parámetro interviene en el
número de horas que la cuenca es favorecida por la radiación solar y es un factor primordial
en el cálculo de la evaporación potencial.
2.7 Tiempo de concentración (Tc)
También denominado tiempo de respuesta o de equilibrio, Llamas (1993) lo define como el
tiempo requerido, para que durante un aguacero uniforme, alcance un estado estacionario;
es decir, el tiempo necesario para que todo el sistema (toda la cuenca) contribuya
eficazmente a la generación de flujo en el desagüe.
Se atribuye muy comúnmente el tiempo de concentración al tiempo que tarda una partícula
de agua caída en el punto de la cuenca más alejado (según el recorrido de drenaje) del
desagüe en llegar a éste. Esto no se corresponde con el fenómeno real, pues puede haber
puntos de la cuenca en los que el agua caída tarde más en llegar al desagüe que el más
alejado. Además debe tenerse claro que el tiempo de concentración de una cuenca no es
constante; depende como indican Marco y Reyes (1992) de la intensidad de la lluvia,
aunque muy ligeramente.
En síntesis, el tiempo de concentración (Monsalve, 1999) es el tiempo que la lluvia que cae
en el punto más distante de la corriente de agua de una hoya (cuenca hidrográfica) toma
para llegar a una sección determinada de dicha corriente, se mide en minutos u horas.
Por tener el concepto de tiempo de concentración una base física, han sido numerosos los
autores que han obtenido formulaciones del mismo, a partir de características morfológicas y
geométricas de la cuenca. A continuación, se muestran algunas de estas fórmulas
empíricas.
 Fórmula de Kirpich
(2.7.1)
Donde: Tc = Tiempo de concentración (minutos)
385
.
0
3
0195
.
0 








H
Lr
Tc

32
Lr = Longitud del cauce principal (metros)
H = Diferencia de elevación (metros)
 Fórmula Californiana
(2.7.2)
Donde: Tc = Tiempo de concentración (horas)
L = Longitud del cauce principal (Km.)
J = Pendiente del cauce principal (m/m)
 Fórmula Giandotti
(2.7.3)
L = Longitud del cauce principal (Km.)
A= Superficie de la cuenca (Km2
)
 Fórmula Ventura-Heras
(2.7.4)
A= Superficie de la cuenca (Km2
)
 Fórmula California Calvert Practice
(2.7.5)
Donde: Tc = Tiempo de concentración (minutos)
L = Longitud del curso principal más largo (millas)
H= Diferencia de nivel entre la divisoria de aguas y el desagüe de la
cuenca (pies)
Para tener una mayor fiabilidad en el cálculo del tiempo de concentración de una cuenca
hidrográfica, se recomienda calcular con dos o tres fórmulas de los autores indicados y
tomar el valor promedio de los valores obtenidos.
77
.
0
2
/
1
066
.
0 






J
L
Tc
34
3
.
25
5
.
1
4
JL
L
A
Tc


J
A
Tc
5
.
0


















 38
9
.
11
60
3
H
L
Tc

33
Bibliografía
Monsalve S., Germán (1999) “Hidrología en la Ingeniería”. Bogotá D.C.: Editorial Escuela
Colombiana de Ingeniería, Segunda Edición.
Chow, Ven Te, Maidment, D.R., Mays, L.W. (1996). Hidrología Aplicada. Santa Fe de
Bogotá, Colombia: McGraw-Hill Interamericana,. Primera Edición traducida.
Rodriguez José M., “Cuenca Hidrológica” Master en hidrología general y aplicada, Centro de
Estudios de Técnicas Aplicadas - CEDEX, Madrid – España, 2000.
Campos, A., D.F. 1992. Proceso del Ciclo Hidrológico. 2ª ed. Universidad Autónoma de San
Luis Potosí. Primera edición.
Horton, R. 1945. Ersosional development of streems and drainage basins: hidrophysical
approach to quantitative morphology. Bulletin of the Geological Society of America, 56. pp
275-370.
Llamas, J. 1993. Hidrología General, Principios y Aplicaciones. Servicio Editorial de la
Universidad del País Vasco. Bilbao. pp. 402.
Juan Marco Segura, Manuel Reyes Nadal. 1992. Universidad Politécnica de Valencia.
Volumen 96 de SPUPV. 380 páginas.
Heras, R. 1972. Manual de Hidrología. Instituto de Hidrología. Madrid. España. 6 Tomos.(D)
Strahler, A. 1964. Quantitative geomorphology of grainage basins and cannel networks. En:
Chow, V (ed). Handbook of Applied Hydrology. Mc Graw-Hill. New York- USA. Mc Graw-Hill.
Chow, v., d. Maidment, l. Mays. 1994. Hidrología Aplicada. Editorial Mc Graw-Hill. Bogotá,
Colombia. 583 p.
PROBLEMAS
1. Ingresar a la página web del INAMHI: www.inamhi.gob.ec, localizar la estación hidrométrica
San Pedro en Machachi (H-121), obtener sus coordenadas, ubicar en una carta topográfica a
escala conveniente (punto de estudio) , a partir de este punto trazar la cuenca hidrográfica y
determinar todos los parámetros físicos-morfométricos descritos en este capítulo. Interpretar
cada uno de ellos y definir preliminarmente el comportamiento hidrológico de la cuenca
hidrográfica.
2. ¿Para qué sirven los parámetros físicos-morfométricos de una cuenca hidrográfica?
3. ¿Cómo puedo conocer el comportamiento hidrológico de una cuenca en forma preliminar?

