Facultad de agronomía / Taller II / Caracterización hidrologica de una zona particular / año 2005

Introducción y caracterización de la zona

COMPORTAMIENTO ANUAL DE LOS RECURSOS HÍDRICOS SUPERFICIALES

Clasificación de los cursos de agua superficiales

A partir del análisis de los documentos de base se puede definir el régimen de los cursos de agua que se encuentran en la zona de estudio. La cantidad de agua que circula por un curso (caudal) varía en el tiempo y en el espacio. Estas variaciones son las que definen el régimen hidrológico de un curso de agua. Por lo tanto, se puede realizar una clasificación tomando en consideración la intermitencia de los mismo lo que de alguna manera permitiría una gran división entre aquellos cursos que se mantienen en la época del año en la que se registran mayores deficiencias del recurso, y los que no.
Las variaciones temporales se dan durante o justo después de la precipitación y dependen fundamentalmente de éstas.
El mapeado de intermitencia que se registra en la carta topográfica busca fundamentalmente contemplar los extremos probables de escorrentía de la zona que generarían excesos o deficiencias de agua para el propio curso.
Es decir que se puede producir la crecida cuando el aporte de agua es mayor que la capacidad del curso para evacuarla o el curso puede llegar a secarse cuando el aporte de agua de lluvia acumulada en el suelo y el subsuelo reduzca el caudal basal a cero (el agua que circula bajo tierra, tarda mucho más en alimentar el caudal del curso y puede llegar a él días, semanas o meses después de la lluvia que generó la escorrentía). En la capacidad que tienen los cursos de agua para sobrellevar esta situación es en lo que se basa el concepto de intermitencia.
Tras la revisión de los documentos y la visita realizada a campo, se citan a continuación tres cursos cuyo caudal se mantiene en los períodos en los que la precipitación es escasa. CORRALES DEL PARAO, DE LAS RENGAS Y CORONILLA. (¿son arroyos cañadas o qué mierda?)
Los demás cursos, de orden secundario y terciario a los permanentes citados primeramente, son mapeados en la carta topográfica 1:50000 como intermitentes. Esto se pudo constatar en la salida de campo realizada la segunda semana de enero, instancia en la cual, a razón de la sequía se pudo visualizar el fenómeno antes mencionado.
La variación espacial se da a razón de la geomorfología. El caudal del curso aumenta aguas abajo, a medida que se van recogiendo las aguas de la cuenca de drenaje y los aportes de las cuencas de otros cursos que se unen a él como tributarios. La topografía de lomadas fuertes que se observa en el área de estudio genera numerosas vías de drenaje que aportan a los cursos de aguas una mayor área de influencia. Sin embargo, estas vías son demasiado inestables por el tipo de suelo asociado a los cursos y la baja incidencia de precipitaciones para el período en el que fue realizada la visita.

ANÁLISIS DE LA CUENCA EN ESTUDIO

Introducción

Las cuencas pueden ser consideradas como sistemas abiertos en los que se estudian los procesos hidrológicos.
Una cuenca es el área de la superficie terrestre drenada por un único sistema fluvial y representa la unidad fundamental empleada en hidrología. Ésta constituye uno de los rasgos principales del paisaje, cuyo proceso de formación está determinado por la erosión fluvial y la deposición de sedimentos. Por lo tanto el tamaño y forma de la misma viene determinado generalmente por las condiciones geológicas del terreno.
A su vez el patrón y densidad de las corrientes y cursos que drenan este territorio no sólo dependen de su estructura geológica, sino también del relieve de la superficie terrestre, el clima, el tipo de suelo, la vegetación y, cada vez en mayor medida, de las repercusiones de la acción humana en el medio ambiente de la cuenca.
El estudio de las cuencas permite realizar una evaluación de los riesgos de inundación. Esto permite mejorar la gestión de los recursos hídricos gracias a que es posible medir la entrada, acumulación y salida de sus aguas y planificar y gestionar su aprovechamiento analíticamente.
Caracterización de la cuenca en estudio
Ubicación
A continuación se presenta la porción de la carta topográfica escala 1:50000 en la que se puede observar el curso que será analizado y el área en la que se encuentra la cuenca en estudio, al igual que sus limites.

