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SUBDIRECCION DE HIDROLOGIA

DOCUMENTO INTEGRADO

SISTEMA DE INFORMACION COMPONENTE HIDROLOGICO

REDES, MEDICIONES, OBSERVACIONES Y PROCESOS BASICOS

Autores: Martha García, Claudia Yaneth Contreras T., Felix Darío Sánchez L., Rodrigo Marín R., Héctor Guzmán A., José Hernando Wilches S., Guillermo Olaya T., Hugo de Jesús Cañas C., Omar Nelson Vargas M., Efraín Antonio Domínguez C., Guillermo Enrique Rodríguez B. Y Raúl Niño R. Colaboradores: Martha Patricia León P., Eduardo Zamudio H., Carlos Eduardo Martínez D., Oscar Guillermo Martínez S. y Martha Elena Duque S. Apoyo Técnico y Logístico: Raquel Piñeros M., Argemira Lozano J., Mauricio Bermúdez R. Y Darío Ibáñez Q.

Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM, 1999

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM

CONTENIDO INTRODUCCION............................................................................................................ 2 1. MODELO CONCEPTUAL, VARIABLES E INDICADORES BASICOS...................... 4

1.1 OBJETIVOS DEL COMPONENTE HIDROLOGICO DEL SISTEMA 4 1.2. EL MARCO CONCEPTUAL..................................................................5 1.3 VARIABLES Y PARAMETROS BASICOS...........................................7 1.4 INDICADORES BASICOS DEL ESTADO, DINAMICA Y SOSTENIBILIDAD DEL RECURSO HIDRICO..........................................9

1.4.1 INDICE DE ARIDEZ (Balance Hídrico)..........................................10 1.4.2 INDICES DE ESTADO Y ALTERACIÓN DE LA ESCORRENTÍA....................................................................................................................11 1.4.3 INDICE DE DISPONIBILIDAD EFECTIVA DEL RECURSO HÍDRICO....................................................................................................11 1.4.4 INDICE DE ALMACENAMIENTO Y VARIACIÓN DEL VOLUMEN EN LOS CUERPOS DE AGUA ...........................................11 1.4.5 INDICE DE AFECTACIÓN POR CALIDAD SOBRE EL RECURSO HÍDRICO SUPERFICIAL......................................................12 1.4.6 INDICE DE ESTADO Y ALTERACIÓN DE LA PRODUCCIÓN Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS......................................................13 1.4.7 INDICES SOBRE EL ESTADO Y VARIACIÓN DE LOS ALMACENAMIENTOS DE AGUA SUBTERRÁNEA ..........................14 1.4.8 INDICE DE VARIACIÓN DE RESERVAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS..............................................................................................15 1.4.9 INDICADORES DE SOSTENIBILIDAD DEL RECURSO HÍDRICO (ENA)........................................................................................16

Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


CAPITULO 7 CAPITULO 7.................................................................................................................................................... 1 7. ESTUDIO NACIONAL DEL AGUA - BALANCE HIDRICO, RELACIONES OFERTA - DEMANDA E INDICADORES DE SOSTENIBILIDAD (CONTENIDO Y METODOLOGIA) ........... 2

7.1 JUSTIFICACION..................................................................................................................................... 3 7. 2 ALCANCES............................................................................................................................................ 4 7. 3 OBJETIVO GENERAL .......................................................................................................................... 5 7. 4 METODOLOGIA.................................................................................................................................... 5 7. 5 BALANCE HIDRICO............................................................................................................................. 5

7. 5.1 PRINCIPALES COMPONENTES DE LA ECUACIÓN DEL BALANCE HIDRICO .................. 6 7. 5.1.1 PRECIPITACION MEDIA ( P ) ............................................................................................... 6 7. 5.1.2 ESCORRENTIA TOTAL ( ESC )............................................................................................. 7

1. 7.5.1.2.1 Metodología de la aplicación....................................................................................... 7 7.5.1.3 EVAPOTRANSPIRACION REAL ( ETR ).............................................................................. 8 7. 5.1.4 INFILTRACION (INF) ........................................................................................................... 10 7. 5.1.5 COBERTURA FORESTAL (CF) ........................................................................................... 10 7. 5.1.6 ALMACENAMIENTO (∆S)................................................................................................... 10 7. 5.1.7 TÉRMINO RESIDUAL DE DISCREPANCIA ..................................................................... 11

7. 6 EVAPOTRANSPIRACION POTENCIAL (ETP) ................................................................................ 11 7. 7 OFERTA HIDRICA.............................................................................................................................. 11

7. 7.1 ELEMENTOS CONCEPTUALES DE LA OFERTA HÍDRICA................................................. 12 7. 7.2 CUANTIFICACIÓN DE LA OFERTA HÍDRICA....................................................................... 12 7. 7.3 AÑOS SECO Y HÚMEDO........................................................................................................... 12

7. 8 VOLUMENES ...................................................................................................................................... 13 7. 9 DEMANDA HIDRICA ......................................................................................................................... 13

7. 9.1 CONCEPTUALIZACION DE LA DEMANDA HIDRICA......................................................... 14 7. 9.2 DEMANDA HIDRICA Y USOS DEL AGUA............................................................................. 15

7. 9.2.1 DEMANDA DE LA POBLACIÓN ........................................................................................ 15 7. 9.2.2 DEMANDA INDUSTRIAL URBANA .................................................................................. 15 7. 9.2.3 DEMANDA INDUSTRIAL (GRANDES CONSUMIDORES) ............................................. 15 7. 9.2.4 DEMANDA DE LOS SECTORES COMERCIAL................................................................. 15 7. 9.2.5 DEMANDA PECUARIA....................................................................................................... 16 7. 9.2.6 DEMANDA DE GRANDES DISTRITOS DE RIEGO.......................................................... 16 7. 9.2.7 DEMANDA DE PEQUEÑOS DISTRITOS DE RIEGO........................................................ 16 7. 9.2.8 DEMANDA HIDROELÉCTRICA ........................................................................................ 16 7. 9.2.9 DEMANDA TERMOELÉCTRICA........................................................................................ 16

7. 10 LIMITACIONES POR CALIDAD DEL AGUA................................................................................ 16 7. 11 INDICADORES.................................................................................................................................. 18

7. 11.1 MARCO CONCEPTUAL ............................................................................................................ 18 7.11.2. PRINCIPALES INDICADORES QUE CARACTERIZAN EL RECURSO HIDRICO ............. 18

7.11.2.1 INDICADORES POR SU REGIMEN NATURAL ............................................................... 19 7.11.2.1.1 Índice de regulación hídrica............................................................................................. 19 7.11.2.1.2 Índice de aridez................................................................................................................ 20

7.11.2.2. INDICADORES POR LA ACTIVIDAD HUMANA ........................................................... 20 7.11.2.2.1 Índice de escasez ............................................................................................................. 20 7.11.2.2.2. Índice de presión............................................................................................................. 21 7.11.2.2.3 Índice de vulnerabilidad .................................................................................................. 21

7.11.2.3. INDICADORES DE REDUCCION AL RECURSO HIDRICO.......................................... 22 7.11.2.3.1 Caudal ecológico ............................................................................................................. 22 7.11.2.3.2 Calidad del agua .............................................................................................................. 22

7.12 PRODUCTOS ...................................................................................................................................... 22 7.13 CONCLUSIONES................................................................................................................................ 24

BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................................ 32