34
CAPÍTULO 3
La hidrología y su relación con la
meteorología y climatología
3.1 Introducción
El principal agente causante de los cambios atmosféricos, y, por ende, del clima, es el agua
en sus diferentes fases, de ahí que la Hidrología esté enlazada troncalmente con la
meteorología y la climatología. Desde el estudio de la microfísica de las nubes, hasta la
previsión meteorológica, pasando por los balances energéticos, la turbulencia o los grandes
sistemas convectivos de mesoescala, todo tiene en cuenta, en algún momento determinado,
el factor agua.
De la misma forma, el estudio de los procesos hidrológicos de las aguas superficiales,
marítimas o subterráneas, debe tener en cuenta la física de la precipitación y evaporación
así como las condiciones climáticas que permiten una mejor gestión tanto a corto como a
largo plazo. Así cabe destacar, la previsión, predicción y actuación frente a las inundaciones,
la evaporación en lagos y embalses, las necesidades hídricas de cultivos y el riego, los
procesos de sequía y desertificación, las reservas hídricas, la erosión debida a la lluvia o las
oscilaciones climáticas y su impacto sobre lluvias extremas o recursos hídricos.
Por lo indicado es necesario diferenciar lo que es la meteorología y lo que es la
climatología.
3.2 Meteorología
La Meteorología es la ciencia encargada del estudio de la atmósfera, de sus propiedades y
de los fenómenos que en ella tienen lugar, los llamados meteoros. El estudio de la
atmósfera se basa en el conocimiento de una serie de magnitudes, o variables
meteorológicas, como la temperatura, la presión atmosférica o la humedad, las cuales varían
tanto en el espacio como en el tiempo, va de la mano con la climatología.
3.3 Climatología
La Climatología es la ciencia que estudia el clima, es decir; del conjunto de las condiciones
atmosféricas propias de una región, así como todas sus variaciones a lo largo de un lapso
largo de tiempo y está directamente relacionada con la Hidrología y otras ciencias.
3.4 Principales parámetros meteorológicos que interesan a la Hidrología e instrumentos en que se miden
3.4.1 Evaporación (E)
La evaporación ocurrida en un lugar se expresa en milímetros lineales. Un milímetro de
evaporación es la disminución de 1 mm de altura de agua que ha escapado al aire desde la
una superficie de 1 m2
.

35
La medición de la evaporación se efectúa con los evaporímetros. Por ser diferentes las
condiciones naturales de un lago o embalse (profundidad, temperatura del agua, área de la
superficie) de las del evaporímetro, es necesario aplicar a la evaporación medida en un
evaporímetro un coeficiente de corrección denominado “coeficiente de embalse”, que es la
relación entre la evaporación real y la medida.
Los evaporímetros más utilizados en América del Sur y sus correspondientes coeficientes
anuales de embalse son:
Tabla 3.4.1 Coeficiente anual de embalse para evaporímetros
Tipo de evaporímetro Coeficiente anual de embalse
Tanque tipo Clase A 0.6 a 0.8
Piche con superficie de papel 0.5
De balanza. Wild 0.7
Fuente: UNESCO
En el Ecuador el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología – INAMHI, utiliza el tanque
tipo Clase A, el mismo que va colocado sobre una reja de madera de tal forma que su base
esté entre 33 a 35 cm. del suelo.
El diámetro del tanque es de 1.21 m. y su profundidad de 25.5 cm., la variación del nivel por
pérdida de agua en la evaporación se mide por un tornillo micrométrico cuyo extremo
termina en forma de gancho (figura 3.4.1).
El cálculo de la evaporación se efectúa por la fórmula siguiente:
E = lectura de ayer – lectura de hoy + precipitación
Figura 3.4.1 Tanque Clase A para medir la evaporación
Fuente: autor