Área

Esta es una de las propiedades físicas más importantes de la cuenca.
Los cálculos que se presentan a continuación definen la superficie en proyección horizontal que se encuentra delimitada por la divisoria de aguas.
Es importante citar, que los valores presentan un error debido a la no consideración de la pendiente de la cuenca.
Por el método de la cuadricula se tomaron tres mediciones consecutivas. Para la escala 1:50000 se presentan a continuación los datos recabados:
Bajo estas condiciones se utilizó el promedio de mediciones. Por lo tanto:
Se obtienen puntos utilizando una cuadrícula que presenta una distancia entre puntos de 0.5 cm.
Tras realizar la conversión de la escala, cada cuadro representa 0.01 km2 .

x 0.01 = km2
La proyección horizontal del área de la cuenca en estudio vale
km2 m2 hás

Perímetro

El Perímetro de la cuenca permite junto al área, el cálculo del coeficiente de compacidad.
Este coeficiente es uno de los principales índices empleados para analizar la forma ya que permite estimarla relacionándola con un círculo.
Éste es un valor importante para definir el riesgo de inundación, ya que dada una determinada cantidad de lluvia, cuanto menos alargada sea la cuenca, mayor será la escorrentía máxima y antes alcanzarán las aguas la salida o desembocadura.
Este parámetro fue medido rodeando con un hilo el limite de la cuenca. Los valores obtenidos de las tres mediciones realizadas, se presentan a continuación.
cm

Escala 1:50000
1 cm ___ 500 m
cm ___ m
Con el fin de calcular el coeficiente de compacidad que se define aritméticamente, como la división del diámetro de un círculo de la misma área que la cuenca de drenaje por la longitud máxima de la cuenca, se aplico la fórmula de Gravelius.

Kc: coeficiente de compacidad
P: perímetro (m)
A: área (m2)

Por lo tanto, para la cuenca en estudio:
Kc = 0.28 * m / Ö m2 =

Según los rangos citados en la clasificación del Prof. López – Cadenas, La cuenca presenta forma ovalada por encontrarse en un rango entre 1.25 y 1.50, para los valores del coeficiente de compacidad.

Pendiente promedio

La pendiente se define aritméticamente como la diferencia de altura entre el punto más bajo y el más alto de la cuenca dividida por la longitud máxima de la misma.
En este caso, para calcular la pendiente promedio se optó por el método que requiere la sumatoria de las longitudes de las curvas de nivel que se encuentran dentro de la cuenca.
Im: pendiente promedio
It: suma de las longitudes de todas las curvas de nivel (m)
h: intervalo entre curvas de nivel consecutivas (m)
A: área de la cuenca (m2)

La importancia de este parámetro físico radica en que proporción de conversión de energía potencial en energía cinética de las aguas que recorren la cuenca depende de la pendiente. La escorrentía suele ser más rápida en las cuencas con pendiente, lo que provoca caudales más elevados y mayor poder erosivo.

A continuación se presentan los valores que se utilizaron para realizar los cálculos.

> Longitudes de las curvas de nivel para cada cota, medidos a escala 1:50000
Cota m ___ 3.2 cm ___ 640 m
Cota m ___ 7.8 cm ___1880 m
Cota m ___ 16.5 cm ___ 3300 m
Cota m ___8.6 cm ___1720 m
It = suma de las longitudes de las curvas de nivel dentro de la cuenca
It = 640 m + 1880 m + 3300 m +1720 m = 7540 m
Por lo tanto:
Im = (7540 m * 10 m ) / 2190000 m2 ) * 100 = 3.44 %

La pendiente media para la cuenca es de 3.44 % valor que incide en de manera directa en el tiempo de concentración y en la duración de la escorrentía.

