Infiltración: Hidrología para Ingeniería Geológica

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA – GEOTECNIA
CURSO
AÑO ACADEMICO
SEMESTRE
:
:
:
HIDROLOGÍA
2014 II
VIII
CLASE 09 : INFILTRACION
Prof.: F. Gàrnica T.
Tacna, 04 de noviembre del 2014
1
MISCELANEO
Curva de duración de caudales
La curva de duración de caudales también es conocida como curva de
persistencia
o
curva
de
caudales
clasificados.
La curva de duración de caudales nos indica el porcentaje del tiempo durante el
cual los caudales han sido igualados o excedidos. Además la curva indica el valor
del caudal en función de la frecuencia de su ocurrencia.
La curva se puede construir a partir de caudales diarios, mensuales, anuales, etc.
Q85 = caudal igualado o superado el 85% del tiempo, en el caso de la fig. el
caudal es de 20 m^3/s el cual a sido igualado o superado durante 310 días.
La curva de duración de caudales es de suma importancia a la hora de elaborar
proyectos hídricos; por ejemplo para calcular el caudal a derivar para un
proyecto de miniriego se puede utilizar un Q90 (caudal igualado o superado el
90% del tiempo, o el caudal que ha sido igualado o superado por 346 días).
La desventaja de la curva de duración de caudales, es que no representa los
caudales según su secuencia natural, por lo que no se conoce si los caudales
ocurren en forma consecutiva o si son distribuidos a lo largo del periodo de
tiempo en el cual se tomaron los registros.
Curva de duración de caudales
(Imagen presentación de series Q del Dr. Elfego Orozco, 2009, Guatemala)
Curvas de Duración
Curvas de Duración
• La curva de duración resulta del análisis de frecuencias de la serie histórica
de caudales medios diarios en el sitio de captación de un proyecto de
suministro de agua. Se estima que si la serie histórica es suficientemente
buena, la curva de duración es representativa del régimen de caudales
medios de la corriente y por lo tanto puede utilizarse para pronosticar el
comportamiento del régimen futuro de caudales, o sea el régimen que se
presentará durante la vida útil de la captación.
• Como se observa en la Figura No. 1 la escala vertical de la curva de
duración representa caudales medios (diarios, mensuales o anuales) y la
escala horizontal las probabilidades de que dichos caudales puedan ser
igualados o excedidos.
• Las curvas de duración tienen formas típicas que dependen de las
características de las cuencas vertientes. En cuencas de montaña, por
ejemplo, la pendiente pronunciada en el tramo inicial de la curva indica
que los caudales altos se presentan durante períodos cortos, mientras que
en los rios de llanura no existen diferencias muy notables en las
pendientes de los diferentes tramos de la curva. Este hecho es útil para
ajustar la forma de la curva de duración según las caracteristicas de la
cuenca cuando la serie de caudales medios es deficiente, o para
transponer una curva de duración de una cuenca bien instrumentada de la
misma región a la cuenca que tiene información escasa.
Curvas de Duración
•
El caudal mínimo probable de la curva es el caudal que la corriente puede suministrar durante todo el
año con una probabilidad de excedencia próxima al 100 % . Si este caudal es mayor que la demanda del
proyecto, entonces la fuente tiene capacidad para abastecer la demanda sin necesidad de
almacenamiento.
•
En los estudios que se realizan en cuencas pequeñas las variaciones diarias del caudal son importantes.
Por esta razón los análisis se hacen con base en la curva de duración de caudales diarios. Cuando la
información hidrológica es escasa la serie histórica de los caudales medios diarios no existe, o si existe
no es suficientemente confiable. En tal caso la curva de duración de caudales diarios no puede
determinarse por métodos matemáticos, pero pueden hacerse estimativos utilizando relaciones
empíricas entre lluvias y caudales. Estos estimativos pueden ocasionar sobrediseño de las obras.
•
La experiencia ha demostrado que las regresiones lluvia - caudal son aceptables para valores anuales,
pero resultan deficientes cuando se utilizan con valores mensuales o diarios. Por esta razón, lo
recomendable es generar una serie de caudales medios anuales a partir de las lluvias anuales y luego, a
partir de los caudales anuales estimar la serie de caudales medios mensuales; en este caso no se
pueden estimar los caudales diarios. Sin embargo, se pueden dibujar las curvas de duración de los
caudales medios anuales y medios mensuales y con base en ellas deducir aproximadamente una curva
estimada de caudales medios diarios, como se observa en la Figura No.2.
•
La curva de duración es muy útil para determinar si una fuente es suficiente para suministrar la
demanda o si hay necesidad de construir embalses de almacenamiento para suplir las deficiencias en
el suministro normal de agua durante los períodos secos.
CURVAS DE DURACION TIPICAS
EROSION , TRANSPORTE Y SEDIMENTACION EN LAS
CUENCAS
RIOS MADUROS, VIEJOS Y JOVENES
Estación hidrométrica Río Caplina HLMHLG Calientes
Estación hidrométrica Canal Uchusuma
Bajo HLM-HLG Piedras Blancas
Estación hidrométrica La Tranca en el río Sama
Estación limnimétrica río Locumba
Puente Viejo.
Estación hidrométrica Coranchay
Río Maure en la estación HLM-HLG.
Chuapalca.
Componentes
del proceso de
Intercepción
Intercepción del agua de lluvia
Intercepción
– Depende de la :
• Cantidad de biomasa
presente
• Intensidad de la lluvia
• Estructura de la copa de los
árboles y disposición de las
hojas
– Se reportan valores como:
• Bosques tropicales: 9-35% de
la Pt
• Cultivos anuales: 3-12% de la
Pt
• Pastos: 12-17% de la Pt
– En algunos trabajos se toma como
promedio 5% de la precipitación