36
Los valores diarios de la evaporación son calculados como la suma de las observaciones de
las 13:00 y 19:00 del día en cuestión, más la observación de las 7:00 del día siguiente.
3.4.2 Radiación e insolación
La radiación es la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas emitida por
cualquier cuerpo a temperatura superior a la del cero absoluto (-273°C).
La insolación es el número de horas y décimas durante las cuales el sol brilla en un lugar. La
insolación así entendida se mide mediante el heliofanógrafo.
En el Ecuador, el INAMHI utiliza el heliofanógrafo de Campbell – Stokes, el mismo que
consta de una esfera de vidrio transparente que permite concentrar los rayos solares sobre
una banda graduada en horas y décimas de horas. La banda está colocada a la distancia
focal de la esfera, en un semianillo metálico con dirección oeste-este.
La esfera de vidrio está sostenida por un eje que parte de los extremos de un semianillo
metálico. Todo el conjunto descansa en un soporte metálico horizontal colocado a 1.50 m.
del suelo y donde puede incidir el sol sin ninguna interferencia (figuras 3.4.2 y 3.4.3).
Figura 3.4.2 Instalación de heliofanógrafo Figura 3.4.3 Forma de colocar de faja
.
Cortesía: ESBATY
En la ecuación de balance, la heliofanía es un parámetro implícito que interviene para el
cálculo de la evaporación dada por la ecuación:
𝐸 =
∆𝑥𝐻 + 𝐸𝑎𝑥𝛾
∆ + 𝛾
Donde Δ = pendiente de la curva de presión de saturación es, es función de la
temperatura del aire, en el punto θ = θaire.
ˠ = constante psicrométrica
E = evaporación en mm/día
H = balance de energía en mm/día

37
Ea = poder evaporante del aire en función del viento y del gradiente de
la presión del vapor, en mm/día.
El balance de energía diaria se calcula en función de la radiación solar diaria en el límite
superior de la atmósfera (Hoorelbeke R.).
3.4.2 Temperatura (T °C)
Los instrumentos para medir la temperatura son los termómetros y los más usados en
meteorología utilizan líquido como elemento sensible, especialmente el mercurio y el
alcohol.
Termómetro común o normal
Mide la temperatura del aire en un momento dado. El líquido termométrico es el mercurio y
se coloca en la caseta meteorológica en posición vertical para protegerlo de las radiaciones
directas del sol y debe leerse rápidamente sin tocarse.
Termómetro de máximas
Tiene igual principio, pero difiere en su funcionamiento, objetivo y forma de colocación. Este
termómetro es usado para determinar la temperatura más alta de un periodo dado y va
colocado en posición casi horizontal. En su funcionamiento se diferencia del normal en un
estrechamiento del tubo capilar cerca del bulbo.
Cuando la temperatura aumenta el mercurio logra pasar del bulbo al tubo capilar por el
estrangulamiento en gotitas pequeñísimas, al descender la temperatura, el mercurio no
puede pasar por el estrangulamiento quedando indicada así la temperatura máxima. Este
valor se lee al final de la columna de mercurio previa inclinación suave hacia el bulbo; se lee
diariamente a las 17:00.
Termómetro de mínima
Ha sido diseñado para medir la temperatura más baja en un periodo dado. Su líquido
sensible es de alcohol, cuya evaporación y condensación se evita al mantenerse con aire a
presión, en el tubo capilar. Dentro del alcohol hay un índice de vidrio que es arrastrado al
baja la temperatura pero no cuando sube, y el valor mínimo se leerá en el extremo de índice
que está hacia el lado del menisco del alcohol (Guevara 1995).
El aparato va colocado junto con el de máxima en forma casi horizontal con el depósito un
poco más bajo, su lectura se realiza a las 7:00.
Todos estos instrumentos se encuentran colocados dentro de una caseta meteorológica
(figuras 3.4.4 y 3.4.5).

