El documento describe el estudio hidrológico de la subcuenca Shumaya. Explica que se delimitó la cuenca usando ArcGIS y se calcularon parámetros geomorfológicos. También presenta datos históricos de precipitación de tres estaciones meteorológicas cercanas y describe aspectos generales de la cuenca como su área, elevaciones y curso principal.
1. PARÁMETROSHIDROGRÁFICOS
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ARROYO SOLANO, Marco Polan
CARHUAMACA VILCAHUMAN, Enrique 1
INTRODUCCIÓN
Para entender los fenómenos hidrológicos es necesario tener presente el concepto de
cuenca hidrográfica que llevan a cabo una serie de procesos, ciclos y fluidos de materia
y energía que tienen que ver con el desenvolvimiento de los diversos componentes de
este sistema ambiental
El estudio hidrológico de una determinada área es de suma importancia en la ejecución
de obras hidráulicas, ya que la influencia de los parámetros hidrológicos influirá en el
comportamiento de dichas obras, es por tal motivo que se buscara un estudio detallado
de los métodos de cálculo y análisis de estos parámetros en el siguiente informe.
Dichos procesos forman parte del funcionamiento de la cuenca, estos procesos son
definidos como un conjunto de fenómenos y pasos resultantes de la interacción entre
los componentes del hombre, la sociedad y la naturaleza presentes en un área
determinada, en este caso una cuenca hidrográfica.
Por ello es de gran importancia saber leer un mapa para posteriormente poder delimitar
una cuenca teniendo en cuenta sus requisitos básicos que puede ser manual,
computarizada o automática.
2. PARÁMETROSHIDROGRÁFICOS
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1 ESTUDIO HIDROLÓGICO DE LA SUBCUENCA SHUMAYA
1.1 GENERALIDADES
El estudio hidrológico consiste en estimar las descargas máximas, a partir un
análisis de frecuencia de las precipitaciones de hace años registradas en las
estaciones pluviométricas ubicadas en áreas adyacentes a la zona del proyecto.
Por tanto, el estudio hidrológico comprende, el cálculo de caudales máximos de
diseño para obras de drenaje y volúmenes de agua disponibles para el sistema
de recirculación.
El procedimiento seguido en el estudio fue el siguiente:
• Selección de las estaciones pluviométricas
• Recopilación de la información cartográfica, pluviométrica y datos
hidrometeoro lógico.
• Análisis estadístico de la información
• Determinación de las precipitaciones máximas en 24 horas para
diferentes períodos de retorno.
• Cálculo de las descargas máximas.
Asimismo, este informe contiene un inventario de las aguas superficiales y
subterráneas riachuelos, arroyos, manantiales y efluentes) mediante el
cartografiado, muestreo, aforo y mediciones de propiedades físicas in situ de los
cursos de agua.
1.2 OBJETIVOS
Aprender a delimitar correctamente una cuenca hidrográfica.
Saber diferenciar las partes que conforman una cuenca hidrográfica.
Hallar el área de una cuenca hidrográfica.
Diferenciar entre una cuenca, sub. Cuenca y micro cuenca.
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El objetivo del presente trabajo es calcular los caudales máximos y mínimos de
la cuenca, a fin de utilizarla en diferentes proyectos.
Determinar de las características hidrogeológicas de la cuenca y las micro
cuencas del área donde se emplaza el proyecto.
Determinar el régimen pluvial en la zona del proyecto cuenca del río Hornillos.
para conocer los caudales de diseño que se pueden emplearan en diferentes,
como en la construcción de obras drenaje, puentes, carreteras, etc.
Los resultados del estudio permitirán identificar y evaluar los cursos de agua en
época de lluvia y estiaje.
1.3 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA CUENCA
Delimitación de la Cuenca
Se ha delimitado la cuenca con el software ArcGis 10.5, obteniéndose los
siguientes mapas:
Mapa de Ubicación
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697 Km2.
Dirección principal:
Norte a Sur
El río Shumaya
Afluente de la margen izquierda del Río Huancabamba que confluye con éste a
69 Km aguas arriba de su desembocadura. El Río Shumaya nace a la cota 2,800
msnm en la vertiente occidental de la Cordillera Central, escurriendo hacia el
Suroeste hasta la confluencia con el Río Huancabamba. La desembocadura de
este río en el Huancabamba forma casi un ángulo recto. La longitud de este río
es de 11.6 Km y su área de captación de 45.2 Km². La pendiente media del río es
de 0.06 y la velocidad de la corriente durante el estiaje es de 1.2 a 1.5 m/s. El
cauce está constituido por cantos, guijarros y fragmentos de rocas.