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7. ESTUDIO NACIONAL DEL AGUA - BALANCE HIDRICO, RELACIONES OFERTA - DEMANDA E INDICADORES DE SOSTENIBILIDAD (CONTENIDO Y METODOLOGIA) Para efectuar la preservación en cantidad y calidad del agua es necesario conocer cuanta agua hay, como se usa y en que estado se encuentra. Esta información permite establecer las prioridades del país en materia de preservación y control de la calidad. Además, de ella derivan políticas de administración, necesidades de infraestructura de tratamiento y de importación de agua de una cuenca a otra cuando en la zona no hay suficiente o es de mala calidad. El Balance Hídrico de oferta y demanda constituye la principal herramienta para evaluar si el recurso hídrico de una área hidrográfica, región o municipio es suficiente o deficitario. Si a la disponibilidad del agua se le agrega el ingrediente de calidad se encuentra entonces el soporte para la planificación, el desarrollo y el uso eficiente y racional de todos los recursos naturales que rodean al hombre como principal unidad dentro de una comunidad que hace parte del conglomerado general. Cuantificar la oferta hídrica del país, de una región o cuenca hidrográfica es sencillo, solamente se necesita medir la lluvia y las fuentes que abastecen dichas áreas delimitadas y mediante observaciones diarias en sitios de observación, que pueden ser estaciones hidrológicas y meteorológicas, y así obtener la variación sistemática de los principales parámetros considerados, en el tiempo. Conocida la disponibilidad del agua y su calidad, especialmente y en orden prioritario para consumo doméstico, agrícola, industrial, hidroenergía y aún algunas actividades recreacionales entre otros, se verifica si esta es suficiente en el tiempo y en el espacio o por el contrario no se puede garantizar en cantidad suficiente este importante recurso para la comunidad. Lo cual traería como consecuencia almacenarla en épocas de invierno para suplir las necesidades en los períodos de sequía. El suministro de agua a una comunidad para los diferentes usos que ésta persigue, no indica que esta vaya a desaparecer en su totalidad, sino que una vez utilizada esta agua regresa nuevamente a la misma fuente o a otra, seguramente no en la misma cantidad pero si más contaminada por los desechos biológicos, lo cual implica que debe oxigenarse y tratarse para que continúe el ciclo. El complemento de la demanda es entonces la oferta, lo que en su conjunto se necesita para que una comunidad se desarrolle y se proyecte hacia el futuro. Es importante este aspecto puesto que han existido muchas civilizaciones que no se proyectaron hacia el futuro, y observar si la demanda del agua iba superando la disponibilidad tanto en cantidad como en calidad, hasta llegar a agotar este importante recurso y verlo desaparecer completamente. Esta es una realidad que ya se observa en muchos de los municipios colombianos, donde las fuentes abastecedoras se encuentran, al parecer, por debajo de la demanda exigida por la densidad cada vez mas grande de la población y la tala incontenible de los bosques sobre todo de las cabeceras de las cuencas hidrográficas.


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7.1 JUSTIFICACION a. Últimamente se han logrado avances significativos en cuanto al conocimiento, manejo y arraigo institucional alrededor del recurso agua; pero es bien importante y necesario reconocer, que sobre el recurso son muchos los interrogantes que es oportuno dilucidar:

- Dispersión de la información en diferentes instituciones tanto del orden nacional como regional, sobre todo en relación con la demanda.

- En relación con el conocimiento de las aguas superficiales el IDEAM posee una red de

estaciones en todo el país que le permite generar una información a partir de cuencas del primero al quinto orden*. En algunas estaciones se generan datos sobre los niveles de los ríos; en otras se determinan niveles y caudales y otras estaciones que se consideran como de referencia reportan datos sobre niveles, caudales, transporte de sedimentos y análisis de calidad de agua.

- Se presentan deficiencias de información en las partes altas de la mayoría de las

cuencas, especialmente en alturas superiores a 3500 msnm., por carencia de estaciones de medición.

- En la actualidad el Instituto trabaja en torno a generar información hidrológica con una

resolución mas alta, utilizando para tal efecto la clasificación Hidrográfica (Gravellius); la cual puede involucrar hasta clasificaciones superiores de sexto grado.

- La red para la medición de la calidad del agua, aunque no es muy densa, sirve de

referencia para conocer la calidad natural de los ríos del país.

- En relación con la información sobre demanda para la agricultura, las entidades adscritas al Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural generan la información que puede ser utilizada en la jerarquización de las cuencas de acuerdo con la importancia de ellas para el desarrollo de actividades agropecuarias.

- De otra parte, el Ministerio de Desarrollo Económico tiene información sobre el estado

de los servicios de acueducto y alcantarillado en las cabeceras municipales e información sobre la demanda de agua en el sector de agua potable.

- El sector energético también tiene una base importante de datos hidrometeorológicos, especialmente en donde están construidos los embalses, igualmente en aquellas zonas donde se proyectan nuevos desarrollos.

- También existen bases de datos sobre usos y consumos de agua en ciertas

Corporaciones Autónomas Regionales; pero se puede observar que este tipo de información es muy dispersa.


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La finalidad, entonces, del estudio es establecer el estado de la información, el uso que se le ha dado y el conocimiento que sobre estos aspectos existen a nivel regional y municipal. b. Una preocupación de las entidades del orden nacional, regional y local es impulsar el intercambio de las metodologías, la transferencia de tecnología y formación del recurso humano, requeridas para el desarrollo de balances hídricos que sirvan como soporte para la toma de decisiones. De aquí la necesidad de establecer metodologías para estimar la cantidad de agua disponible en el municipio, especialmente en las cabeceras municipales, así como su demanda, que permita definir políticas de desarrollo, predecir situaciones de racionamiento y orientar a las autoridades sobre las medidas que se deben implantar para proteger sus fuentes de abastecimiento y garantizar una oferta de agua que permita el desarrollo en todas las regiones del país.

7. 2 ALCANCES

a. Alimentar la base de datos central y desarrollar las aplicaciones que permitan los análisis y la generación de productos.

b. Estimar, cuantificar y determinar la variación espacial y temporal de la oferta hídrica en las

diferentes regiones a nivel anual para un año promedio, seco y húmedo y las distribuciones mensuales correspondientes, con base en las series históricas de la red hidrológica.

c. Obtener mapas temáticos con variables de Escorrentía, rendimientos, Evapotranspiración

real e índice de aridez, con las cuales se caracteriza el recurso hídrico a nivel de áreas hidrográficas, cuencas, departamentos, municipios, etc.

d. Identificar las zonas de conflicto por el uso de los recursos hídricos.

e. Caracterizar las distintas zonas en cuanto a calidad del recurso hídrico, a partir de la

evaluación de las actividades socioeconómicas regionales. f. Evaluar la calidad del agua por diferentes vertimientos ( industrial y doméstico) como factores

de reducción diferencial para la obtención de la oferta neta. g. Identificar y determinar los indicadores que permitan simplificar, cuantificar, analizar y

comunicar la información de los recursos hídricos; con el propósito de reducir el nivel de incertidumbre en la elaboración de estrategias y acciones referentes al desarrollo y al medio ambiente.

h. Mediante la determinación de las categorías de la regulación hídrica natural del complejo

suelo- vegetación y el índice de escasez, estimar la vulnerabilidad por disponibilidad de agua para las diferentes regiones del país.


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i. Establecer metodologías para desarrollar balances hídricos a nivel nacional, regional y local que permitan Interrelacionar los efectos de la demanda de agua de los sectores agropecuario, doméstico, energético e industrial del país.

j. Mediante el seguimiento de las demandas del agua a través de los años, para los diferentes

usos, estimar la proyección de la presión que esta ejerce sobre la oferta para un año determinado en el futuro.

7. 3 OBJETIVO GENERAL Determinar, en forma integral, el grado de conocimiento, estado de la información y nivel de manejo alrededor del recurso hídrico, así como realizar una aproximación a modelos dinámicos para establecer balances hídricos a nivel regional y nacional caracterizando la oferta, la disponibilidad, el consumo, la demanda y determinar las limitaciones por calidad del recurso hídrico de las diferentes regiones de Colombia, que permita una planificación o manejo de los recursos hídricos y una adecuada toma de decisiones en el corto, mediano y largo plazo.

7. 4 METODOLOGIA Interrelacionar las diferentes variables representadas en la ecuación del Balance Hídrico que permitan caracterizar los ambientes de las regiones, buscando estimar, cuantificar y relacionar la oferta hídrica en todas las unidades de análisis para el estudio nacional del agua, la relación Demanda - Oferta e identificar la Vulnerabilidad por disponibilidad de agua en las diferentes áreas administrativas del país, de acuerdo con la metodología propuesta por UNESCO1. La técnica para la elaboración automática de los mapas temáticos relacionados con la construcción de isolíneas de rendimientos y escorrentía para la caracterización hidrológica del país o de una región en particular se ha diseñado mediante la utilización de software especializado que puede ser utilizado igualmente con otros parámetros que intervienen directamente en el cálculo de balance hídrico y un aplicativo que con base en el sistema modelado sirve de interfase con la base de datos central. Para elaborar el estudio de una manera lógica y que los resultados sean coherentes dentro del régimen hidroclimático del país, están definidas 8 áreas hidrográficas homogéneas a gran escala las cuales se deben trabajar independientemente para luego integrarlas y conformar los mapas temáticos del balance hídrico nacional. Estas son definidas así: Cuenca Caribe, Catatumbo, Pacífico, Alto Magdalena, Medio Magdalena, Cauca, Orinoquía y Amazonia, véase las figuras 7.1, 7.2 y 7.3.