38
Figura 3.4.4 Caseta meteorológica Figura 3.4.5 Termómetros: normal, máxima y mínima
Cortesía: ESBATY
Termógrafo
Es un aparato que registra la temperatura en función del tiempo y se puede determinar a
qué hora se produjo la máxima y la mínima.
Termohigrógrafo
Registra tanto la temperatura como la humedad (figuras 3.4.6 y 3.4.7).
Figura 3.4.6 Caseta meteorológica y termohigrógrafo Figura 3.4.7 Termohigrógrafo en detalle
Cortesía: ESBATY

39
De acuerdo al Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología, existen algunas formas de
referirse a la temperatura, las más usuales son:
 Temperatura promedio diaria: Para obtener se realizan lecturas cada tres a seis
horas y se calcula la media aritmética.
 Temperatura promedio diaria: Es el promedio de la temperatura máxima y mínima.
 Temperatura diaria normal: Es el promedio de la temperatura media diaria de un
periodo dado, para los últimos treinta años.
 Temperatura promedio mensual: Es el promedio de las temperaturas medias
mensuales y máximas mínimas
 Temperatura promedio anual: Es el promedio de las temperaturas promedio
mensuales para un año.
 Temperatura máxima diaria: Es la temperatura absoluta máxima registrada en un día
(termómetro de máxima).
 Temperatura mínima diaria: Es la temperatura absoluta mínima registrada en un día
(termómetro de mínima).
Durante el día la mayor temperatura se alcanza entre las 13 y 15 horas, mientras que la
menor se produce antes de la salida del sol, ya que depende de la nubosidad del cielo.
Además la influencia de varios pisos altitudinales del país incide en la variación de la
temperatura.
Los factores que modifican la temperatura son: la latitud o distancia respecto del Ecuador, la
altitud respecto al nivel del mar y la distancia respecto al mar.
3.4.3 Viento
Se entiende por viento al movimiento del aire en sentido horizontal, mientras que al
movimiento en sentido vertical se denomina corriente aérea.
El viento es una magnitud vectorial, por lo cual se exige en su medición la determinación de
su intensidad o velocidad y dirección.
Veleta
Es el aparato más sencillo para determinar la dirección del viento cuya flecha siempre indica
desde donde sopla el viento. La dirección del viento se representa por la rosa de los vientos,
según los puntos cardinales: N, S, E, W (figura 3.4.8).
Anemómetros
Miden la velocidad y dirección del viento en m/s, Km/h, millas /h, nudos. 1 nudo = 1,852
kilómetros/hora = 0,515 metros/segundo.
Los datos del anemómetro y la veleta se expresan tanto en forma geográfica (N, S, E, W)
como en forma geométrica (grados). En este segundo caso, el Norte corresponde a 0° o
360°, el Este a 90°, el Sur a 180° y el oeste a 270°, respectivamente (figura 3.4.9).
Anemógrafo

40
Constituido por un anemómetro de cazoleta y una veleta que van conectados a un
mecanismo que registra la velocidad y dirección del viento.
La instalación de este aparato se realiza en un terreno descubierto y libre de obstáculos, a
10 metros de la superficie del suelo (figura 3.4.10).
Figura 3.4.8 Veleta Figura 3.4.9 Anemómetro Figura 3.4.10 Anemógrafo
Cortesía: ESBATY
3.4.4 Precipitación
La cantidad de agua caída en una precipitación se expresa en milímetros (mm) y la medición
se lleva a cabo mediante los pluviómetros y pluviógrafos, el primero da lectura directa y el
segundo da un registro continuo.
Pluviómetros
Son aparatos más sencillos en las observaciones meteorológicas y básicamente consisten
en un recipiente de superficie recolectora conocida (figura 3.4.12). El agua se recoge y luego
se mide directamente en una probeta graduada de 10 mm.
La precipitación en mm equivale a volumen por unidad de superficie así: litro/m2
, m3
/m2
,
litro/ha, etc. basado en la siguiente igualdad:
V = PP*S (3.4.1)
Donde: V: volumen de agua recogida
PP: altura de lluvia
S: Superficie de la boca recolectora
Además: 1 litro = 1 dm3
= 1x106 mm3
1 m2
= 1*106 mm2
1 litro/m2
= 1*106 mm3
/1*10mm2
Por tanto: 1litro/m2
= 1 mm.
De acuerdo a esto si cae 5 mm de lluvia, equivale a 5 litros /m2
de superficie.

