ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL

ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL
• Los escurrimientos en una cuenca se dividen
de acuerdo al camino que sigue el agua para
integrarse a las corrientes, en tres
componentes:
1. Superficial
2. Subsuperficial
3. Subterráneo.
 ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL
• El superficial es el que se
manifiesta por encima del
terreno natural, en los
primeros instantes es
laminar hasta cuando se
va concentrando en
cauces, y sale finalmente
de la cuenca. Se le
denomina rápido, porque
en tiempo es el primer
escurrimiento que se
manifiesta en la sección
de control de la cuenca.
 ESCURRIMIENTO SUBSUPERFICIAL
• El subsuperficial es aquél
que luego de infiltrada
una determinada
cantidad en el perfil del
suelo, en la profundidad
donde la humedad es
aprovechable por las
raíces, se manifiesta
escurriendo en esa
primera capa del suelo, y
en algunos casos, vuelve
a aparecer en superficie,
sumándose al superficial.
 ESCURRIMIENTO SUBTERRANEO
• El subterráneo es el
escurrimiento que se da en las
capas saturadas del suelo, ya
sea en lo que se considera
acuífero freático, como en los
acuíferos cautivos o
profundos. Los primeros
aportan a los cauces del río, en
especial en épocas de estiaje,
drenando las capas
subterráneas. Por el proceso
que tiene el agua desde la
precipitación, infiltración
profunda a las napas, y de
éstas al cauce, el
escurrimiento es muy lento.
 FUENTES DEL ESCURRIMIENTO
• Para comprender
la marcha del
agua en el ciclo
hidrológico de
una cuenca, se
recurre a la
visualización del
siguiente
diagrama de
bloque:
 CICILO DEL ESCURRIMIENTO
• En la figura, se
observa las
variaciones
temporales de los
elementos de
almacenamiento y
procesos de
transferencia
hidrológicos que
ocurren durante la
lluvia prolongada en
una cuenca que se
encuentra
relativamente seca.
 FACTORES QUE AFECTAN EL ESCURRIMIENTO

• La complejidad del proceso

del escurrimiento se
encuentra influenciado por
numerosos factores que
varían de un punto a otro
dentro de la cuenca:
1. Factores fisiográficos
2. Factores físicos
3. Factores climáticos
 FACTORES QUE AFECTAN EL ESCURRIMIENTO

• Factores
fisiográficos:

a. Área de la cuenca
b. Forma de la
cuenca
c. Relieve de la
cuenca
d. Pendiente de la
cuenca
e. Red de drenaje
 FACTORES QUE AFECTAN EL ESCURRIMIENTO

• Factores físicos:
a. Tipo de suelo
b. Permeabilidad
c. Homogeneidad
d. Composición
e. Geología, geomorfología
f. Tipo y densidad de
vegetación
g. Profundidad del sistema
radicular
h. Estado de crecimiento de la
vegetación
i. Cantidad de área foliar.
 FACTORES QUE AFECTAN EL ESCURRIMIENTO

• Factores climatológicos:
• Características de la
precipitación: cantidad y
distribución espacial de
la precipitación;
intensidad; frecuencia y
duración.
• Características
climáticas: temperatura,
humedad, vientos, entre
otros.
• Evapotraspiración.
 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

• Caudal (Q): Volumen de • Tiempo de concentración (tc): Es

escorrentía superficial por unidad el tiempo que transcurre desde
de tiempo cuando la lluvia cae en el punto
• Q=V/t, es la principal variable y se más distante de la corriente de
expresa en m3/s, pies3/s ó l/s. una hoya, hasta una sección
• Caudal específico (q): Es el caudal determinada de dicha corriente.
dividido por el área de drenaje Mide el tiempo que se necesita
de la hoya y se expresa como para que toda la hoya contribuya
m3/s/km2 ó l/s/km2 . con la escorrentía superficial en
una sección considerada. Se mide
• Caudales máximos, medios y en minutos u horas.
mínimos. • Período de retorno (T): Es el
• Son los caudales máximos, período de tiempo promedio, en
medios y mínimos históricos que años, en el que un determinado
se presentan en una corriente. evento (en este caso caudal), es
igualado o superado en promedio
una vez.
 VARIABLES QUE CARACTERIZAN LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL

• Niveles de agua (h) : Se • Instrumentación de

refiere a la altura medida de niveles
alcanzada por el nivel • El Limnímetro
de agua en el cauce en
relación con un nivel de
referencia. Es una de las
medidas más fáciles de
determinar sobre una
corriente y se expresa
en metros o
centímetros.
El Limnígrafo
 DETERMINACIÓN DE CAUDALES

• Si consideramos la figura y
pretendemos encontrar el gasto que
llega al punto "a", bajo la lluvia máxima
que se presenta con una frecuencia
determinada, apreciaremos lo
siguiente:
• Durante los primeros minutos de la
lluvia, la intensidad de ésta es muy alta,
pero como el tiempo es corto, no se ha
alcanzado a drenar toda la cuenca, por
lo que el gasto que pasa por el punto ¨a
¨ no es muy grande.
• A medida que transcurre el tiempo, la
cuenca comienza a aportar más agua
por efecto de que es mayor el área que
se drena, pero por otro lado la
intensidad de la lluvia va disminuyendo
poco a poco.
 DETERMINACIÓN DE CAUDALES
• Si graficamos el gasto que
pasa por el punto ¨a¨ en
función del tiempo de
duración de la lluvia,
obtendremos una figura de
la siguiente naturaleza:
• El tiempo T1,
correspondiente al gasto
máximo y es el tiempo
mínimo en el cual se drena
toda la cuenca. Valor que
coincide con el tiempo de
concentración tc.
 MÉTODOS QUE RELACIONAN LA PRECIPITACIÓN CON EL
ESCURRIMIENTO

• MÉTODO DE CORRELACIÓN SIMPLE • Si denominamos a X (variable

independiente) como la precipitación
• Uno de los métodos más simples y y a Y (variable dependiente) como el
comunes en la hidrología está basado escurrimiento, se desea saber si un
en la suposición de que dos variables modelo de la forma:
se relacionan en forma lineal. En
general, el objetivo de un modelo de • 𝒀 =∝+βX
esta naturaleza es poder estimar el
valor de una variable, que se
denomina variable dependiente, a σ 𝑌𝑖 σ 𝑋𝑖 2 −σ 𝑋𝑖𝑌𝑖 σ 𝑋𝑖
• ∝=
partir de la otra, que se llama 𝑛 σ 𝑋𝑖 2 −(σ 𝑋𝑖)2
variable independiente.
𝑛 σ 𝑌𝑖 σ 𝑋𝑖 −σ 𝑋𝑖 σ 𝑌𝑖
• β=
𝑛 σ 𝑋𝑖 2 −(σ 𝑋𝑖)2

• 𝜌= β(σ /σ ) Coeficiente de correlación

x y
• Donde σx y σy son las desviaciones
estándares de X y Y
Datos de una estación hidrométrica y pluviométrica
localizadas en una cuenca

AÑO y= Escurrimiento anual (m3/s) X= Lluvia anual (mm)