7. 5 BALANCE HIDRICO


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1 UNESCO. Guía metodológica para la elaboración del Balance Hídrico de América del Sur. Santiago de Chile, 1980.


El conocimiento de las diferentes fases del ciclo hidrológico, representadas en la ecuación del balance hídrico, permite evaluar cuantitativamente los recursos del agua y sus modificaciones por influencia de las actividades del hombre. De esta manera permite conseguir un uso mas racional de los recursos del agua, así como para mejorar el control y redistribución de las mismas en diferentes períodos de tiempo y en espacios de interés nacional. Por tanto, el balance hídrico para cualquier masa de agua y cualquier intervalo de tiempo, en su forma mas generalizada, vendrá representada por la siguiente ecuación:

P - Esc (total) - ETR ± ∆S ± ∆er = 0 P :Precipitación (mm) Esc :Escorrentía total(mm) (flujo superficial + flujo subterráneo) ETR :Evapotranspiración real(mm) (evaporación + transpiración) ∆S :Almacenamiento ∆er :Término residual de discrepancia La ecuación del balance hídrico, para una zona Hidrográfica, cuenca natural o cualquier masa de agua, indica los valores relativos de entrada y salida de flujo y la variación del volumen de agua almacenada en la zona o masa de agua. Las entradas en la ecuación del balance hídrico comprende la precipitación (P), en forma de lluvia o eventualmente, en algunas regiones en forma de nieve, realmente recibida en la superficie del suelo y las aguas superficiales (ESC sup) y las subterráneas (ESC sub) indicadas inicialmente y representadas en porcentaje de infiltración proveniente de las aguas lluvias. Las salidas en la ecuación incluyen la Evapotranspiración real (ETR), la cual se refiere a la evaporación desde la superficie de la masa de agua (Ev) y la transpiración de las plantas (Tr) y la salida de corrientes de agua superficial y subterránea desde la cuenca o masa de agua considerada. Cuando las entradas superan a las salidas el volumen de agua almacenada (∆S) aumenta y cuando ocurre lo contrario disminuye.

7. 5.1 PRINCIPALES COMPONENTES DE LA ECUACIÓN DEL BALANCE HIDRICO

7. 5.1.1 PRECIPITACION MEDIA ( P ) La precipitación es obtenida a partir de las observaciones o mediciones de la red pluviométrica y pluviográfica distribuida en todo el territorio nacional y es la única fuente de humedad que tiene el suelo y por eso es importante que su medida y cálculo se haga con precisión, pues de ello depende la exactitud de los resultados del balance. Los datos de la precipitación, una vez verificados y homogeneizados se representan en planos mediante la construcción de isolíneas de precipitación denominados generalmente como mapas de Isoyetas. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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La información de precipitación es extractada en su totalidad del banco de datos del instituto. Las estaciones son seleccionadas de tal forma que sus series de datos sean suficientemente extensas, aunque en algunos casos se deben emplear series mas cortas especialmente para utilizarlas como puntos de apoyo en áreas donde la densidad de la red es escasa. En vista de la alta densidad de la red considerada especialmente en la zona Andina, se emplean métodos automatizados para el trazado de los mapas de isoyetas, Aunque para el ajuste de la precipitación por altura se utilizan criterios puramente físicos.

7. 5.1.2 ESCORRENTIA TOTAL ( ESC ) La escorrentía total está representada por los flujos superficial y subterráneo, estos son medidos en las estaciones hidrológicas que conforman la red hidrológica nacional y que por tal circunstancia es conjuntamente con la precipitación los parámetros medidos con mayor precisión. Para el estudio se cuenta con una red básica de estaciones hidrométricas de referencia y de otras construidas para fines específicos. Actualmente se cuenta con 941 sitios de observación hidrológica, entre estaciones de niveles de registro continuo (limnigráficas) y estaciones de niveles de observación directa (limnimétricas), véase la figura 7.4. Para la obtención del flujo superficial total en una cuenca o región administrativa se hace a través de isolíneas de escorrentía que se construyen con la lámina de agua, en mm, originada en los caudales de las estaciones hidrométricas y de sus áreas aferentes.

1. 7.5.1.2.1 Metodología de la aplicación

• Se consulta en el banco de datos la información de las series históricas de caudales de las estaciones hidrométricas seleccionadas; las cuales se homogeneizarán a un período que sea representativo de acuerdo con la extensión de ellas.

• Una vez obtenidas las series de las estaciones representativas, se procede a verificar las

áreas de influencia de cada una de ellas, para determinar el posicionamiento de los centroides correspondientes mediante la aplicación de cualquier software especializado. El centroide es, en términos generales, como el centro de gravedad de la cuenca, por cuanto es el punto representativo del valor medio de todos los puntos de la superficie de ella. El centro de gravedad de la cuenca se ha definido, entonces, como el lugar donde el valor del caudal medio corresponde al de una estación ubicada en la salida de cuenca.

• En algunas áreas, como los llanos orientales, la selva amazónica, algunas regiones del

Caribe, donde no se cuenta con estaciones hidrológicas suficientes, se identifican puntos bien distribuidos en el área donde es necesario generar caudales mediante métodos estadísticos, de interpolación, modelos de lluvia caudal y estudios regionales como los balance hídricos de las cuencas fronterizas con lo países vecinos. Esto con el fin de contar con información suficiente para la construcción y tendencia de las Isolíneas.


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• Se elabora una base de datos con la siguiente información: Código de la estación,

coordenadas planas de los centroides de las cuencas aferentes a las estaciones hidrométricas, los caudales medios y el valor de las áreas

• Con la información de caudales históricos y generados, y la georreferenciación de los

centroides se apoya en un sistema gráfico modelador de superficies para la construcción de las Isolíneas de escorrentía y rendimientos a nivel promedio anual.

• El siguiente paso es verificar la consistencia de las isolíneas de escorrentía media anual con las de precipitación, teniendo en cuenta que la escorrentía debe ser menor que la precipitación y que el orden de magnitud de la Evapotranspiración Real depende de la diferencia de las dos variables.

• Ajustada la escorrentía media anual, se prepara la información promedia mensual de

caudales para la obtención de los mapas de isolíneas mensuales de Escorrentía, procedimiento que debe ser utilizado de la misma forma con la precipitación.

• Corrida del modelo

7.5.1.3 EVAPOTRANSPIRACION REAL ( ETR ) En Colombia se cuenta con una red de estaciones meteorológicas densa en la zona Andina, mientras que en las vertientes del Orinoco, Amazonas y Pacífico la red es deficiente y con poca información histórica, lo cual dificulta contar con los datos requeridos para calibrar las fórmulas apropiadas en el país. La ETR no se comporta de la misma forma que la ETP, debido a las condiciones climáticas extremas que existen en algunas regiones, como la Guajira y la Costa Pacífica, determinan diferencias importantes para establecer el balance hídrico de ellas. La Evapotranspiración real es obtenida directamente mediante fórmulas empíricas deducidas con parámetros meteorológicos, especialmente en función de la precipitación, la temperatura y la radiación solar, sin embargo, estas no se recomiendan aplicarlas a las condiciones de las zonas del trópico húmedo, caso de Colombia. Indirectamente la ETR se estima por el método propuesto y recomendado por la UNESCO1, a partir de la precipitación y la escorrentía como se observa en la ecuación simplificada del balance hídrico.

P = ESC total + ETR

Donde:


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1 UNESCO. Métodos de cálculo del balance hídrico. Guía internacional de investigación y métodos. España, 1981.