La cuenca del río Shumaya tiene forma triangular, el ancho promedio de su
cuenca es de 4.9 Km, siendo de 8.7 Km en la parte superior y 1.5 Km en la parte
inferior. La longitud de la divisoria es de 35 Km. En el Noroeste (curso superior
de la cuenca) el río Shumaya limita con la cuenca de la Quebrada Granadillas. La
altitud media de la cuenca del Shumaya está a la cota 2,496 msnm.
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1.4 :Los parámetros geomorfológicos fueron obtenidos mediante el software
ArcGis 10.5
1.5 VARIABLES METE REOLÓGICAS DE LA CUENCA
A) ESTACIONES DE CONTROL
Las Estaciones Meteorológicas estudiadas son las siguientes:
DESCRIPCIÓN UND VALOR
Area km2 697.06
Perímetro de la cuenca km 150.47
Longitud de la cuenca,a lo largo de una línea recta km 49.40
Factor de forma adimensional de HORTON 0.29
Índice de Compacidad o de GRAVELIUS 1.61
Cota máxima msnm 3900.00
Cota mínima msnm 1650.00
X centroide m 672655.03
Y centroide m 9424378.25
Z centroide msnm 2918.53
Altitud media msnm 2918.53
Altitud más frecuente msnm 3243.75
Altitud de frecuencia media (1/2) msnm 2856.05
pendiente promedio de la cuenca % 19.00
Longitud del curso principal km 51.14
Orden de la Red Hídrica UND 5.00
Longitud de la red hídrica km 927.56
Densidad de drenaje 1.33
Pendiente Promedio de la Red Hídrica % 1.77
Tiempo de concentración horas 4.57
Pendiente del cauce prinpal m/km 44.00
Parámetros Generados
De la Red Hídrica
Pendiente
De la superficie
Centroide (PSC:wgs 1984 UTM Zone 17S)
Cotas
Altitud
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2 ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
2.1 ANÁLISIS DE CONSISTENCIA
Cualquier cambio en la ubicación como en la exposición de un pluviómetro puede
conllevar un cambio relativo en la cantidad de lluvia captada por el pluviómetro. El
registro completo forma de detectar las inconsistencias es mediante las curvas doble
másicas.
Una curva doble masica publicado representará condiciones inexistentes. Un
registro de este tipose dice que es inconsistente.
Una se construye llevando en ordenadas los valores acumulados de la estación en
estudio y en abscisas los valores acumulados de un patrón, que consiste en el
promedio de varias estaciones índice.
Las precipitaciones en altura de agua medidas con pluviómetros varían de un lugar
a otro y, en un mismo lugar, de un tiempo a otro. Estas medidas constituyen un
conjunto numeroso de datos, que es necesario analizar y sintetizar en unos pocos
valores más manuables y fáciles de utilizar en proyectos hidráulicos. Se recurre para
ello a la estadística, escogiendo un modelo matemático que represente el
comportamiento de la lluvia en lugar en estudio.
a. Para el analisis de consistencia se procedio a graficar la curva de doble
masa con los datos obtenidos de SENAMHI,
b. Se Obtuvo el siguiente grafico de Doble masa de las cuatro estacionens
en estudio.
c. Se analiso la consistencia de cada estacion en compracion con una
Estación Base (EB) obtenida mediante el promedio de los datos de las
cinco estaciones estudiadas.
PRECIPITACION
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Del análisis de los gráficos podemos notar primeramente que existe una relación
casi lineal entre cada una de las estaciones y una estación patrón tomada del
promedio de los datos procesados de las 4 estaciones, también podemos ver que
hay pequeños quiebres no muy notables por lo cual podemos decir que los datos
tomados son confiables.
TEMPERATURA
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0
250.0
300.0
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00
ESTACION
BASE
ESTACIONES
Precipitación - EstacionesVs Estación Base
SALALA
TABACONAS
SONDORILLO
HACIENDA SHUMAYA
HUANCABAMBA
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Del análisis de los gráficos podemos notar primeramente que existe una relación
casi lineal entre cada una de las estaciones y una estación patrón tomada del
promedio de los datos procesados de las 4 estaciones, también podemos ver que
hay pequeños quiebres no muy notables por lo cual podemos decir que los datos
tomados son confiables.
VELOCIDAD DEL VIENTO
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
ESTACION
BASE
ESTACIONES
Temperatura - Estaciones Vs Estación Base
SALALA
TABACONAS
SONDORILLO
HACIENDA SHUMAYA
HUANCABAMBA
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Del análisis del grafico podemos notar primeramente que existe una relación lineal
entre cada una de las estaciones y una estación patrón tomada del promedio de los
datos procesados de las 4 estaciones, también podemos ver que hay pequeños
quiebres no muy notables por lo cual podemos decir que los datos tomados son
confiables.