Densidad de drenaje

La densidad de drenaje es una medida de la textura de la red, y expresa el equilibrio entre el poder erosivo del caudal terrestre y la resistencia del suelo y rocas de la superficie.
Tomando en consideración el Atlas de regionalización de Recursos Naturales agronómicos, a escala 1:2000000 (Bossi, et al. Facultad de agronomía, Taller II), la zona analizada presenta una densidad de drenaje baja. Es importante destacar, que el documento antes citado no puede ser comparado con los valores que se obtengan con los cálculos adaptados específicamente al área de estudio. Esto se debe a que son documentos realizados a diferentes escalas, y con diferente grado de detalle.
Para realizar los cálculos a nivel de la cuenca en estudio, se midieron los largos de los cursos de agua superficial en la carta topográfica a escala 1:50000.
Por definición:
DD: densidad de drenaje
e : sumatoria total (km)
A : área de la cuenca (km2)
La medición de las longitudes fue de cm, que bajo la escala antes citada, equivalen a km (1 cm ___ 500m ).
Por consiguiente:
DD = km / km2 = km / km2

Cálculo de caudal máximo

Todos los parámetros físicos antes mencionados caracterizan la cuenca en estudio y son esenciales para el cálculo del caudal máximo. Este valor permite cuantificar la importancia agronómica del curso de agua, de manera que condiciona la disponibilidad de dicho recurso a lo largo del año.
A continuación se presentan los cálculos necesarios para obtener el caudal máximo del curso mediante el método racional.
Q : caudal
I : Intensidad máxima de lluvia
A : área

Tiempo de concentración de la cuenca

El tiempo de concentración, se define como el tiempo que demora una gota de lluvia en recorrer la cuenca desde su desembocadura hasta el punto más alejado de la misma. Se expresa como la distancia del recorrido de la gota, sobre la velocidad que esta adquiere durante el mismo.
Se reconocen dos tiempos de concentración; teniendo en cuenta si la gota realiza el recorrido por el curso o directamente sobre el terreno.
Para el cálculo de los valores de tiempo de concentración en flujo concentrado (sobre el curso), se utiliza la fórmula de Kirpich.
Tc : tiempo de concentración (minutos)
L : longitud máxima de la corriente (m)
S : pendiente
Para la cuenca en estudio:
L = 3400 m
S = 3.44 x 10 -3
Por lo tanto:
Tc = 0.0195 * 3400 m 0.77 * (3.44 x 10 –3) –0.385 = 90.72 minutos
Llevando los decimales del resultado al sistema sexagesimal:
1 minuto ___ 60 segundos
0.72 minuto ___ x x = 43

El tiempo de concentración para flujo concentrado es de 90 minutos con 43 segundos.
Para la obtención del restante componente del tiempo de concentración, se utilizó el método del S.C.S . El valor que se presenta a continuación corresponde al tiempo que demora la gota en recorrer la distancia sobre el terreno.
Tc : tiempo de concentración (horas)
L : longitud hidráulica de la cuenca (km)
S : pendiente (%)
k : coeficiente de cobertura del suelo
Para la cuenca en estudio:
L = 3.4 km
S = 3.44 %
k = considerando la cobertura como pastura = 1.41
Por lo tanto:
Tc = 0.91 * e (3.4 km * 1.41 * (3.44-0.5)) = 2.35 horas
Llevando los decimales del resultado al sistema sexagesimal:
1 hora ___ 60 minutos
0.35 hora ___ x x = 21 minutos

El tiempo de concentración para flujo no concentrado es de 141 minutos.
El tiempo de concentración total se obtiene sumando ambos componentes, por lo que, una gota de lluvia demora 231 minutos 43 segundos en recorrer la cuenca desde su desembocadura hasta el punto más alejado de la misma.

Intensidades máximas de lluvia

Para obtener este valor, se tomo la clasificación de el Dr. Ing. Rodríguez Fontal, ubicando en el mapa del país la zona de estudio en la región VII.
De esta manera, sobre el cuadro que se presenta en la página 21 del material elaborado por Lisette Bentancor para actividades de recursos hídricos complementarias al taller II (Departamento de suelos y aguas Facultad de Agronomía, 2004) se ubica el tiempo de concentración obtenido en el punto anterior. A continuación se muestran los cálculos que fueron realizados.