P = Precipitación total en mm ESC = Escorrentía media en mm ETR = Evapotranspiración Real en mm La decisión de determinar la ETR en función de la precipitación y en especial de la escorrentía se debe a que estos parámetros son los que se miden directamente y con mayor precisión. Otro método más artesanal, es superponer el mapa de isolíneas de escorrentía sobre el mapa de isoyetas. En los diferentes puntos de intercepción entre Isolíneas, se hace la diferencia entre los valores que representan las mismas. A estos puntos de cruce se les determina las coordenadas planas, quedando así georreferenciados los puntos de corte, para la construcción de las isolíneas de ETR, utilizando la misma metodología para el trazado de las isoyetas. Como una ayuda para verificar o estimar la ETR en regiones con deficiencias de información se utiliza la fórmula de Turc como una aproximación que para su cálculo utiliza la precipitación y un parámetro heliotérmico en función de la temperatura del sitio, cuya expresión es la siguiente: ETR = P/ ((o.9 + P /L ) ½ ) Donde: ETR = Evapotranspiración real anual en mm. P = Precipitación anual en mm. L = Parámetro heliotérmico expresado como: L = 300 + 25°C + 0.05°C C = Temperatura media anual en °C Para obtener los valores de precipitación y temperatura de una forma densa en todo el territorio nacional, se superpone sobre el mapa de isoyetas el correspondiente de isotermas y los cruces de estas dos isolíneas serán los datos para obtener la ETR en ese punto. Identificados, así, todos los cruces se elaborará las isolíneas de ETR mediante la ecuación de TURC. Esta fórmula presenta diferencias hasta del 15% en relación con el valor resultante de la diferencia entre la precipitación media y la escorrentía media (ETR = P - ESC total), parámetros estos considerados de buena confiabilidad. Sin embargo, se considera que este porcentaje es un buen resultado, dado que la fórmula, por construcción, puede presentar errores en regiones de alta precipitación. Además, se aplica para observar la tendencia de esta variable, teniendo en cuenta que este tipo de fórmulas no se han calibrado para condiciones climáticas especiales de las zonas tropicales como Colombia. Por lo tanto, se considera que para la determinación de la ETR, la precipitación y la escorrentía son parámetros que han sido históricamente bien observados, razón por la cual se puede garantizar la aplicación de la fórmula de balance:


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ETR = P - ESC total donde: ETR = Evapotranspiración real anual (mm). P = Precipitación media anual (mm) ESC = Escorrentía total (mm) Con la anterior fórmula de balance se estima la evapotranspiración real anual media de las cuencas que se consideren representativas de cada región.

7. 5.1.4 INFILTRACION (INF) Para estimar el porcentaje de agua lluvia que se infiltra, es necesario hacer una evaluación del almacenamiento de humedad en el suelo y sus variaciones en la zona no saturada por medio de mediciones hasta la profundidad efectiva o radicular. Dado que los puntos de medición en todo el territorio nacional son pocos y no representativos de grandes áreas que pueda homologarse a una regionalización a gran escala, se debe obtener la información de retención de humedad del suelo a través de relaciones directas, partiendo del conocimiento de los parámetros físicos del mismo, tales como la profundidad del perfil del suelo, la apreciación textural por horizontes, la estructura, la pendiente topográfica y el estado de la cobertura vegetal y forestal. Los valores de la retención de humedad obtenidos por relación con otros parámetros del suelo, se extrapolan a las áreas que no cuentan con dicha información y mediante el análisis espacial se obtienen los mapas respectivos.

7. 5.1.5 COBERTURA FORESTAL (CF) La importancia de considerar la vegetación es que esta interviene en gran porcentaje como un factor en el ciclo hidrológico, fisiológicamente como medio de reserva temporal de agua a través del metabolismo, como soporte vital de la planta, puesto que el agua constituye parte de su estructura y también puesto que la vegetación compite con el suelo por el agua. En la ecuación del balance hídrico este elemento interviene activamente dentro del proceso de retención de humedad, que debe ser tenido en cuenta en el análisis del balance en una determinada región natural.

7. 5.1.6 ALMACENAMIENTO (∆S) El almacenamiento se tiene en cuenta para aquellos casos donde los depósitos sean significativos por su volumen y los periodos considerados no sean muy largos. Al incluir los valores de almacenamiento en la ecuación es necesario tener en cuenta si existen estaciones hidrológicas de control aguas arriba y aguas abajo del área en consideración, con el objeto de que los volúmenes acumulados o evacuados de los depósitos de agua existentes entre los


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dos puntos de observación hidrológica sean tenidos en cuenta o no en la ecuación. En el primer caso, cuando hay acumulación, se debe considerar por cuanto la estación aguas abajo no lo registra y en segundo caso, cuando hay evacuación de volúmenes importantes de agua, estos son registrados en la estación hidrológica de aguas abajo. Cuando se trata de pequeños depósitos de agua originados por lluvia y con una retención muy temporal, ésta se pierde generalmente muy rápido debido a la infiltración dentro del suelo y a la evaporación de la lámina superficial. En estos casos estos valores se encuentran incluídos dentro de otros parámetros de la ecuación del balance hídrico.

7. 5.1.7 TÉRMINO RESIDUAL DE DISCREPANCIA Cabe anotar que la definición exacta de los componentes del balance hídrico implica la introducción de un término residual de discrepancia "∆er" encargado de recoger los errores sistemáticos y la influencia de factores desconocidos que puedan afectar significativamente este balance. El término ∆er es el criterio con el cual se avala la convergencia del balance hídrico.

7. 6 EVAPOTRANSPIRACION POTENCIAL (ETP) Para llevar a cabo el estudio se debe utilizar la información de las estaciones climatológicas, que tienen series históricas suficientemente extensas y confiables, distribuídas en forma aceptable, particularmente en las regiones del Caribe y Andina y de menor cubrimiento en la Costa Pacífica y en la región Oriental (Orinoquia y Amazonia), donde las condiciones de desarrollo de las mismas no han permitido la implantación de un número suficiente de estaciones meteorológicas y donde apesar de lo dicho, las pocas existentes, permiten una estimación confiable, tanto del clima como de la Evapotranspiración Potencial. El programa para el cálculo de la ETP, con base en la fórmula de Penman, se desarrolla utilizando como datos de entrada los parámetros climatológicos a saber: Temperatura, Tensión de Vapor, Brillo Solar y Velocidad del Viento a dos metros, todo a nivel de promedios mensuales multianuales. Los demás parámetros empleados en la fórmula son interpolados o calculados directamente por el software.

7. 7 OFERTA HIDRICA La oferta hídrica se basa fundamentalmente en la ecuación del Balance Hídrico, que es la aplicación del principio de conservación de masas, también conocido como ecuación de continuidad. Este establece que, para cualquier volumen arbitrario y durante un determinado tiempo, la diferencia entre las entradas y las salidas está condicionada por la variación del volumen de agua almacenado.


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7. 7.1 ELEMENTOS CONCEPTUALES DE LA OFERTA HÍDRICA La base conceptual que permite la estimación, cuantificación y representación de la oferta hídrica en las diferentes unidades de análisis, son los procesos naturales que integran las diferentes fases del ciclo hidrológico que se reflejan en la ecuación del balance hídrico. Las variables que sobresalen en la aplicación de la fórmula del balance son la precipitación y los caudales (Escorrentía superficial y subterránea), los cuales se caracterizan por ser obtenidas de mediciones directas lo que garantiza la bondad de los resultados. Los otros parámetros son obtenidos en función de otros variables meteorológicas y físicas como es el caso de la Evapotranspiración Real (ETR) como unión de la evaporación superficial del suelo, la evaporación de del agua lluvia retenida por las plantas (intersección) y la evaporación del agua a través de las plantas (transpiración), dentro de las cuales se trata la capacidad de regulación hídrica del conjunto suelo-cobertura vegetal.

7. 7.2 CUANTIFICACIÓN DE LA OFERTA HÍDRICA Una vez se obtengan los mapas temáticos relacionados con el balance hídrico (isoyetas, escorrentía y Evapotranspiración real) se toma el correspondiente al de isolíneas de Escorrentía con el cual, y una vez superpuesta sobre la cobertura de las áreas hidrográficas, cuencas, municipios o cuencas de cabeceras municipales, se cuantifican los volúmenes entre isolíneas para cada caso en particular. Para contar con un estimativo mas real sobre las diferentes situaciones que se pueden presentar, por las condiciones hidroclimáticas existentes en el territorio nacional, se ha definido particularizar esta posición determinando la oferta a nivel medio anual año medio, para el año seco y húmedo anual* y para sus meses típicos; lo que con lleva a mostrar las condiciones en los eventos extremos. De esta evaluación metodológica, las cabeceras municipales pueden variar su forma de cuantificación, por ser pequeñas las áreas aferentes a las bocatomas. Para este caso se pude utilizar un modelo "lluvia - caudal" para el cálculo de la disponibilidad de agua.