CAUDAL
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00
ESTACION
BASE
ESTACIONES
Velocidad de viento - Estaciones Vs Estación
Base
SALALA
TABACONAS
SONDORILLO
HACIENDA SHUMAYA
HUANCABAMBA
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Del análisis del grafico podemos notar primeramente que existe una relación lineal
entre cada una de las estaciones y una estación patrón tomada del promedio de los
datos procesados de las 4 estaciones, también podemos ver que hay pequeños
quiebres no muy notables por lo cual podemos decir que los datos tomados son
confiables.
2.2 ANÁLISIS DE SALTOS Y TENDENCIAS
ANALISIS DE SALTOS:
Los saltos son formas deterministicas que permiten a una serie hidrologica
periodica o no periodica pasar desde un estado a otro, como respuesta a
cambios hechos por el hombre debido al continuo desarrollo de los recursos
hidricos en la cuenca o a cambios naturales continuos que pueda ocurrir.Los
saltos se presentan principalmente en los parametros, media y desviacion
estandar.
PROCEDIMIENTO PARA EL ANALISIS:
Debido a la complejidad del analisis para determinar los cambios en datos
hidrologicos se recomienda el siguiente procedimiento:
Identifiación
Evaluacion y/o cuantificación
Correccion y/o eliminación
IDENTIFICACION DEL SALTO
La identificacion del salto tiene por objeto detectar la presencia del mismo y
evaluar las causas que pueden haber ocasionado sea esta por la intervencion
del hombre o por fenomenos naturales.
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AGUAS SUBTERRANEAS
Por agua subterránea se entiende el agua que ocupa todos los vacíos dentro del estrato
geológico, comprende toda el agua que se encuentra debajo del nivel freático.
El agua subterránea es de gran importancia en aquellos lugares secos donde el
escurrimiento pluvial se reduce mucho en algunas épocas del año. Se estima que en EE.
UU, de toda el agua que se usa al año, una sexta parte es agua subterránea. En Lima, por
otro lado, del total de agua que se consume un 40% proviene del subsuelo.
Las aguas del subsuelo, como las aguas superficiales, provienen de las lluvias. No son
independientes unas de otras, sino que, por el contrario, están muy ligadas entre si.
Muchas corrientes superficiales reciben agua del subsuelo y, a su vez, el agua del
subsuelo se realimenta de las aguas superficiales.
TIPOS DE ACUÍFEROS.
Como acuífero se entiende la parte saturada del perfil del suelo y que tiene la facilidad
de almacenar y transmitir el agua.
El perfil del suelo esta formado de sedimentos no consolidados o débilmente
consolidados, depositados horizontalmente o simplemente estructurados, en capas
mejor o peor definidas. Una característica común de estas capas es la de ser de poco
espesor en relación con su extensión horizontal.
Con fines hidrogeológicos estas capas se clasifican en: permeables, semipermeables e
impermeables.
ACUIFERO LIBRE: Es aquel acuífero que se encuentra en directo contacto con la zona subsaturada
del suelo
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CURVA INTENSIDAD – DURACIÓN – FRECUENCIA
Se define tormenta el conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación
meteorológica y de características bien definidas. Una tormenta puede durar desde
unos pocos minutos hasta varias horas y aun días y puede abarcar desde una zona
pequeña hasta una extensa región.
De las tormentas interesa conocer las curvas intensidad-duración-frecuencia.
ACUIFERO SEMICONFINADO: cuando el estrato de suelo que lo cubre tiene una permeabilidad
significativamente menor a la del acuífero mismo
ACUIFERO CONFINADO: Son aquellas formaciones en las que el agua subterránea se encuentra
encerrada entre dos capas impermeables
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INTENSIDAD. - Es la cantidad de lluvia caída en un determinado tiempo. Se mide en
mm/h. y su valor varia durante la tormenta.
DURACIÓN. - Se mide en minutos o en horas. Es el tiempo transcurrido entre el
comienzo y el fin de la tormenta.
PERIODO DE DURACIÓN. - Es un periodo de tiempo dentro de la duración de la
tormenta. Se escogen periodos de duración tipo. Por ejemplo: 15m., 30m.,45 m.,
60m., 120m., 240m. Lo que se busca, como veremos, son las intensidades máximas
para estos periodos de duración.