Cuadro intensidad máxima de lluvia, según tiempo de concentración y región
Tiempo de concentración
Región VII
180
41
240
34

Fue necesario interpolar los valores, utilizando 232 minutos:
41 – 34 = 7
240 – 180 = 60
7/60 = 0.12
232 – 180 = 52 à 52 * 0.12 = 6.24
41 – 6.24 = 34.76
La intensidad máxima de lluvia para la cuenca es de 34.76 mm / hora

Coeficiente de escorrentía

Las precipitaciones que alimentan el terreno se infiltran en los suelos, o fluyen lentamente, ladera abajo, en forma de arroyada en surcos.
No toda el agua que cae durante las grandes tormentas es capaz de filtrarse; en aquellos lugares en los que por la acción humana se ha compactado la superficie del suelo o en aquellos lugares ya saturados de agua, el exceso de líquido se acumula en la superficie y fluye ladera abajo, hasta el curso de agua más próximo.
El agua que llega a los cursos de esta manera recibe el nombre de escorrentía. El curso completa el ciclo hidrológico cuando logra utilizar el agua proveniente de éste fenómeno para reemplazar el agua que se evapora de los cursos principales.
Esta variable, no tiene valores específicos para nuestro país, por lo que se utiliza para su consideración la tabla que se encuentra en el texto Hidrología aplicada (Actividades de recursos hídricos complementarias al taller II en base a Chow, 1994 para Austin, Texas)
El próximo cuadro no presenta el valor de tiempo de retorno para el que fue realizado el cálculo de intensidad máxima de lluvia, por lo que es necesaria nuevamente la interpolación de resultados, para obtener un resultado lo más concordante posible con los parámetro físicos de la cuenca.
Coeficiente de escorrentía según superficie y duración del período de retorno
Característica de la superficie
Período de retorno 50 años
Período de retorno 100 años
Área de cultivos / pendiente promedio
0.48
0.51
Por interpolación:
0.51 - 0.48 = 0.03
100 – 50 = 50
70 – 50 = 20
(0.03 / 50) * 20 = 0.01
0.48 + 0.01 = 0.49
El coeficiente de escorrentía para la cuenca delimitada, es de 0.49.

Caudal

A partir de los datos obtenidos, se utilizó el método racional para calcular el caudal máximo del curso de agua en estudio.
Es importante destacar que el método presenta una serie de supuestos que se enumeran a continuación (fuente: Bentancor, L, 2004 Actividades de recursos hídricos complementarias al taller II , Departamento de suelos y aguas Facultad de Agronomía) :
El caudal máximo calculado en el punto de salida de la cuenca es una función de la intensidad de precipitación promedio durante el tiempo de concentración.
La intensidad de precipitación es constante durante toda la tormenta y uniforme en toda la cuenca.
Qmax = 0.49 * 0.03472 * 2190000 = 37300.956 m3 / hora

DETERMINACIÓN DEL CAUDAL DE UN CURSO DE AGUA SUPERFICIAL

Revisión conceptual del método

La importancia de la realización de dicha determinación, radica en la posibilidad de obtener de manera práctica el caudal de agua que corre por un curso determinado.
Con estos fines se realizó un aforo intentando concentrar el agua que corría por el curso de agua elegido por un caño de PVC y a través de la medida del tiempo necesario para llenar un recipiente de volumen conocido obtener el valor del caudal para un punto dado, en un momento específico. Éste es un método directo, bastante fidedigno si se concentra el agua de manera correcta.

Caracterización del punto de aforo

El punto en el que se hizo posible realizar el aforo tiene coordenadas planas Cpx: / Cpy: A continuación se presentan en forma gráfica el punto de aforo en la sección correspondiente a la zona de estudio de la carta topográfica, escala 1 : 50000.