7. 7.3 AÑOS SECO Y HÚMEDO Ya se ha comentado que la oferta para un año medio se deduce de los promedios de las series históricas originadas en las estaciones de la red hidrológica. Para los años seco y húmedo, se elaboran con la siguiente metodología:

* Año medio: Es el correspondiente al valor de la media histórica de las series hidrológicas de las estaciones ubicadas dentro de un área hidrográfica específica. * Año seco: Es el año representado por valores del mes promedio mas bajo de las series de caudales medios de una región hidrológica específica.


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* Año húmedo: Es el valor representado por los valores del mes promedio mas alto de las series de caudales medios de una región hidrológica específica.


• Se debe tener en cuenta que el régimen hidroclimático de Colombia es heterogéneo, por tal

circunstancia, en ningún momento se presentará una condición seca ó húmeda generalizada en todo el país. Por esta razón se deben analizar e identificar los períodos secos y húmedos de cada una de las regiones que tienen regímenes climáticos particulares. Una vez identificados los meses seco y húmedo del año para cada una de las regiones, los caudales correspondientes a esos meses serán los que caractericen la situación seca ó húmeda del año. Igual procedimiento se realiza para las demás regiones, integrándolas, luego, para generar o constituir los mapas de los años típicos secos y húmedo para Colombia.

• Los meses típicos seco y húmedos del año, se identifican, de acuerdo con los valores de

caudales mínimos y máximos correspondientes a las series de los caudales medios mensuales, originados en las estaciones hidrológicas.

• Para la construcción de los mapas típicos con las Isolíneas de Escorrentía correspondientes

a los años seco y húmedo del año, se procede con la misma metodología del año medio.

7. 8 VOLUMENES Para evaluar la oferta de cada uno de los sistemas hidrográficos, se parte de las isolíneas de escorrentía del año medio, húmedo y seco. Los volúmenes son, entonces, obtenidos entre curvas para cada área en particular ya sea cuenca, subcuenca, municipio, departamentos, corporaciones, etc. Este procedimiento, mediante un software especializado determina los volúmenes de agua que produce o genera el área específica, a los cuales se les adiciona los producidos arriba de esos sistemas incluyendo los almacenamientos naturales y antrópicas.

7. 9 DEMANDA HIDRICA Los seres humanos utilizan intensivamente el recurso hídrico tanto para sus necesidades biológicas y culturales básicas como para las diferentes actividades económicas. Cada uno los diferentes usos tiene unos requerimientos de calidad o características físico químicas y biológicas particulares, por lo cual el análisis de oferta y demanda no puede realizarse exclusivamente en términos cuantitativos de rendimientos o caudales. Aunque el mayor uso de agua tiene lugar en las actividades agropecuarias los aspectos más críticos de disponibilidad tienen relación con sus usos para el abastecimiento de agua potable para la población, para los procesos industriales y para la generación de energía eléctrica. Para los análisis de oferta y demanda del sector agropecuario debe tenerse en cuenta que buena parte de la producción es realizada en condiciones de secano lo cual quiere decir que aprovecha directamente el recurso hídrico procedente de la precipitación y por tanto su demanda o utilización de agua queda incluida en el balance hídrico en el rubro de evapotranspiración. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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En el caso colombiano sólo una fracción relativamente pequeña de las necesidades hídricas de la agricultura es atendida por distritos de riego que toman el recurso directamente de cursos o cuerpos de agua. Los grandes distritos, pese a que en Colombia constituyen un numero y una cobertura relativamente pequeña, se concentran en cultivos agro-industriales de alta significación para la economía nacional. El agua utilizada para usos domiciliarios e industriales y que constituye una proporción mínima respecto a la empleada por los distritos de riego y consumos pecuarios, a diferencia de estos últimos, retorna los volúmenes usados al sistema hídrico, pero con características de calidad sensiblemente inferiores afectando la disponibilidad del recurso aguas abajo.

7. 9.1 CONCEPTUALIZACION DE LA DEMANDA HIDRICA Por su parte, aunque algunas industrias intensivas en el uso de agua toman el recurso de agua subterránea y fuentes diferentes a los acueductos urbanos, una parte importante de las industrias utiliza agua potable y tratada suministrada por las empresas de acueducto municipal. Para el efecto de un análisis conceptual y operativo de los diferentes usos y demandas del recurso hídrico conviene hacer las siguientes distinciones y precisiones:

a. La mayor parte de las necesidades hídricas del sector agrícola, particularmente la que corresponde a los denominados cultivos de secano, se satisface básicamente con el producto de las precipitaciones y por tanto es descontada dentro del balance hídrico en el concepto de evapotranspiración, el cual cubre tanto a la vegetación nativa y los bosques como a los agro-ecosistemas. Esta demanda agrícola de secano, o directa de precipitación que podría también denominarse "natural o no extractiva" pese a constituir uno de los usos más importantes, significativos y voluminoso del agua, debe separarse claramente del resto de la demanda. Este uso o demanda de agua, en sentido estricto no compite con el resto de usos y demandas. Los análisis de la disponibilidad y uso del agua para agricultura de secano, corresponden a proyectos que adelanta el IDEAM en su área de agrometeorología, y no se incluyen en el presente documento.

b. El resto de la demanda que podría denominarse demanda extractiva está constituida por los

usos que implican sustracción, alteración, desviación o retención temporal del recurso hídrico. Esta demanda incluye por tanto, la correspondiente a todos los usos humanos y por ende económicos. El presente documento da cuenta de todos los usos humanos, domiciliarios y económicos, contabilizados a nivel municipal.

c. Los distintos usos y demandas extractivas del recurso hídrico, implican tasas de retorno

diferenciales, desde el caso extremo de los usos de riego que pueden considerarse como estrictamente consuntivos, hasta los de generación hidroeléctrica, o los recreativos, que retornan la totalidad del agua empleada a los cauces, o no generan ninguna alteración del ciclo hídrico, y por tanto pueden catalogarse como no consuntivos.

d. Los diferentes usos o demandas, con sus correspondientes tasas de retorno, implican

retenciones o almacenamientos temporales, más o menos prolongados, que inciden sobre el


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ciclo hídrico y sobre las disponibilidades temporales aguas abajo. Dentro de esta situación se encuentran los embalses para acueductos o generación eléctrica.

e. Los retornos del agua usada para algunos de los diferentes propósitos implican afectaciones

de calidad que restringen los usos aguas abajo. Dentro de esta situación se encuentran especialmente los vertimientos de los sistemas de alcantarillado y de algunas industrias cuyas aguas servidas no van por dichos conductos, y el caso de la minería de aluvión.

Los literales a, b y c están siendo considerados gradualmente en modelos dinámicos cada vez más detallados para perfeccionar los balances de oferta y demanda del recurso hídrico.

7. 9.2 DEMANDA HIDRICA Y USOS DEL AGUA Para efectos del presente documento, se estimarán las demandas y usos del agua para el año de 1998 según los siguientes conceptos:

7. 9.2.1 DEMANDA DE LA POBLACIÓN Consumo de litros diarios por personas para las poblaciones urbanas y rurales. El formato 7.1 "Aspectos generales de las fuentes actuales para el abastecimiento del acueducto municipal" y el formato 7.2 "Aspectos generales de las fuentes potenciales identificadas para ampliar el acueducto municipal", se han elaborado con el fin de contar con la información actualizada a través de las Corporaciones y oficinas de Planeación Departamental y Municipal.

7. 9.2.2 DEMANDA INDUSTRIAL URBANA Corresponde al agua para el sector industrial suministrada por los acueductos municipales.

7. 9.2.3 DEMANDA INDUSTRIAL (GRANDES CONSUMIDORES) Corresponde a aquellas Industrias que consumen grandes cantidades del recurso hídrico. La información de consumo procederá de estudios especializados. En general, los grandes consumidores industriales, exceptuando algunos de los ubicados en grandes ciudades, poseen concesiones especiales sobre aguas subterráneas o corrientes con caudales significativos.

7. 9.2.4 DEMANDA DE LOS SECTORES COMERCIAL Corresponde al consumo de oficinas comercio, microempresas e industrias muy pequeñas. Su estimación debe corresponder a un cálculo análogo al que se emplea en el caso de la Industria urbana típica Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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7. 9.2.5 DEMANDA PECUARIA Corresponde al consumo de todas las especies de fauna domestica. La información de estas poblaciones y su distribución regional corresponde al Sistema de Información sobre el sector pecuario Colombiano.