FRECUENCIA.- Aclararemos este concepto mediante un ejemplo. Una tormenta de
frecuencia 1/15 significaque es probable que sepresente, como término medio, una
vez cada 15 años. Los 15 años viene a constituir el tiempo de retorno o periodo de
retorno de dicha tormenta.
Elanálisis detormentas tiene por objeto obtener aseveraciones como la de esteotro
ejemplo, mas completo. ”En el lugar tal, es probable que se presente una tormenta
de intensidad máxima 48 mm/h., para un periodo de duración de 20 minutos, cada
15 años en promedio”.
AÑO+MM10:S46 MES DIAS Q VOL.
DIAS
ACU.
VOL ACUM.
2010 ENE 31 1.166 3.123 31 3.123
FEB 28 6.312 15.27 59 18.393
MAR 31 3.372 9.032 90 27.425
ABR 30 1.739 4.507 120 31.932
MAY 31 0.815 2.183 151 34.115
LATITUD
LONGITUD
ELEVACION
-12.003056 °
SONDORILLO
ESTACION
RIO
CUENCA
SHUMAYA
SHUMAYA
2980
-75.158611 °
FUENTE
SENAMHI
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JUN 30 0.485 1.257 181 35.372
JUL 31 0.201 0.538 212 35.91
AGO 31 0.218 0.584 243 36.494
SEP 30 0.251 0.651 273 37.145
OCT 31 1.001 2.681 304 39.826
NOV 30 0.611 1.584 334 41.41
DIC 31 0.612 1.639 365 43.049
2011 ENE 31 2.245 6.013 396 49.062
FEB 28 4.465 10.802 424 59.864
MAR 31 1.862 4.987 455 64.851
ABR 30 0.965 2.501 485 67.352
MAY 31 0.412 1.104 516 68.456
JUN 30 0.189 0.49 546 68.946
JUL 31 0.196 0.525 577 69.471
AGO 31 0.108 0.289 608 69.76
SEP 30 0.196 0.508 638 70.268
OCT 31 0.157 0.421 669 70.689
NOV 30 0.125 0.324 699 71.013
DIC 31 0.183 0.49 730 71.503
2012 ENE 31 0.382 1.023 761 72.526
FEB 28 0.417 1.009 789 73.535
MAR 31 0.751 2.011 820 75.546
ABR 30 0.454 1.177 850 76.723
MAY 31 0.328 0.879 881 77.602
JUN 30 0.132 0.342 911 77.944
JUL 31 0.179 0.479 942 78.423
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Recta
Superior
: y = 0.14558 x + ( 14.91495 )
Recta
Central
: y = 0.14558 x + ( -1.39013 )
Recta
Inferior
: y = 0.14558 x + ( -10.14346 )
t (Días) Volumen
Q 106.005 30.348
R 106.005 14.043
U 106.005 5.289
S 369.870 52.457
T 369.870 43.704
P 263.000 36.899
MMC Descripción
-20
0
20
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
VOLUMEN
ACUMULADO
(MMC)
TIEMPO (DIAS)
CURVAMASA
Curva Masa
Recta Superior
Recta Central
Recta Inferior
35. PARÁMETROSHIDROGRÁFICOS
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QU 25.058 Capacidad mínima de embalse
QR 16.305 Volumen que hay que almacenar durante el periodo.
RU 8.753
Volumen que hay que tener almacenado antes que empiece el
periodo.
En Q Colmada la capacidad del reservorio
En R Reservorio vacío
GENERACION DE CAUDALES
GENERACIÓN DE CAUDALES MEDIO MENSUALES POR EL MODELO ESTOCÁSTICO DE
LUTZ SCHOLTZ
Se ha realizado un análisis hidroclimático para caracterizar las principales variables
climáticas de la Cuenca, habiendo determinado una precipitación media anual de 785.4
mm. La temperatura media anual alcanza en la parte baja alcanza los 11.9ºC, mientras
que en la zona alta, ésta llega a los 5.7ºC. El caudal promedio anual que se obtuvo fue
8.8 m3/día. Tomando las formulas establecidas por Lutz Scholtz se generó las
PE(mm/mes), de ahí
relacionado con las características de la cuenca se calculó las descargas en m3/mes para
los años 1964-2003. Este enfoque metodológico de análisis climático regional ha
permitido generar información de entrada para la estimación del escurrimiento
superficial en la Cuenca del Rio MANTARO mediante la utilización de un modelo
hidrológico de paso de tiempo mensual y de estructura mixta: un componente
determinístico fundamentado en el balance hídrico y un componente estocástico para
la generación de series sintéticas de caudal a nivel mensual.