total
INFILTRACIÓN
DEFINICIÓN
ESTIMACIÓN
Precipitación, Escurrimiento e Infiltración
MOTIVACIÓN
- Las pérdidas por infiltración de eventos de
tormentas reflejan su efecto a corto plazo, por
lo que es de gran importancia el conocimiento
del análisis del hidrograma de dichas
tormentas.
- Tambien es importante el estudio de métodos
empíricos que permitan estimar valores medios
de pérdidas por infiltración, con los que se
pueda determinar de manera aproximada la
lluvia efectiva de una precipitación específica.
Infiltración
 Proceso por el que el agua
pasa a través de la superficie
del suelo;
 Velocidad de infiltración:
velocidad de penetración del
agua
en el perfil del suelo;
 Varía, para un mismo suelo,
según condiciones de humedad;
 En suelos secos, la infiltración tiene máximos valores
y conforme se humedece, ésta es cada vez menor
hasta que en condiciones de saturación total alcanza
un valor constante.
26
Conceptos
• Infiltración: es la penetración del
agua en suelo
• Tasa de Infiltración: es la
“velocidad” o intensidad de
penetración del agua en el suelo
(mm/hora, mm/dia, etc)
• Infiltración acumulada: es la
cantidad de agua total infiltrada en
un determinado tiempo (mm)
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LIMITACIONES DEL FENÓMENO DE INFILTRACIÓN
1. No puede exceder a la intensidad de la
precipitación que llega a la superficie del
suelo.
2. Esta limitado por la tasa a la cual el agua
puede penetrar y moverse a través del
perfil.
28 / 26
INFILTRACIÓN
ESTIMACIÓN
EXPRESIÓN DE
HORTON
ÍNDICE DE
PÉRDIDA 
29 / 26
ÍNDICE DE
INFILTRACIÓN
MÉTODO SOIL
CONSERVATION
SERVICE
MÉTODO DE LIU Y
WANG
Curvas de infiltración
30
Factores de la velocidad de infiltración
Contenido inicial de agua en el suelo.
Características físicas, químicas y biológicas del
suelo.
Tipo de suelo (textura y estructura).
Grado de uniformidad del perfil del suelo.
Pendiente del terreno.
Operaciones de laboreo del suelo;
Erosión del suelo que puede dar lugar al
afloramiento de horizontes menos permeables.
31
Factores que afectan la infiltración
1. Tipo de suelo:
La infiltración varía
directamente con
 La porosidad
 El tamaño de partículas
 Estado de fisuración de
las rocas
32
Curvas de infiltración según textura del
suelo
Factores que afectan la infiltración
2. Contenido de humedad del suelo:
La Infiltración es menor en un suelo húmedo que en suelo más seco.
3. Acción de la precipitación sobre el suelo:
La Infiltración en regiones con vegetación es
Mayor que en suelos descubiertos
4. Temperatura:
El Escurrimiento en un suelo es laminar en función de la viscosidad del agua. Cuanto
mayor es la Tº, mayor será la infiltración de agua en el suelo
34
Factores que afectan la infiltración
5. Compactación debida
al hombre y animales
Suelo en condiciones
naturales y suelo
compactado por acción
del hombre
35
Factores que afectan la infiltración
6. Macroestructura
del terreno
a) excavaciones de animales e insectos;
b) descomposición de raíces;
c) aradura y cultivo de la tierra.
36
Perfil de humedad en el proceso de infiltración
Ecuaciones para estimar la infiltración
• Horton
• Philips
• Kostiakov
Ecuación de Horton:
F(t) = fc + (fo - fc)e-kt
Donde k es una constante de decaimiento (T-1)
38
Ecuaciones para estimar la infiltración
Ecuación de Philips:
F(t) = St-1/2 + Kt
Donde S es el parámetro de resortividad y K es la conductividad hidráulica. Para f(t)
cuando t » ; f(t) » K
Ecuación de Kostiakov:
F = atb 0 < b < 1
Donde a y b son constantes. Entonces:
para f, cuando t » 0, f » ; y cuando t » , f » 0. No hay
correspondencia con la realidad porque f = Ks. Por lo tanto,
Kostiakov propuso un rango de tiempo máximo de
aplicabilidad:
t ≤ (a*b/Ks)1/(1-b)
39
Medición de la infiltración
La Medida de infiltración
se realiza in situ.
El Método más extendido
es que se usa dos cilindros
concéntricos de acero,
que se introducen en el
terreno.
Método del surco, prueba en que se aplican caudales
que se aforan a la entrada (q’, caudal por surco) y a
la salida (q’’, escorrentía).
40
Medición de la infiltración
41
Infiltrómetro de Aneis
42
Resumen :
Variables que intervienen en el fenómeno:
CONOCIDAS
DESCONOCIDAS
-Condiciones físicas del
suelo.
-Infiltración potencial
-Topografía.
del suelo.
-Duración e intensidad de
la lluvia.
Aplicación de métodos de estimación
Parámetro
Infiltración
Método
Aplicación
Expresión de
A suelos bajo una lluvia
capacidad de
constante.
infiltración.
Índice
de Conocida la escorrentía
directa.
pérdida .
Índice Fav.
La intensidad de lluvia
excede a la tasa de
infiltración
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Aplicación de métodos de estimación
Parámetro
Método
Aplicación
Se considera el índice de
Método SCS humedad anterior a la
tormenta.
Infiltración
Verificar si los parámetros
Método LIU involucrados en el método se
y WANG.
ajustan a las condiciones de la
cuenca en estudio.
Expresión de Capacidad de
Infiltración
Esta expresión fué desarrollada por Horton, ella refleja
la tendencia de la velocidad de infiltración, en
cualquier suelo bajo una lluvia constante.
f  f c  f o  f c e  kt
fc= Capacidad de infiltración para un tiempo t muy
grande,(mm/h).
fo=Capacidad de infiltración inicial en t=0,(mm/h).
t=Tiempo desde el inicio de la lluvia en minutos.
K=Constante para un suelo y superficie particulares (t -1).
ÍNDICE DE PÉRDIDAS 
Intensidad de lluvia (mm/h)
Definido como la intensidad de lluvia, por sobre la
cual el volumen de la precipitación iguala al
volumen de la escorrentía.
T
D
Lluvia efectiva= escorrentía
F
Tiempo en horas
Pérdidas
ÍNDICE Fav
Representa la tasa promedio de infiltración
durante el período, excluyendo las pérdidas que
no son de infiltración.
T