7. 9.2.6 DEMANDA DE GRANDES DISTRITOS DE RIEGO Corresponde a los caudales derivados por los grandes distritos de riego públicos y privados de acuerdo con información del Instituto Nacional de Adecuación de Tierras - INAT. Estos distritos derivan el recurso hídrico de grandes corrientes y por tanto son considerados para el análisis separadamente de los distritos pequeños.

7. 9.2.7 DEMANDA DE PEQUEÑOS DISTRITOS DE RIEGO Corresponde a las estimaciones de caudales derivados para los pequeños distritos de riego registrados por el INAT, los cuales surten sus consumos de corrientes secundarias y terciarias.

7. 9.2.8 DEMANDA HIDROELÉCTRICA El uso de agua para la generación hidroeléctrica equivale a cerca de diez veces el resto de los usos o demandas estimadas aproximadamente. Habida cuenta que además de su magnitud, el agua usada en la generación retorna totalmente al cauce sin mayores afectaciones de calidad, se ha considerado procedente no considerar sus valores en los cálculos y análisis realizados en este documento.

7. 9.2.9 DEMANDA TERMOELÉCTRICA El caso de las termoeléctricas, los usos de agua dependen del tipo de planta existente. En el caso de sistemas abiertos se presentan necesidades de caudal importantes, caso muy similar al de la hidroenergía con retornos cercanos al 100% y un gradiente de contaminación térmica. Los sistemas cerrados, en cambio, acusan una baja necesidad de caudal, pero implican perdidas por evaporación y vertimientos.

7. 10 LIMITACIONES POR CALIDAD DEL AGUA La calidad del agua es factor que limita la disponibilidad del recurso hídrico y restringe en un amplio rango de posibles usos. La mayoría de los ríos colombianos reciben y acarrean cargas de agua utilizada para los diferentes procesos de la actividad socioeconómica y son vertidos en gran porcentaje sin tratamiento previo, además son los receptores de altos volúmenes de sedimentos, originados por procesos de erosión sea esta de origen natural o derivada de la acción antrópica. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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Generalmente la alteración a la calidad del agua tienen que ver con la contaminación por materia orgánica, por nutrientes y por una gran variedad de sustancias químicas y sintéticas de naturaleza tóxica. Como fuentes principales de contaminación de las aguas superficiales se destacan:

a) Las aguas residuales domésticas e industriales b) El escurrimiento de aguas en zonas de producción agrícola y ganadera. c) Las aguas lluvias por arrastre de compuestos presentes en la atmósfera y d) Las aguas procedentes de los procesos de extracción minera

La acción de cualesquiera de las anteriores causas puede ser expresada parcialmente por el contenido de oxígeno en los ríos. Este indicador da una visión sintética de la carga de contaminantes y de los esfuerzos necesarios para recuperar la calidad del agua. La contaminación en términos de aumento de carga sólida en el agua por descarga de sedimentos se manifiesta con mayor frecuencia en las corrientes de régimen torrencial, y depende en esencia de la intensidad de la lluvia en la parte alta de las cuencas, que interactúa con el sistema cobertura vegetal y suelo en dichas cuencas. Esta alteración está también directamente relacionada con las actividades antrópicas.

Mediante el análisis sistemático de indicadores de calidad del agua tales como: los organolécticos ( temperatura, pH, turbiedad, color, conductividad eléctrica, oxígeno disuelto, y sólidos suspendidos); microbiológicos ( coliformes fecales y coliformes totales); nutrientes ( N-amoniacal, N-nitritos, N-nitratos, fósforo total y ortofosfatos); metales pesados (hierro) y químicos ( demanda química de oxígeno, demanda bioquímica de oxígeno, cloruros, sulfatos, y dureza total), se podrá obtener un mejor conocimiento de niveles de calidad ambiental de los recursos hídricos. Para poder contar con la información adecuada se ha elaborado el formato 7.3 (aspectos generales de la calidad del agua de las fuentes que abastecen los acueductos municipales), donde aparecen las casillas que deben ser diligenciadas por las Corporaciones y oficinas de Planeación Departamental y Municipal.

Mediante el monitoreo sistemático de indicadores de calidad del agua como los anteriores se ha avanzado en el conocimiento de los niveles de calidad ambiental de los recursos hídricos mencionados.

La concentración de oxígeno disuelto en los ecosistemas acuáticos depende fundamentalmente de la solubilidad del oxígeno en el agua, que está íntimamente relacionado con la temperatura, con la salinidad del agua y la presión atmosférica. La disminución de este gas es un claro indicador de contaminación por materia orgánica y por sustancias de diverso origen que requieren del oxígeno para su degradación.


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Para estimar el grado de presión o afectación sobre la calidad de los recursos hídricos se realizarán estimaciones de la demanda biológica de oxígeno (DBO expresada en toneladas por año) generada por el vertimiento de aguas residuales domésticas e industriales, así como las derivadas del beneficio del café. Esta presión afecta la calidad y disponibilidad de los cuerpos de agua receptores en las áreas situadas aguas abajo de los puntos de vertimiento.


7. 11 INDICADORES De acuerdo con el IICA et al1 Los indicadores de manera general, se elaboran para simplificar, cuantificar, analizar, y comunicar información a los diferentes niveles de la comunidad sobre fenómenos complejos. Esto con el propósito de reducir el nivel de incertidumbre en la elaboración de estrategias y acciones referentes al desarrollo y al medio ambiente y, para permitir una mejor definición de las prioridades y urgencias.

7. 11.1 MARCO CONCEPTUAL Para la búsqueda de modelos de desarrollo sostenibles se requiere de herramientas que permitan analizar la evolución de los procesos. A su vez, la elaboración de indicadores necesita de la definición de un marco conceptual que permita decidir qué se quiere y se debe monitorear. La selección de indicadores dependerá de los niveles y escalas del análisis de los componentes y etapas del proceso que se va a monitorear, y de la definición misma del desarrollo sostenible. La selección y elaboración de indicadores hacen necesario definir un modelo que permita estructurar e integrar información muy diversa y dispersa proveniente de diferentes fuentes. La integración de los datos debe contribuir a revelar las conexiones y efectos sinérgicos entre problemas. Hablar de un conjunto de indicadores, implica que no se debe interpretar un indicador de manera aislada sino siempre en relación con los demás indicadores. Esto es especialmente importante si se piensa en los indicadores que se refieren a los tres primeros grupos. Así pues, el conjunto de indicadores puede ser útil para diagnosticar en qué situación se encuentra el recurso agua en relación a ciertos umbrales, para diseñar políticas con base en objetivos que reo-rienten las acciones y respuestas para la implementación de un desarrollo sostenible, y para establecer tanto los progresos de las acciones como las políticas que deben ser creadas, reforzadas o eliminadas para frenar las causas de la degradación del recurso hídrico.

7.11.2. PRINCIPALES INDICADORES QUE CARACTERIZAN EL RECURSO HIDRICO La metodología adoptada en esta propuesta, consta de tres tipos de indicadores: El primer grupo se relaciona con el régimen natural. El segundo grupo tiene que ver con los efectos de las acciones humanas. Un tercer grupo de indicadores se refiere a las medidas que toma la comunidad para mejorar la calidad del recurso por la presión ejercida de los vertimientos sobre el medio ambiente. Un último grupo de indicadores deberá poder ser utilizado, para predecir y anticipar los aspectos no sostenibles del desarrollo, así como limitaciones y oportunidades que aparecen para su aplicación de un desarrollo sostenible.


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1 IICA, OEA y WRI. Indicadores Ambientales para Latinoamérica y el Caribe. San Jos130 de Costa Rica, 1995.


7.11.2.1 INDICADORES POR SU REGIMEN NATURAL

7.11.2.1.1 Índice de regulación hídrica Para la evaluación de retención de Humedad, tanto del suelo como del complejo vegetal y como una aproximación a la capacidad de la regulación hídrica, se estimará, inicialmente, ésta a partir de los componentes relacionados con el sistema de cobertura vegetal y del perfil del suelo. Para evaluar las características del suelo se considerarán aspectos básicos tales como:

- Naturaleza de la formación superficial que a partir de la textura permite obtener la infiltración ó almacenamiento de agua.

- Naturaleza de la fracción arcillosa cuyas características físico - químicas están

relacionadas con la retención y velocidad de evacuación de agua.

- La pendiente que condiciona el movimiento del agua en la superficie y en consecuencia mayor o menor viabilidad de retención y

- Drenaje natural, que indica la velocidad con que se mueve el agua sobre el perfil del

suelo y que está en función de la textura, estructura, consistencia, porosidad y pendiente, entre otras.