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CARHUAMACA VILCAHUMAN, Enrique 40
-100
0
100
200
300
400
500
0 20 40 60 80 100 120
AXIS
TITLE
AXIS TITLE
HIDROGRAMA
Series1 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z12
GENERACION HU DE LA CURVA S
TIEMPO HR
CAUDAL
ACUMULAD
CURVA
DESPLAZAD
DIFERENCIA
DE
HU PARA
DE'_24H
0 0.00 0.00 0.00
12 18.56 18.56 9.28
24 184.89 -1.94 186.83 93.42
36 306.35 18.56 287.80 143.90
48 382.94 184.89 198.05 99.03
60 425.88 306.35 119.52 59.76
72 446.37 382.94 63.43 31.72
84 460.14 425.88 34.26 17.13
96 469.42 446.37 23.04 11.52
108 474.21 460.14 14.07 7.04
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TRÁNSITO DE AVENIDAS
CONCEPTO
Es el camino que describe el movimiento de volumen de aguade un punto a otro. Elflujo
predice la forma del hidrograma de descarga de un lugar particular resultado de una
descarga medida o estimada en otro lugar.
La Hidrología abarca un tema de gran interés como es el tránsito de caudales. Eltránsito
de caudales es útil para determinar el tiempo y el caudal (o sea el hidrograma) enun
punto de un curso de agua a partir de hidrograma conocidos en uno o más puntos
aguasarriba.Cuando el caudal corresponde a una crecida o avenida el tránsito de
caudales se conoce más propiamente como el tránsito de avenidas.
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Figura 1 TRÁNSITO DE AVENIDAS
APLICACIONES
Suele predecir picos de las crecidas, volumen de agua y el momento del flujo.
Determinan la altura del flujo pico.
Estimación adecuada de alcantarillas y vertedero.
Prevención de inundaciones en llanuras.
También usado para determinar el efecto de reservas o bases de detención en la
ola de flujo.
Un desfase en un retraso en el pico de inundación.
Atenuación máxima en una disminución del pico de inundación aguas abajo
MÉTODOS DE APROXIMACION DE TRANSITO DE AVENIDAS
Métodos Básicos Físicos
Métodos Hidrológicos
Usa la ecuación de la conservación de la masa con simplificaciones.
Se puede resolver manualmente.
Métodos Hidráulicos
Usa las ecuaciones de conservación de la masa y la conservación del momento.
Se necesita información del flujo y topografía.
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Métodos Empíricos
El hidrograma de una avenida representa al movimiento de una onda al pasar
por unpunto.Debe tenerse en cuenta que la forma de la onda cambia según se
mueve aguasabajo. Estos cambios que sufre la onda se deben a contribuciones
de agua y a que lasvelocidades en los distintos puntos de la onda son desiguales.
Las ondas de las avenidas se forman debido a un aumento no uniforme del
caudaldel curso de aguaa causa de una tormenta importante.Para su estudio
existen métodoshidrológicos que describen los cambios de la onda durante
eltiempo.Estosmétodoshidrológicos precisamente están dentro del tránsito de
avenidas.
Los métodos hidrológicos existentes están basados en procedimientos
queinvolucran tablas y gráficas, y permiten obtener resultados ciertamente
aproximados .Losprincipales inconvenientes que presentan estos métodos
hidrológicos se listan a continuación:
Generación preliminar de tablas y curvas (gráficas).
Consulta de curvas.
Resultados regularmente aproximados.
Dificultad en la automatización.
Cambio del intervalo de tiempo.
Los métodos mas empleados son:
Piscina Nivelada
SIC
PULS
MUSKINGUN
MUSKINGUM CUNGE
KUTT
CLARK
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CONCLUSIONES
•El presente informe nos permitió estudiar los parámetros hidrológicos de las cuencas
, y sus manifestaciones en las obras hidráulicas que se proyectan.
•Toda obra hidráulica antes de su ejecución debe de tener un estudio hidrológico de
sus parámetros hidrológicos ya que estos parámetros influyeran en el comportamiento
de las obras que se ejecutaran.
•El presente informe nos permite verificar si el caudal de la presente cuenca, podría
abastecer a la población o para el diseño de un puente .
•Los métodos estadísticos son los mejores para completar datos faltantes en las
cuencas.
•El estudio de los saltos y tendencias es necesario para obtener los parámetros
cuando están en su máxima magnitud.
•El calculo de la evapotranspiración es de suma importancia ya que el agua que se
evapora en términos de diseño y economía se deben de tener en cuenta.
•La infiltración juega un papel muy importante en el diseño de riego de cierta área.
•Las perdidas de agua significan una perdida económica que debe contemplarse en el
momento del diseño de obras de riego. (CHOW).