Delimitar una sub-cuenca de estudio que tenga como desembocadura el punto de aforo, permite visualizar realmente la importancia del curso, ya que el curso aforado, no recibe la afluencia de agua de toda la superficie analizada anteriormente, sino, de una porción más pequeña.

ESTUDIO DE LA SUB-CUENCA AL PUNTO DE AFORO

Para una mejor interpretación de los valores obtenidos en el aforo y siguiendo la misma metodología que se demostró en el análisis de la cuenca, se calculan a continuación, los parámetros físicos de la cuenca al punto de aforo.

Área

Por el método de la cuadricula se tomaron tres mediciones consecutivas. Para la escala 1:50000 se presentan los datos recabados:
puntos
puntos
puntos

Bajo estas condiciones se utilizó el promedio de mediciones. Por lo tanto:
Se obtienen 73 puntos utilizando una cuadrícula que presenta una distancia entre puntos de 0.5 cm, que representa 0.01 km2 .
73 x 0.01 = 0.73 km2
La proyección horizontal del área de la sub-cuenca vale
0.73 km2 730000 m2 219 hás

Perímetro

Este parámetro fue medido rodeando con un hilo el limite de la sub-cuenca. El valor con el que se realizaron los cálculos se obtuvo promediando tres mediciones:
20.5 cm
21.7 cm
20.7 cm
Llevado a escala 1:20000 representa 4.19 km, (4193.3m)
Kc = 0.28 * P/ÖA à Kc = 0.28 * 4193.3 / Ö 730000 = 1.37

Al igual que la cuenca antes analizada, ésta presenta una forma ovalada, por tener un coeficiente de compacidad entre 1.25 y 1.50.

Pendiente promedio

Las medidas de las curvas de nivel de las diferentes cotas son:
Cota 100 m ___ 6.1 cm ___ 1220 m
Cota 90 m ___ 7.1 cm ___ 1420 m
Cota 80 m ___ 3.7 cm ___ 740 m
It = 1220 m + 1420 m + 740 m = 3380 m
Im = (It * h) / A ) * 100 à (3380 m * 10 m ) / 730000) * 100 = 4.63 %

La pendiente media para la sub-cuenca es de 4.63 % , un valor superior al de la cuenca general antes calculada, debido por la posición topográfica del punto de aforo, y a la menor distancia por ser ésta cuenca de menor tamaño.

Densidad de drenaje

DD = e longitudes de los cursos / A
Para la cuenca en estudio:
e longitudes de los cursos = 5.7 cm ___ 1140 m ___ 1.14 km (escala 1 :20000)
A = 0.73 km2
DD = 1.14 km / 0.73 km2
Caudal máximo

A continuación se presentan los cálculos necesarios para obtener el caudal máximo del curso mediante el método racional.

Tiempo de concentración

Tc = 0.0195 * L 0.77 * S –0.385
Para la cuenca en estudio:
L = 1140 m
S = 4.63 x 10 -3
Tc = 0.0195 * 1140 m 0.77 * (4.63 x 10 –3) –0.385 = 34 minutos 53 segundos
Tc = 0.91 * e (L * k * (S-0.5))
Para la cuenca en estudio:
L = 3.4 km
S = 4.63 %
k = considerando la cobertura como pastura = 1.41
Tc = 0.91 * e (3.4 km * 1.41 * (4.63-0.5)) = 2.22 horas ___133 minutos
El tiempo de concentración total se obtiene sumando ambos componentes, por lo que, en este caso es de 167 minutos 53 segundos.

Intensidades máximas de lluvia

Considerando la clasificación de el Dr. Ing. Rodríguez Fontal:
Cuadro intensidad máxima de lluvia, según tiempo de concentración y región

Tiempo de concentración
Región VII
160
45
180
41

Fue necesario interpolar los valores, utilizando 168 minutos:
45 – 41 = 4
180 – 160 = 20
4/20 = 0.2
168 – 160 = 8 à 8 * 0.2 = 1.6
45 – 1.6 = 43.4

La intensidad máxima de lluvia para la sub-cuenca es de 43.4 mm / hora.