La capacidad de retención de humedad en la cobertura vegetal se determinará a partir de la hipótesis que bosques densos y coberturas continuas, poseen mayor capacidad de retención de humedad que aquellas clasificadas como coberturas escasas. La regulación hídrica relacionada con la capacidad de retención de humedad del suelo y la vegetación, se estimará cualitativamente ponderando cada uno de los factores mencionados anteriormente, con las siguientes categorías:

CATEGORIA COLOR

- Muy baja (rojo) - Baja (amarillo) - Moderada (verde) - Alta (azul claro) - Muy alta (azul oscuro)


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7.11.2.1.2 Índice de aridez Como uno de los resultados del balance hídrico se estimará el índice de aridez, como una característica cualitativa del clima que muestra en mayor o menor grado la insuficiencia de los volúmenes precipitados capaces de mantener la vegetación. Este índice se puede obtener, dentro de las diferentes metodologías, a partir de la siguiente expresión: Ia = (ETP - ETR)/ETP donde: Ia = Indice de Aridez. ETP= Evapotranspiración Potencial (mm) ETR= Evapotranspiración Real (mm) Como producto de la interrelación de las variables hidrológicas a ser analizadas en el balance hídrico se deberán establecer cinco condiciones cualitativas que muestren el grado de disponibilidad del agua en las diferentes regiones del país y que se encuentren delimitadas cartográficamente, “mapa de excedentes y déficit de agua” (índice de aridez), los indicadores del índice de aridez propuestos por cuencas será de acuerdo con las siguientes categorías: CATEGORÍA RANGO

- cuencas altamente deficitarias > 0.60 - cuencas deficitarias de agua 0.50 - 0.59 - cuencas entre normal y deficitarias de agua 0.40 - 0.49 - cuencas normal en agua 0.30 - 0.39 - cuencas con excedentes de agua < 0.15

7.11.2.2. INDICADORES POR LA ACTIVIDAD HUMANA

7.11.2.2.1 Índice de escasez Para las áreas municipales y las áreas que surten de agua las cabeceras municipales, se determinará el Índice de Escasez (relación demanda sobre oferta en porcentaje). Este índice se agrupa en 5 categorías: CATEGORIA RANGO No significativo < 1% demanda no significativa con relación a la oferta.


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Mínimo 1 - 10% demanda muy baja con respecto a la oferta. Medio 11- 20% demanda baja con respecto a la oferta. Medio Alto 21- 50% demanda apreciable. Alto >50% demanda alta con respecto a la oferta. Para evaluar la relación que existe entre la oferta hídrica disponible y las condiciones de demanda predominantes en una unidad de análisis seleccionada, se considerará la clasificación citada por Naciones Unidas1 en la cual se expresa la relación entre aprovechamientos hídricos como un porcentaje de la disponibilidad de agua. En esta relación cuando los aprovechamientos representan más de la mitad de la oferta disponible se alcanza la condición más crítica, ver anexos.

7.11.2.2.2. Índice de presión Para las grandes cuencas, dada la magnitud de los componentes, se presenta un indicativo de la presión de la demanda sobre la oferta, denominado Índice de presión, véase anexo. Para efectos de comparación los valores obtenidos se amplifican por una constante como se muestra a continuación en las siguientes categorías: CATEGORIA RANGO Mínima < 49 Baja 49 - 119 Media baja 120 - 249 Media 250 - 499 Media Alta 500 - 999 Alta 1000 - 4000 Muy Alta > 4000

7.11.2.2.3 Índice de vulnerabilidad Adicionalmente se estima la vulnerabilidad por disponibilidad de agua basada en las condiciones de capacidad de regulación hídrica y la relación demanda/oferta (índice de escasez). Al interrelacionar los índices de regulación hídrica y de escasez, se puede tener una tendencia de vulnerabilidad aproximada, como se indica a continuación:

VULNERABILIDAD

Regulación hídrica

Signo Indice de escasez Tendencia Indicador de vulnerabilidad

Muy baja a baja + Medio a mínimo = Alta Moderada + Medio alto a alto = Alta


211 Critical Trends Global Change and Sustainable Development, 1997


Alta a muy alta + Medio alto a medio = Baja Baja y muy baja + No significativo a

mínimo = Media

Moderada a alta + Alto a medio alto = Media Alta a muy alta + Mínimo = Baja

7.11.2.3. INDICADORES DE REDUCCION AL RECURSO HIDRICO

7.11.2.3.1 Caudal ecológico El caudal ecológico es aquel flujo de agua superficial que debe dejarse correr por los cauces, especialmente de pequeñas cuencas para el sostenimiento de los ecosistemas y de las comunidades hacia aguas abajo, las derivaciones que se demanden o ejecuten deben ser concedidas técnicamente por la autoridad ambiental competente; véase anexos.

7.11.2.3.2 Calidad del agua La afectación por calidad del agua se debe considerar para los diferentes usos, los cuales, a su vez deben obedecer a una normatividad regida por los ministerios de Salud y Medio Ambiente. Con el peso que se dé a cada uno, de acuerdo con su uso, se obtendrá el factor de reducción que afectará, en cada caso particular, el volumen total dado por la Escorrentía media anual y de los años medio, seco y húmedo. El resultado será la Oferta Neta, véase anexos. Si bien los anteriores índices darán cuenta de los niveles de abundancia o escasez, relacionando la oferta específica con la demanda correspondiente, deberá tenerse en cuenta que el abastecimiento de agua para los diferentes usos involucra aspectos como el almacenamiento y transporte del recurso hídrico. Por ello, no necesariamente altos niveles de escasez en áreas específicas deberán coincidir con problemas graves de abastecimiento de los sistemas, para los cuales se han desarrollado infraestructuras de manejo particulares.

7.12 PRODUCTOS

a. Estimar y cuantificar la oferta Hídrica en las diferentes regiones del país a nivel anual y mensual con base en las series históricas de mas de 400 cuencas instrumentadas.

b. Obtener mapas temáticos con las variables de Escorrentía, Rendimientos,

Evapotranspiración Real e Indice de Aridez, con los cuales se caracteriza el recurso hídrico a nivel de áreas hidrológicas, de cuencas y de municipios.


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c. Definir las áreas deficitarias y de excedentes de agua en el territorio nacional mediante la caracterización del índice de aridez.

d. Determinar los indicadores o índices de Aridez y el de disponibilidad específica de agua (

caudal por habitante por año).

e. Obtener la capacidad de retención de humedad y regulación hídrica por el conjunto suelo - cobertura vegetal.

f. Obtener el índice de presión de la demanda sobre la oferta años medio, seco y húmedo.

g. Obtener el índice de escasez municipal y de cabeceras municipales por disponibilidad de

agua año seco.

h. Obtener el índice de vulnerabilidad por municipios y cabeceras municipales año seco.

i. Obtener los índices de presión por vertimientos municipales sobre la calidad del agua.

j. Estimación mensual del índice de escasez por municipios y cabeceras municipales con proyección hacia el futuro.


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7.13 CONCLUSIONES

AÑO MEDIO Y DISTRIBUCION MENSUAL PASOS: 1. Selección de la zona de estudio 2. Obtención del mapa con la red de estaciones hidrológicas de la zona de estudio 3. Determinación de la escala de trabajo 4. Consulta del Banco de datos sobre las series históricas de la red hidrológica de la zona de

estudio 5. Selección de las estaciones hidrológicas para el estudio 6. Determinación del período para la homogeneización de las series históricas 7. Determinación de las áreas de influencia de cada una de las estaciones seleccionadas para el

estudio 8. Cálculo de las coordenadas de los centroides de las áreas de influencia de cada una de las

estaciones 9. Consulta de las series históricas de caudales medios mensuales para el período seleccionado

de las estaciones de la zona de estudio 10. Determinación de los valores característicos de las series de caudales medios mensuales

( medio, máximo y mínimo) para cada una de las estaciones de la zona de estudio, ver tabla 1 Tabla 1 Caudales medios mensuales multianuales (Valores característicos)- Estación Pueblo Bello-

Río Cesar MES CAUDAL

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL

MEDIO 0.943 0.794 0.439 0.863 1.220 1.524 1.128 1.402 1.897 2.819 2.566 1.834 1.470 MAXIMO 2.214 1.474 1.143 1.921 2.627 6.045 3.853 2.823 6.862 8.145 17.35 17.25 17.35 MINIMO 0.288 0.219 0.189 0.217 0.283 0.360 0.370 0.491 0.770 0.579 0.330 0.360 0.189 11. Elaboración de una base de datos dinámica que contenga una tabla con la siguiente

información:

- Código estación - Coordenadas planas de los centroides - Areas aferentes a las estaciones (km²) - Caudales medios mensuales (m³/s) de las estaciones hidrológicas de la zona de estudio,

para el período contemplado - Escorrentía (lámina de agua en mm) - Rendimientos (l/s/km²)

12. Construcción de las isolíneas anuales y medias mensuales multianuales, mediante un sistema

gráfico modelador de superficie.