1966 0,557 1,637

67 0,436 1,665

68 0,562 1,884

69 0,776 2,018

70 0,600 1,536

71 0,391 1,349

72 0,359 1,327

73 0,567 1,555

74 0,635 1,405

75 0,495 1,335

76 0,580 1,391

1977 0,325 1,133

ESTIMACIÓN DE LA ESCORRENTÍA SUPERFICIAL
A TRAVÉS DE LOS DATOS DE LLUVIA
• Usualmente la escorrentía superficial que se
desea conocer es aquella que resulta de una
lluvia capaz de producir una creciente en el
curso o corriente de agua.
• Método Racional
• Coeficiente de escurrimiento C:
𝑉𝑜𝑙. 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡í𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
• 𝐶=
𝑉𝑜𝑙. 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
 Método Racional
• A partir de la fórmula anterior:
𝑉𝑒
𝑉𝑒
• 𝐶= = 𝑡
𝑉𝑝
𝑉𝑝
𝑡
𝑉𝑒 𝑉𝑃
• Ahora bien: =Q y = 𝐼𝐴
𝑡 𝑡
𝑄
• 𝐶= linealizando la ecuación:
𝐼𝐴
• 𝑄 = 𝐶𝐼𝐴
 MÉTODO RACIONAL
• Tiene las siguientes fórmulas:
• 𝑄 = 𝑪𝑰𝑨
• Donde:
• Q= Es el caudal máximo probable de escurrimiento
superficial.
• C= Es el coeficiente de escurrimiento, es adimensional.
• I= Es la intensidad máxima de precipitación en un
período equivalente al tiempo de concentración.
• A= Es el área de la cuenca ó zona de aferencia de
drenaje.
 MÉTODO RACIONAL
• La fórmula expresada en el sistema de
unidades Internacional:

• 𝑄 = 0.278𝐶𝐼𝐴 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒:
• Q en m3/s
• I está dado en mm/hr
• A, en Km2
• C, es adimensional
 MÉTODO RACIONAL
• Cálculo del tiempo de concentración (Tc):
• Fórmula de Kirpich
• 𝑇𝑐 = 0,0195𝐾 0,77
• Donde:
𝐿 𝐻
• 𝐾= 𝑆=
𝑆 𝐿
• Tc= Es el tiempo de concentración, en minutos
• L= Es la longitud máxima de recorrido del agua, en metros.
• H= Es la diferencia de altura entre el punto más remoto y el
punto de salida del agua, en metros.
• S= es la pendiente del cauce principal, en metro sobre
metro.
 MÉTODO RACIONAL
• Cálculo del tiempo de concentración (Tc):
• Fórmula de Guaire:
• T𝑐 = 0.355(𝐴/ 𝑆)
• Donde:
• Tc= Es el tiempo de concentración en horas.
• L= Es la longitud del cauce principal en kilómetros.
• H= Es la diferencia de cotas de los puntos extremos en
metros.
• S= Es la pendiente media de la cuenca en m/Km.
• A= Es el área de la cuenca en kilómetros cuadrados.
 MÉTODO RACIONAL
• Cálculo del tiempo de concentración (Tc):
• Método del Bureau of Reclamation (EE.UU)
𝐿3 0,385
• 𝑇𝑐 = (0,886 )
𝐻
• Donde:
• Tc= Es el tiempo de concentración en horas.
• L= Es la longitud del cauce principal en
kilómetros.
• H= Es el desnivel en metros.
Período de retorno Tr para estructuras
menores
Tipo de estructura Período de retorno en
años ( Tr)
Diques 2 a 50
Canales de drenaje 5 a 50
Alcantarillas 2 a 10
Drenajes de 5
aeropuertos
Drenajes de carreteras 50
 MÉTODO RACIONAL
• Cálculo del coeficiente de escurrimiento C
para zonas no urbanas
Textura del suelo
Pendiente
Arenoso limoso (grueso) Arcillo limoso (medio) Arcillo denso (fino)
Bosque
0 - 5% 0.10 0.30 0.40
5 - 10% 0.25 0.35 0.50
10 -30% 0.30 0.50 0.60
Pastos
0 - 5% 0.10 0.30 0.40
5 - 1o% 0.15 0.35 0.55
10 -30% 0.20 0.40 0.60
Tierra cultivable
0 - 5% 0.30 0.50 0.60
5 - 1o% 0.40 0.60 0.70
10 -30% 0.50 0.70 0.80
 MÉTODO RACIONAL
Cálculo de la Intensidad máxima de la lluvia (I)
Determinado el tiempo de concentración Tc, para la cuenca de drenaje
y seleccionada la frecuencia ó período de retorno Tr, la intensidad
máxima de la lluvia se obtiene mediante la utilización de las curvas de
intensidad frecuencia duración.
También las curvas IDF pueden expresarse como ecuaciones de la
forma siguiente:
𝑎(𝑇𝑟 + 𝑏)𝑛
𝐼=
(𝑇𝑐 + 𝑐)𝑑
Donde:
I= Es la intensidad máxima de la lluvia en mm/hora.
Tr= Es el período de retorno en años.
Tc= Es el tiempo de concentración en minutos
a,b,c, d y n, constantes particulares de la estación, son adimensionales.
 Cálculo de la Intensidad máxima de la lluvia
(I)
CURVAS INTENSIDAD - DURACIÓN - FRECUENCIA DE LA ESTACIÓN TOLÚ