41
Pluviógrafos
El pluviógrafo es un instrumento meteorológico que se utiliza para medir la cantidad de agua
caída en forma de precipitación, permite obtener un registro continuo de la altura alcanzada
por la precipitación, dando por ello el valor total caído en cada momento o en un periodo
cualquiera elegido dentro del plazo total que funcionó: día, semana, mes, etc. (figura 3.4.13)
El análogo al pluviómetro, presenta un cilindro terminado en su parte superior en una boca
circular de 200 cm2
de superficie, perfectamente delimitada por un anillo de bronce acabada
en bisel con borde inclinado hacia arriba y afuera.
El registro continuo (pluviograma figura 3.4.11) de la lluvia nos permite determinar
intensidades máximas, en un periodo de tiempo prefijado, 5, 10 15, 20, 30,……..1440
minutos, etc.; así como cantidad total caída en un tiempo determinado, datos de primordial
interés, especialmente en aplicaciones prácticas como son estudios de drenaje vial y
urbano, alcantarillas, etc.
Figura 3.4.11 Faja pluviográfica diaria
Fuente: INAMHI
Pluviógrafos electrónicos
Se ha diseñado pluviógrafos cuya diferencia con los convencionales es la incorporación de
un módulo electrónico. Los de mejor resultado son los que se emplean el sistema de
balancín. Tiene una superficie receptora de 200 cm2
(figura 3.1.14).
Figura 3.4.12 Pluviómetro Figura 3.4.13 Pluviógrafo Figura 3.4.14 Pluviógrafo electrónico
Fotos: autor-instrumentos de INAMHI

42
El sitio de instalación de estos aparatos (pluviómetro y pluviógrafo) debe ser bien escogido
para que la lluvia llegue normalmente al aparato, sin ninguna interferencia, alejado de casas,
árboles, paredes, etc. El aparto debe guardar como mínimo 120 grados con relación a los
objetos más cercanos para lograr el aislamiento adecuado y su altura sobre el suelo en el
caso de Ecuador – INAMHI es de 1.20 m. con una área de recepción de 200 cm2
.
3.4.5 La humedad (H)
La humedad es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire; esta cantidad no es
constante, sino que depende de diversos factores, lluvias recientes, cercanía al mar,
presencia de vegetación, etc.
El grado de humedad del aire se mide con un instrumento llamado higrómetro (figura 3.4.15)
y se expresa en porcentaje (%).
Figura 3.4.15 Higrómetro
Fuente: Vaisala
Existen diversas maneras de referirnos al contenido de humedad en la atmósfera.
• Humedad absoluta: masa de vapor de agua, en gramos, contenida en 1m3
de aire seco.
• Humedad específica: masa de vapor de agua, en gramos, contenida en 1 kg de aire.
• Razón de mezcla: masa de vapor de agua, en gramos, que hay en 1 kg de aire seco.
Sin embargo, la medida de humedad que más se utiliza es la denominada humedad relativa,
que se expresa en tanto por ciento (%) y se calcula según la siguiente expresión:
h = (e/E)*100 (3.4.2)
En donde:
e= Contenido de vapor de la masa de aire
E= Máxima capacidad de almacenamiento de vapor de agua, llamada presión de vapor
saturante.
Este valor indica la cantidad máxima de vapor de agua que puede contener una masa de
aire antes de transformarse en agua líquida (esto es lo que se conoce como saturación).

43
De alguna forma, la humedad relativa nos da una idea de lo cerca que está una masa de
aire de alcanzar la saturación. Una humedad relativa del 100% es un indicativo de que esa
masa de aire ya no puede almacenar más vapor de agua en su seno, y a partir de ese
momento, cualquier cantidad extra de vapor se convertirá en agua líquida o en cristalitos de
hielo, según las condiciones ambientales.
3.4.6 Nubosidad (N)
Es el estado de la atmósfera en el que el cielo aparece cubierto de nubes en mayor o menor
grado, se mide en octas u octavos de la bóveda celeste cubierta por nubes (por observación
directa). Para medir las nubes se utiliza el ceilómetro (figura 3.4.16).
Figura 3.4.16 Ceilómetro
Fuente: Vaisala
Todos estos instrumentos miden los parámetros meteorológicos que inciden directa e
indirectamente en la hidrología que estudia el agua en la naturaleza, su ocurrencia,
distribución y circulación sobre la tierra, cuyos cambios y variaciones tienen efectos sobre la
temperatura terrestre, la vida y las condiciones de la atmósfera.
Para obtener el valor de la nubosidad, se obtiene un valor medio diario en base a tres
observaciones (7:00, 13:00 y 19:00 horas). La media mensual se calcula con un mínimo de
20 datos medios diarios.
Bibliografía
Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología – INAMHI (1990). “Curso de formación de
inspectores hidrometeorológicos del 3-28 septiembre 1990”, Quito – Ecuador., .
Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología – INAMHI, “Anuarios Meteorológicos”.
R. HOORELBEKE, V. PÉREZ, “Hidrologia Da bacia Amazonica, datos meteorológicos,
cuenca del río Napo”, IFEA, - IRD, - INAMHI.
GUEVARA D. JOSÉ, “Meteorología” Universidad Central de Venezuela, Consejo de
desarrollo Científico y Humanístico, 1998, Edición, 1988, Reimpresión 1995.
Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO)
(1982). “Guía metodológica para la elaboración del balance hídrico de América del Sur”.
Editorial Rostalac.

