MÉTODOS DE CÁLCULO DE

CAUDAL EN DRENAJES

VALES SUPERFICIALNELIANA DURÁN

MÉTODOS DE CALCULO DE CAUDAL EN DRENAJES SUPERFICIAL

LOS MÉTODOS MAS UTILIZADOS SON:

- Método Hidrometeorológico

- Método del hidrograma unitario

La estimación de los caudales asociados a distintos periodos de retorno

depende del tamaño y naturaleza de la cuenca. Para cuencas pequeñas

(tiempo de concentración inferior a 6 horas) se puede utilizar el Método

Hidrometeorológico, correspondiente a esta Instrucción. Se basa en la

aplicación de una intensidad media de precipitación a la superficie de la

cuenca natural. Hay que tener en cuenta el tipo de cuenca a estudiar, ya

que puede influir sustancialmente. Nos podemos encontrar con plataforma de

carreteras, cauces poco definidos, retención por depresiones o deshielos, que

laminen, aumenten o desvíen el recorrido de las escorrentías.

Siempre que sea posible se deberá contrastar los resultados con caudales de

estaciones de aforo o niveles conocidos de caudales de avenida.

- Método Hidrometeorológico

FÓRMULA DE CÁLCULO

El caudal de referencia Q en el punto en el que desagüe

una cuenca o superficie se obtendrá mediante la fórmula:

Cada uno de los parámetros que la componen a su vez, hay que calcularlo

según se indica en la Instrucción 5.2 IC sobre Drenaje Superficial. Ya que su

desarrollo íntegro se encuentra en la Instrucción adjunta, podemos resumir

el procedimiento en el siguiente esquema:

Ejemplo práctico de método: CUENCA VERTIENTEMediante un análisis topográfico del Modelo Digital del Terreno, determinamos los límites de la cuenca vertiente.Suponemos que nuestra Área es de 150 Km2.TIEMPO DE CONCENTRACIÓN

Para calcular el Tiempo de Concentración de la Cuenca en horas, determinamos primeramente;- Longitud del cauce principal en kilómetros. Ej. L = 1,2 Km.- Pendiente Media del cauce en tanto por uno.

Si la Cota superior es la 180 m y la inferior 120 m, tenemos;

El valor del tiempo de Concentración es,

Nota: En el caso que el tiempo de concentración fuese inferior a 30 minutos o el agua circulara por la plataforma de la calzada

INTENSIDAD MEDIA DIARIAId es la Intensidad Media Diaria para el Periodo de Retorno considerado e igual a Pd/24 en mm/h.

A su vez, Pd, es la Precipitación Total Diaria para el mismo Periodo de Retorno en mm.Se recomienda tomar los datos de la de Meteorología En nuestro caso, hemos obtenido una precipitación diaria de 220 mm.Por tanto, la Intensidad Media Diaria será de:

INTENSIDAD MEDIAEsta Intensidad Media corresponde al Periodo de Retorno considerado en el cálculo de las precipitaciones y un tiempo igual al de Concentración, en mm/h.En nuestro caso su valor será de 8.Por tanto, obtenemos una intensidad media,

UMBRAL DE ESCORRENTÍAEl Umbral de Escorrentía corresponde con el valor mínimo a partir del cual la precipitación produce escorrentía. Esto es, se debe cumplir que la lluvia caída Pd sea mayor que el valor del umbral de escorrentía (Pd > P0) o la relación Pd/P0 > 1 Para determinarlo, recurriremos a las tablas contenidas en la Tabla 2.1 de la Instrucción.

Umbral de escorrentía tablas

Usos del Suelo: Se recomienda utilizar Sistemas de Información Geográfica para

determinar correctamente los usos.

Pendiente (%): Se puede determinar fácilmente mediante el análisis del

Modelo Digital del Terreno y aplicaciones de SIG.

En el caso de bancales, la Instrucción recomienda tomar una pendiente

inferior al 3%.

Características Hidrológicas del suelo: "N" corresponde con cultivos según las curvas de nivel, y "R" segúnlas líneas de máxima pendiente.En caso de desconocimiento, se recomienda tomar "R", ya que corresponde con un valor del umbral de

escorrentía menor, lo que nos sitúa del lado de la seguridad.Grupo de Suelo: Corresponde a una clasificación básica de los tipos de suelo en función del porcentajede Arena, Arcilla y Limos.Una vez determinada estas cantidades, mediante ensayos y reconocimiento de campo, podemosdeterminar el tipo de suelo mediante la siguiente figura 2.6 de la Instrucción.