1
kt
Fav   f c  f o  f c e dt
T0
Método del US. Soil Conservation
Service ( S.C.S )
Es un procedimiento empírico desarrollado por
hidrólogos del S.C.S, para estimar la escorrentía y la
pérdida, basandose en la precipitación ocurrida y las
condiciones de la cuenca.
Condiciones iniciales requeridas para la aplicación del
método:
Condición I: (Suelo Seco). El suelo está seco sin perder
su cohesión (lluvia en los 5 días previos: 0 – 35 mm).
Condición II: (Suelo Normal). Condición media
existente antes de que ocurra la máxima crecida anual
en la cuenca (lluvia en los 5 días previos: 35 – 50 mm).
Condición III: (Suelo Húmedo). 5 días antes de la
tormenta se han producido lluvias fuertes y el suelo
esta saturado (lluvia en los 5 días previos: > 50 mm).
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Relación entre la precipitación y el
escurrimiento.
Según la
condición.
La relación está expresada mediante un determinado
Número de Curvas, que dependen de: la clasificación
de los suelos, uso de la tierra y de la condición
Hidrológica.
1. Clasificación Hidrológica de los Suelos:
Grupo
A
B
C
D
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Caraterística del Suelo
Bajo potencial de escorrentía.
Moderadamente bajo potencial de escorrentía
Moderadamente alto potencial de escorrentía
Alto potencial de escorrentía
Continuación
2. Condición Hidrológica
Condición Hidrológica
Buena
Regular
Mala
Cobertura
Del 75%
Entre 50% y 75%
menor del 50%
3.Usos de la tierra:
Dependiendo del uso de la tierra se puede aumentar
los picos de las crecidas y bajar el caudal de estiaje.
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NÚMERO DE CURVA PARA LA CONDICIÓN I
Y III.
4,2  CNII
CNI 
10  0,058  CNII
CNI
23  CNII
CNIII 
10  0,13  CNII
: Condición de humedad antecedente seca.
CNII : Condición de humedad antecedente normal.
CNIII : Condición de humedad antecedente húmeda.
Número de curvas de escorrentía
Condición II de humedad antecedente.
Uso de la tierra.
Sin tratamiento consevacional
Tierra cultivada
Con tratamiento consevacional
Condición mala
Pradera o Pastizal
Condición buena
Sabanas
Condición buena
Ralo,cobertura pobre
Bosques
Cobertura buene
Espacios abiertos, járdines, parques, campos de golf, cementerios,etc.
Condición buena
Cobertura de grama de 75% o más al área
Condición regular
Cobertura de grama de50% a 75% del área
Áreas comerciales de negocios (85% impermeables)
Áreas industriales (72% Impermeables)
Residencial
Parcela promedio
% Impermeabilidad
2
500 m o menos
65
2
1000 m
38
1500 m2
30
2
2000 m
25
2
4000 m
20
Estacionamientos,parcelas,techos,autopista,etc.
Calles y caminos
Pavimentos con cunetas y alcantarillas
Granzón
Tierra
Grupo de suelos
A B C
D
72 81 88 91
62 71 78 81
68 79 86 89
39 61 74 80
30 58 71 78
45 66 77 83
25 55 70 77
39
49
89
81
61
69
92
82
74
79
94
91
80
84
95
93
77
61
57
54
51
98
85
75
72
70
68
98
90
83
81
80
79
98
92
87
86
85
84
98
98 98 98
76 85 89
72 82 87
98
91
89
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NÚMERO DE CURVAS
En cuencas con mediciones previas, el valor de
CN se puede obtener para cada tormenta,
mediante la siguiente expresión:
CN 
100
1  0,02[P  2Q  4Q  5PQ ]
Q = Escorrentía
P = Precipitación
2
Expresiones que definen la Escorrentía y la Pérdida.