44
Página Web: http://es.vaisala.com/sp/maritime/products/ceilometer/Pages/default.aspx
Problemas
3.1 Indique mediante líneas los instrumentos correctos para medir los parámetros meteorológicos.
Parámetro meteorológico Instrumento de medida
La temperatura del aire El higrómetro
La presión atmosférica El anemómetro
Las precipitaciones La observación
La humedad del aire El barómetro
El estado del cielo El termómetro
El viento, su intensidad y su dirección El pluviómetro
La nubosidad El heliofanógrafo
La radiación solar El ceilómetro
3.2 En caso de requerir información de precipitación en cortos intervalos de tiempo ¿Qué instrumento
utilizaría? ¿Por qué? y ¿Con qué frecuencia necesito esta información?
3.3 ¿Qué sucede cuando se tiene una humedad relativa del 100%?
3.4 ¿Cuál es influencia del viento sobre la evaporación?, explique.

45
CAPÍTULO IV
Hidrometría
4.1 Introducción
La hidrometría es parte de la Hidrología superficial que trata sobre los métodos o prácticas
para obtener los datos hidrológicos, los mismos que se obtienen en las estaciones
hidrométricas o hidrológicas o estaciones de aforo. Los datos que se obtienen en las
estaciones hidrométricas son: caudales, niveles del agua, temperatura del agua,
propiedades físico-químico, datos de sedimentología.
4.2 Estaciones hidrométricas
Son el conjunto de estaciones que permiten medir esencialmente el nivel de agua, el caudal
instantáneo líquido o sólido mediante la operación de aforo, la temperatura, el PH, etc.
Las estaciones hidrométricas pueden ser de tres tipos:
4.2.1 Estaciones principales
Son aquellas que están conformadas por una sección limnimétrica - limnigráfica y una
sección de aforo con cable y carro (o sin él) y son consideradas, por su ubicación
estratégica, como perennes ya que controlan el escurrimiento superficial de una cuenca
principal y tienen la función de proporcionar información continua en el tiempo.
4.2.2 Estaciones secundarias
Son aquellas que pueden o no estar dotadas de una sección limnigráfica pero si de sección
de aforo y de sección limnimétrica, ya que es necesario de que en estas estaciones se
pueda medir caudales altos.
4.2.3 Estaciones complementarias
Son aquellas que solo miden el nivel para análisis complementario de verificación y se afora
esporádicamente de creerlo necesario y por ello no completan las características como para
considerarlas principales o secundarias.
4.2.4 Estaciones terciarias

46
Son aquellas que han sido instaladas para fines específicos, no tienen ninguna razón de ser
perennes ya que a menudo se cierran después de cumplir su objetivo, pero pueden ser
consideradas para asumir funciones de control.
La Organización Meteorológica Mundial –OMM en su Guía de Prácticas Hidrológicas
recomienda que la red mínima para estaciones de flujo fluvial se indica en la tabla 4.2.1,
estos valores no son aplicables a los grandes desiertos sin redes de flujo fluvial definidas
(como las del Sahara, Gobi, Korakorum y Arabia) ni a grandes extensiones de hielo (como
el Antártico, Groenlandia y las islas árticas).
Tabla 4.2.1 Densidades mínimas recomendadas de estaciones de flujo fluvial
Unidad fisiográfica
Densidad mínima por estación
(superficie en Km2
por
estación)
Zonas costeras
Zonas montañosas
Llanuras interiores
Zonas
escarpadas/ondulantes
Pequeñas islas
Zonas polares y áridas
2750
1000
1875
1875
300
20000
En general, un número suficiente de estaciones de flujo fluvial deberían estar ubicadas a lo
largo de las ramificaciones principales de las grandes corrientes para permitir la
interpolación de descarga entre las estaciones. La ubicación específica de estas estaciones
debería decidirse en función de las consideraciones topográficas y climáticas.
Figura 4.2.1Sección limnimétrica-limnigráfica (Est. Zarumilla) Figura 4.2.2 Sección de aforo (Est. Paute en Paute)
4.3 Medición de caudal
El caudal es uno de los datos que se obtiene y no es más que la determinación del volumen
del agua que pasa por una sección transversal de una corriente (río, canal, acequia, etc.) en
la unidad de tiempo.
Este caudal se expresa por la fórmula Q = A*V, donde: Q = caudal que se mide en m3
/s,
cuando la cantidad es grande y en l/s cuando esta es pequeña.
A = área de la sección transversal (m2
).