Para cada cuenca, se determinará un valor medio del Umbral de Escorrentía. Este valor medio se puede calcular realizando una media ponderada entre los valores del umbral con cada parcela o área que componga la cuenca.

Si de los 150 Km2, hemos determinado los Umbrales de Escorrentías en tres

subáreas, con los siguientes valores:

Subárea Área (Km2)

Po (mm)

I 50 15

II 40 11

III 60 17

El Umbral de Escorrentía Medio será:

Una vez calculado, debemos corregirlo, con el Mapa del Coeficiente Corrector del Umbral de Escorrentía, según se indica en la Figura 2.5.

En nuestro ejemplo, tomaremos un valor de β=3.

Por tanto, en Umbral de Escorrentía queda;

Según se indica en el apartado 2.5 de la Instrucción, "Si no se requiere gran precisión, podrá tomarse simplificadamente un valor conservador de P0 (sin tener que multiplicarlo luego por el coeficiente de la figura 2.5) igual a 20 mm, salvo en cuencas con rocas o suelos arcillosos muy someros, en las que se podrá tomar igual a 10 mm".

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍADeterminado el Umbral de Escorrentía y la Precipitación Diaria, comprobamos si existe escorrentía, mediante la relación;

En nuestro caso,

Lo que viene a significar, que las precipitaciones caídas Pd es mayor al umbral de escorrentía de la cuenca. (Pd > P'0)Aplicando el Coeficiente de Escorrentía;

FACTOR DE CONVERSIÓNFinalmente, determinamos el coeficiente de conversión en función de las unidades utilizadas en los cálculos, del Caudal y del Área.Dicho coeficiente incluye un aumento del 20 % en Q para tener en cuenta el efecto de las puntas de precipitación. Su valor está dado por la tabla 2.1.

En nuestro ejemplo, hemos utilizado en área en Km2 y el Caudal lo deseamos en m3/s. Por tanto, el valor de K=3CAUDAL DE REFERENCIAEl Caudal de Referencia lo obtenemos sustituyendo los valores previamente calculados.

Método Del Hidrograma Unitario

El método del hidrograma unitario es uno de los métodos utilizados en hidrología, para ladeterminación del caudal producido por una precipitación en una determinada cuencahidrográfica. Si fuera posible que se produjeran dos lluvias idénticas sobre una cuenca hidrográficacuyas condiciones antes de la precipitación también fueran idénticas, sería de esperarse que loshidrogramas correspondientes a las dos lluvias también fueran iguales. Esta es la base del conceptode hidrograma unitario. En la realidad es muy difícil que ocurran lluvias idénticas; esta puedenvariar su duración; el volumen precipitado; su distribución espacial; su intensidad.

Ilustración para el cálculo del hidrograma unitario.

Qtot Caudal registrado en la sección en estudio

Qbase sale de la curva ABC

En el ejemplo hdistribuido = 2.2 cm.

Un hidrograma unitario es un hidrograma (Q = f (t)) resultante de un escurrimiento correspondiente a un volumenunitario (1 cm, mm, plg,... de lluvia por la cuenca) proveniente de una lluvia con una determinada duración ydeterminadas características de distribución en la cuenca hidrográfica. Se admite que los hidrogramas de otraslluvias de duración y distribución semejantes presentarán el mismo tiempo de base, y con ordenadas de caudalesproporcionales al volumen de fluido.Se puede construir un hidrograma unitario a partir de los datos de precipitación y de caudales referentes a unalluvia de intensidad razonablemente uniforme y sin implicaciones resultantes de lluvias anteriores o posteriores. El

primer paso es la separación del escurrimiento subterráneo del escurrimiento superficial directo. Se calcula elvolumen defluido (representada por el área ABCD de la figura) y se determinan las ordenadas del hidrogramaunitario dividiendo las ordenadas del hidrograma directo, por la altura de escurrimiento distribuido sobre lacuenca, hdistribuido, expresado en cm.

El hidrograma unitario resultante corresponde al volumen de un centímetro de escurrimiento. El paso final es laselección de la duración específica de una lluvia, con base en el análisis de los datos de la precipitación.Períodos de baja intensidad de precipitación en el comienzo y al final de la lluvia deben ser despreciados, yaque no contribuyen sustancialmente al escurrimiento.