P  0,2S
Q
2
P  0,8S
Q = Escorrentía
 1000

S  25,4
 10 
 CN

S = Pérdidas de Infiltración.
Númericamente el valor máximo de S es la capacidad
útil de almacenamiento del suelo.
MÉTODO DESARROLLADO POR LIU Y
WANT
Mediante este método se llegó a la expresión que
relaciona el índice  y la intensidad de lluvia durante la
tormenta:
b
  aI
 = tasa promedio de pérdidas de lluvia en mm/h.
a,b = parámetros que muestran las características de
las condiciones del terreno.
I = intensidad de la precipitación en mm/h.
Valores de los parámetros a y b
Condiciones de humedad del suelo
Descripción de las condiciones del
terreno
Perfil delgado arcilloso, vegetación
pobre.
Arcilloso, arenoso, vegetación pobre,
montañas rocosas y regiones con
perfiles delgados.
Limosos, vegetación pobre, regiones
con colinas, perfil grueso pastos.
Limoso y con vegetación densa de
forestales
Arenosos, floresta vegetal original con
un piso forestal denso.
Húmedo
a
b
Medio
a
b
Seco
a
b
0,83 0,56 0,93 0,63 1,00 0,68
0,93 0,63 1,02 0,69 1,08 0,75
0,98 0,66 1,10 0,76 1,16 0,81
1,10 0,76 1,18 0,83 1,22 0,87
1,22 0,87 1,25 0,90 1,27 0,92
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En Venezuela, el HIDROMET realizó el análisis de 50
tormentas en 11 cuencas de diversos tamaños, ubicadas
en las regiones Norte y Centro Occidental del País y
desarrolló la siguiente expresión:
  1,09  I 0,85
Con r = 0,98 (Coeficiente de Correlación )
Mediante esta expresión se hacen estimaciones en las
regiones para las que se desarrolló y en áreas vecinas
con precipitaciones hasta de 150 mm/h.
Ejemplo
Dada la distribucion de una tormenta de 75 mm,
calcular el índice  sabiendo que la escorrentía
superficial o directa es de 33 mm.
P(mm)
t (h)
1
5
2
15
3
20
4
20
5
14
6
1
total
75
F=9 mm/h
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Ejemplo
El cálculo se efectúa por iteración como sigue:
Ptotal  ED
75  33
mm
1.  o 

7
t
6
h
2. Comparar el valor del paso anterior con los límites de
lluvia horaria.
3. El valor de Pi  o se resta de la lluvia total y
disminuye la duración de la tormenta en cada uno de
los intervalos en que esto ocurra.
4. Sea el nuevo valor de 
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75  33  (5  1)
mm

9
62
h
VERIFICACIÓN -GENERALIZACIÓN
-Mediante los métodos descritos se pueden
obtener valores medios de pérdida, por lo que la
verificación se puede realizar con algunos de ellos,
teniendo los datos requeridos por los mismo.
-La ecuación de campo es aplicable a todos los
suelos bajo una lluvia constante.
- El método de índice de pérdidas  es muy usado
para estimar en forma rápida la escorrentía que
produciría una tormenta en cuencas de gran
extensión.
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Infiltración del agua en suelos arenosos y arcillosos
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