47
V = velocidad de la corriente de agua (m/s).
Para conocer el caudal es necesario medir estos dos últimos parámetros y se lo realiza en el
campo mediante la actividad conocida con el nombre de aforo.
El sitio donde se realizan estas mediciones se denomina sección de aforo. Las lecturas
siempre deben ir acompañadas de la lectura del nivel de agua y la hora, al comienzo y al
final de las mismas.
4.3.1 Secuencia de las mediciones hidrológicas
Los procesos hidrológicos, pese a su variación continua en el tiempo y en el espacio,
usualmente se miden en puntos de muestreo, es decir en un sitio fijo en el espacio.
En la Figura 4.3.1 se muestra el procedimiento secuencial que se sigue en las mediciones
hidrológicas. Se inicia con el dispositivo sensor que mide o reacciona ante el fenómeno y
concluye con el suministro de la información al usuario.
Figura 4.31 Secuencia de las mediciones hidrológicas
Fuente: Guevara, 1991
4.3.2 Aforo
Se llama aforo al conjunto de operaciones realizadas en el río, para calcular el caudal
circulante en un momento determinado, anotando al mismo tiempo la altura en la escala
limnimétrica.
PARÁMETRO
HIDROLÓGICO
MEDICIÓN
REGISTRO
TRANSMISIÓN
TRADUCCIÓN O
TTRANSFORMACIÓN
EDICIÓN
ALMACENAMIENTO
RECUPERACIÓN
USUARIO
Transforma la intensidad del fenómeno en
señal observable
Registra la señal en registrador electrónico o
de papel
Transmite el registro a una central de recepción
Convierte el registro en una secuencia de datos
computarizados
Prueba de datos eliminando errores e información
redundante
Archiva los datos en cinta o disco de computadora
Recobra la información de la forma deseada
Usa los datos

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Se obtienen así pares de valores (h, Q) de niveles y caudales correspondientes que,
realizados en diferentes situaciones a lo largo del tiempo, definen la curva de descarga o
gasto o de correspondencia entre niveles y caudales.
Los métodos que se indican a continuación son válidos para régimen permanente, en cuyo
caso el nivel no cambiará durante la realización del aforo. El caso de régimen variable, como
ocurre en las crecidas, se explica más adelante.
Existen varios métodos para medir el caudal de una corriente natural, un río o canal, siendo
los más conocidos los siguientes:
 Aforo con molinete
 Aforo volumétrico
 Aforo con vertederos
 Aforo con flotadores
 Aforo químico o por dilución
 Aforo por radio – isótopos
Aforo volumétrico
Se aplica generalmente en los laboratorios de hidráulica, ya que solo es funcional para
pequeños caudales; sin embargo se pueden implementar también en pequeñas corrientes
naturales de agua.
El aforo volumétrico consiste en medir el tiempo que tarda el agua en llenar un recipiente de
volumen conocido para lo cual, el caudal es fácilmente calculable con la siguiente ecuación:
Q=Volumen/tiempo.
Aforo con vertederos
Se utilizan principalmente en la medición de caudales en pequeñas corrientes, en canales
artificiales y de laboratorio; su uso en corrientes naturales es muy restringido. Un
funcionamiento típico de un vertedero para aforar corrientes naturales se muestra en la
figura 4.3.2.
Figura 4.3.2 Medición de caudales. Vertedero triangular tipo Thomson, sección transversal
Frecuentemente son utilizados los vertederos rectangulares sin contracción, rectangulares
con contracción, triangulares y el tipo Parshall.
El vertedero triangular de pared delgada, se utiliza con el fin de obtener una mejor precisión
en la medida del caudal; como por ejemplo el tipo Thomson que tiene la siguiente ecuación:

49
(4.3.1)
Donde: Q = caudal (m3
/s)
H= lámina de agua sobre el vertedero (m)
Se puede utilizar el vertedero rectangular de pared delgada, tipo Francis así:
(4.3.2)
Donde: Q = caudal (m3
/s)
H= lámina de agua por encima del vertedero, medida aguas arriba de éste, a
una distancia aproximadamente 6H, (m)
L = ancho del vertedero (m)
Aforo con flotadores
Son los más sencillos de realizar, pero también son los más imprecisos; por lo tanto, su uso
queda limitado a situaciones donde no se requiera mayor precisión. Con este método se
pretende conocer la velocidad media de la sección para ser multiplicada por el área, y
conocer el caudal, según la ecuación de continuidad.
El método del flotador se utiliza cuando no se tiene equipos de medición y para este fin se
tiene que conocer el área de la sección y la velocidad del agua, para medir la velocidad se
utiliza un flotador con el cual se mide la velocidad del agua de la superficie, pudiendo
utilizarse como flotador cualquier cuerpo pequeño que flote: como un corcho, un pedacito de
madera, una botellita lastrada, Este método se emplea en los siguientes casos:
 A falta de correntómetro (molinete).
 Excesiva velocidad del agua que dificulta el uso del correntómetro.
 Presencia frecuente de cuerpos extraños en el curso del agua, que dificulta el uso del
correntómetro (molinete).
 Cuando peligra la vida del que efectúa el aforo.
 Cuando peligra la integridad del correntómetro.
El cálculo consiste en:
Q = A V
V = L / t
Donde: V = Velocidad en m / s
L = Espacio recorrido en m del flotador (m)
t = Tiempo en segundos recorrido por el flotador (s)
A = Área de la sección transversal (m2
)
2
/
5
4
.
1 H
Q 
2
/
3
)
10
2
(
838
.
1
H
L
Q 


50
Para la ejecución del aforo se procede de la siguiente forma: Se toma un lecho de la
corriente de longitud L; se mide el área A de la sección, y se lanza un cuerpo que flote,
aguas arriba de primer punto de control, y al paso del cuerpo por dicho punto se inicia la
toma del tiempo que dura el viaje hasta el punto de control aguas abajo. Como se muestra
en la figura 4.3.3.
Figura 4.3.3 Aforos con flotador: a) flotador simple, b) flotador doble c) bastón flotador
La velocidad superficial de la corriente, Vs, se toma igual a la velocidad del cuerpo flotante y
se calcula mediante la relación entre el espacio recorrido L, y el tiempo de viaje t.
𝑉 =
𝐿
𝑡
(4.3.3)
Se considera que la velocidad media de la corriente, Vm, es del orden de 0.75Vs a 0.90 Vs,
donde el valor mayor se aplica a las corrientes de aguas más profundas y rápidas (con
velocidades mayores de 2 m/s. Normalmente, se usa la siguiente ecuación para estimar la
velocidad media de la corriente. Vm = 0.85VS.
Al dividir el área de la sección transversal del flujo en varias secciones, de área Ai, para las
cuales se miden velocidades superficiales, Vsi, y se calculan velocidades medias, Vmi, el
caudal total se podrá determinar como la sumatoria de los caudales parciales qi, de la
siguiente manera:
𝑄 = ∑ 𝑞𝑖 = 𝑉𝑚1𝐴1 + 𝑉𝑚2𝐴2+⋯.+
𝑛
𝑖=1 𝑉
𝑚𝑛𝐴𝑛 (4.3.4)
Si se desea obtener resultados algo más precisos se pueden utilizar flotadores bastón, de
sumersión ajustable, como muestra en la figura 4.3.3. Estos flotadores consisten en un tubo
delgado de aluminio, de longitud Lfl, cerrado en ambos extremos y con un lastre en su
extremo inferior, para que pueda flotar en una posición próxima a la vertical, de tal manera
que se sumerjan hasta una profundidad aproximadamente de 25 a 30 cm sobre el fondo, y
emerjan unos 5 a 10 cm.
La velocidad observada de flotador sumergido, Vf, permite la determinación de la velocidad
media de la corriente, Vm, a lo largo de su curso, por la siguiente formula experimental:
𝑉
𝑚 = 𝑉𝑓 (0.9 − 0.116 (1 −
𝐿𝑓𝑡
𝑦
)) (4.3.5)
En donde:
Vm = Velocidad media de la corriente (m/s)
a) b) c)
H
Flujo
H
L
V
Lecho río

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