240

220

200

180

160
Intensidad (mm/h)

140 Tr 2 años
Tr 5 años
Tr 10 años
120
Tr 25 años
Tr 50 años
100
Tr 100 años

80

60

40

20

0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Duración (minutos)
 Ejercicio N° 1
• Calcular el caudal máximo que
puede producir una lluvia con un
Cobertura Pendiente Textura del
período de retorno de 10 años, vegetal
Área (Ha)
% suelo

en la cuenca de la quebrada La
Castellana en el sitio justamente
antes de cruzar la carretera. El
área drenada es de 60 Ha. Bosque 25 5- 10
Arcilloso
pesado
distribuidas en la forma como se
observa en el cuadro.
• La quebrada tiene una longitud Pastizales 15 5 -10 Arcillo limoso
de 750 m y la diferencia de
elevación entre el punto más
Cultivos 20 0–5 Areno limoso
remoto de la zona y el punto de
cruce con la carretera es de 20 m.
 Ejercicio N° 2
• Calcular el caudal para el diseño de un dique urbano de protección contra
inundaciones, a partir de la siguiente información del área:
• Longitud del cauce: 390 m
• Pendiente: 51,7 m/Km.
• Período de retorno de 100años
• La ecuación de las curvas IDF:
1,5(𝑇𝑟+90)1,25
• 𝐼=
(𝑇𝑐+18)1.19

Áreas C Área (Km2)

1 O,30 0.284
2 0,175 0,389
3 0,60 0,171
 Ejercicio N° 3
• Calcular el caudal máximo y el área hidráulica del box culvert ; para un período de
retorno de 10 años, en la cuenca del arroyo Venado, en el sitio justamente antes
de cruzar la carretera Ciénaga de Oro La Yé . El arroyo tiene una longitud de 1250
m y la diferencia de elevación entre el punto más remoto y el cruce de la carretera
es de 50 m.
• Utilice la siguiente ecuación de la estación climatológica El salado localizada en el
11(𝑇𝑟+100)1,2
municipio de Ciénaga de Oro para calcular la intensidad máxima: 𝐼 =
(𝑇𝑐+20)1.1

• El área de drenaje es de 60 Ha., distribuidas en la siguiente forma:

Cobertura vegetal Área (Ha.) Pendiente % Textura del suelo
Bosque 25 5 - 10 Arcillo pesado
Pastizales 15 5 -10 Arcillo limoso
Cultivos 20 0-5 Limo arenoso
 DRENAJE VIAL
• Cunetas:
• Para el cálculo del caudal que
debe ser evacuado por las
cunetas, se utiliza la siguiente
fórmula:
0.00028𝐶𝐼𝐴
• 𝑄= (L.p.s)
2
• En donde:
• C = Coeficiente de
escurrimiento para pavimento
• I= Intensidad de la lluvia
• A =Área de la calzada (BxL)
• B = Ancho de la calzada (m)
• L = Longitud de la calzada
aportadora (m).