Coeficiente de escorrentía

El coeficiente de escorrentía para la cuenca delimitada, es de 0.49, ya que las variables son idénticas a las utilizadas para la cuenca anterior, por lo que los valores a utilizar en el cálculo del caudal máximo para esta variable son los mismos.

Caudal

A partir de los datos obtenidos, se utilizó el método racional para calcular el caudal máximo del curso de agua en estudio.
Qmax = C * I * A
Qmax = 0.49 * 0.0463 * 730000 = 16561.51 m3 / hora

INDICE DE PRECIPITACIÓN ANTECEDENTE

Este cálculo, permite valorar el grado de humedad del suelo y el porcentaje de agua que escurrió a causa de las precipitaciones ocurridas los días previos a la realización del aforo. Una correcta caracterización del curso de agua necesariamente debe adjuntar dicha valoración, lo que permite tener una visión global de los procesos que definen el régimen de un curso de agua superficial, así como el caudal del mismo.
Para realizar este cálculo se consideran los 10 días antecedentes al día del aforo.
Precipitación de los últimos 10 días antes del aforo.
Fecha
28- 12
29-12
30-12
31-12
1-1
2-1
3-1
4-1
5-1
6-1

Pp
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

P1 P2 Pn
IPA = —— + —— +…——
d1 d2 dn
Donde Pn es la precipitación ocurrida en los días previos al día considerado y dn es el número correspondiente al día comenzando a razón de los cálculos, de manera inversa.
Por lo tanto:
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
IPA = —– + ––– + ––– + ––– + ––– + ––– + ––– + ––– + ––– + ––– = 0
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
IPA = 0

En resumen, este valor indica la falta de agua que se observaba en la salida de campo, tanto a nivel de suelo como a nivel de los cursos de agua y en las obras de captación de agua superficial.

Conclusiones

Teniendo en cuenta el comportamiento de los cursos de agua de la zona, por tratarse esta de una zona principalmente ganadera los cursos en general aportan agua suficiente para el desarrollo de la producción.
En las entrevistas realizadas a productores de la zona, se puso de manifiesto que el agua no es una dificultad para la producción ganadera la mayoría de los años, pero que algunos años de sequía, se puede volver una dificultad por cortos períodos de tiempo.
La densidad de drenaje de la zona según la carta de Regionalización de Recursos Naturales a escala 1:2000000 en la que se ubicó la foto aérea según las coordenadas planas es considerada como baja.
En cuanto a la densidad de drenaje de la cuenca elegida se obtuvo un valor de 1.55 Km / Km2 a escala 1:20000. Mientras para la sub-cuenca al punto de aforo se obtuvo un valor de 0.73 Km / Km2 , expresando ambos valores el equilibrio entre el poder erosivo del caudal terrestre y la resistencia del suelo al pasaje del agua.
La pendiente media de la cuenca es de 3.44%, manteniéndose cercano al valor promedio de la pendiente para el país.
Sin embargo, vale destacar que para la sub-cuenca, los valores son superiores, alcanzando este parámetro el 4.63 %. Debiéndose esta diferencia por la diferencia en la geomorfología del paisaje.
Según el coeficiente de compacidad que es utilizado para medir la forma de la cuenca, ambas cuencas son ovaladas.
Con respecto al caudal pico o de escurrimiento extremo de la cuenca los valores son 37300.956 m3 / hora y 16561.51 m3 / hora para la cuenca general y la sub-cuenca respectivamente.
El caudal medio hallado fue de 9.01 l / s à 0.00901 m3 / s
No esta de mas indicar que los días previos al momento de aforo este no se registraron precipitaciones por eso el IPA tiene valor 0.
Sobre las obras de captación de aguas superficiales, vale destacar que se actualizó la foto en estudio, y fueron descriptos tajamares que son exclusivamente para uso del ganado. Todos los tajamares registrados se encuentran en buen estado, a pesar de que algunos datan de épocas anteriores a la misión en la que se tomo la foto aérea utilizada para la fotointerpretación (abril de 1966).