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MESES TIPICO SECO Y HUMEDO Para la elaboración de las isolíneas correspondientes al mes típico seco y húmedo, se toma en cuenta los valores característicos Mínimos y Máximos de las series de los caudales medios de las estaciones seleccionadas en la zona de estudio, tabla 1 anterior. Para la selección del mes típico seco y húmedo se sigue la siguiente metodología. Se elabora la tabla 2 que contiene, en la primera columna las estaciones involucradas en el estudio y en las filas los valores mínimos y máximos promedios mensuales con los cuales se identificará el mes seco ó húmedo correspondiente. Una vez obtenida la tabla con la información referida se obtendrán los promedios para cada uno de los mese del año, de todas las estaciones relacionadas, que estará representada en la última fila de la tabla, como sigue: Tabla 2. Caudales mínimos m³/s (máximos) de las series medias mensuales multianuales de las estaciones en la zona de estudio para el mes típico seco (húmedo) Mes Est.

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

Pueblo Bello * 0.288 0.219 0.189 0.217 0.283 0.360 0.370 0.491 0.770 0.579 0.320 0.360 ** 2.214 1.474 1.143 1.921 2.627 6.045 3.853 2.823 6.862 8.145 17.35 17.25 Cantaclaro * 0.00 0.028 0.122 0.126 0.338 0.496 0.191 0.283 0.294 1.624 0.585 0.352 ** 1.476 1.908 1322 3.989 8.570 5.695 4.413 4.186 5.382 17.87 6.590 3.004 Corral de piedra 0.313 0.316 0.161 0.207 0.617 0.763 0.419 0.260 0.803 0.900 1.012 0.401 ** 1.866 1.131 1.271 3.793 21.00 6.785 2.945 2.752 7.316 20.90 16.13 11.80 El Reposo * 4.074 2.566 2.847 3.028 5.635 8.710 6.945 8.120 10.58 12.06 9.343 5.063 . ** 13.90 9.729 8.036 22.60 52.82 52.61 18.83 25.46 62.15 70.56 43.48 26.16 . n Promedio * 1.460 0.782 0.829 0.894 1.718 2.582 1.981 2.288 3.111 3.790 2.815 1.544 Promedio ** 4.864 3.560 2.943 8.075 21.26 17.78 7.510 8.805 20.43 29.37 20.89 14.55 Nota: * Caudales mínimos medios mensuales ** Caudales máximos de las series medias multianuales. De la anterior tabla se deduce que el mes con el menor valor será, entonces, el mes típico seco (febrero), cuando se trata de caudales mínimos y el mes con mayor valor será el mes típico húmedo (octubre) cuando se trata de los caudales máximos.


25


0

5

10

15

20

25

30

Cau

dal (

m3/

s)


Meses

Variación mensual de caudales mínimos y máximos promedios multianuales

MES TIPICO SECO

MES TIPICO HUMEDO

Año seco o Húmedo La construcción de las isolíneas de escorrentía correspondientes a los años seco y húmedo es como sigue: 1-.Se consultan los caudales medios mensuales anuales de cada una de las estaciones en estudio. Allí la primera columna corresponde a al período de los años seleccionados y en las filas los caudales medios mensuales. Ver tabla 3. Tabla 3 Caudales medios mensuales m³/s - Estación Pueblo Bello Mes Año


1983 .96 .87 .97 .55 2.08 1.24 1.24 1.38 1.60 3.74 2.23 1.41 1.56 1984 1.27 1.20 1.06 1.24 1.11 1.39 1.32 1.54 2.16 2.22 2.06 1.63 1.52 1985 1.10 .73 .59 .56 .70 .76 0.60 .76 1.06 1.60 1.55 .98 1.92 1986 .77 .72 .56 .68 1.03 1.39 .63 .58 .88 2.14 1.18 .75 1.94 1987 .63 .52 .60 .65 .54 .63 .75 .97 1.99 4.34 2.27 1.07 1.25 1988

1995

2-.Con los caudales anuales obtenidos de cada una de las estaciones como aparece en la tabla 3, se elabora una nueva tabla donde en la primera columna aparecen los años correspondiente al período de la serie histórica seleccionada y en la filas los caudales promedios anuales de cada una de las estaciones de la zona de estudio. Adicionalmente se abren columnas al lado de las de los caudales donde deben ir los rendimientos correspondientes. La intención de realizar este nuevo cálculo es disminuir la influencia de aquellas estaciones cuyo caudal es significativamente superior a las demás. Este proceso tiene la ventaja de presentar promedios mas consecuentes dentro del área de estudio. Tabla 4.


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3-. En la tabla 4, la última columna corresponde al promedio de los rendimientos de cada uno de los año de todas las estaciones consideradas en el estudio. Tabla 4 Caudales promedios anuales Est.ación Año

Pueblo Bello Cantaclaro Corral de Piedra El Reposo Otras Est.

Promedio

Q q Q q Q q Q q q 1983 1.56 44.0 1.74 10.0 1.82 9.0 18.90 24.0 22.0 1984 1.52 43.0 3.09 18.0 2.14 10.0 18.10 23.0 24.0 1985 .92 26.0 2.02 12.0 2.26 11.0 16.65 21.0 18.0 1986 .94 27.0 1.16 7.0 2.38 12.0 18.38 24.0 18.0 1987 1.25 36.0 1.69 10.0 5.62 28.0 23.12 30.0 26.0 1988 1995 Nota: Q = Caudal (m³/s) q = Rendimiento (l/s/km²) 4-. Con los valores de la columna "promedios" de la tabla 4, se elabora el histograma de variación de las estaciones v.s. tiempo (años).

05

1015202530

REN

DIM

IEN

TOS

PRO

MED

IOS

(l/s/

km²)

1983 1984 1985 1986 1987TIEMPO (Años)

VARIACION DEL RENDIMIENTO PROMEDIO (l/s/km²)

5-.El histograma anterior muestra que los años 1985 y 1987 corresponden al menor y mayor valor respectivamente, esto indica que el primero corresponde al año seco y el segundo al año húmedo. 6-. Para el ejemplo, el año 1985 corresponde al año seco, por tal razón en la tabla 4, se han registrado los valores para todas las estaciones que se consideraron en el estudio. Con dichos valores se construirán los mapas de Isolíneas de Escorrentía para dicho año. De igual manera, se procederá con el año húmedo. 7-. La distribución mensual del año seco ó húmedo se determina elaborando la tabla 5, en donde en la primera columna aparecerán las estaciones que han sido seleccionadas para el estudio y en las filas los caudales medios mensuales correspondientes al año que se ha definido como seco (1985).


27


8-. En la tabla 5 se observan los caudales mensuales correspondientes al año seco (1985), para cada una de las estaciones comprometidas en el estudio. Con los valores de esta tabla se elabora la 6, la cual contiene los rendimientos mensuales, calculados especialmente para obtener la distribución porcentual mensual de los caudales del año seco. Tabla 5 Caudales medios mensuales - Año típico seco (m³/s) 1985 Mes Estaciones


Pueblo Bello 1.10 .73 .59 .57 .70 .76 .60 .76 1.06 1.60 1.55 .99 .92 Canta Claro .66 .47 .44 .65 1.19 .66 .53 1.92 1.71 8.91 4.04 3.00 Corral de Piedra .31 .49 .61 1.00 4.46 1.77 1.25 .78 2.31 7.26 4.74 2.06 El Reposo 6.88 5.59 6.78 5.00 13.26 17.72 7.98 11.81 16.18 51.17 34.06 23.30 16.65 Promedio Porcentaje Tabla 6 Rendimientos medios mensuales - Año típico seco- (l/s/km²) 1985 Mes Estaciones


Pueblo Bello 34 21 17 16 20 22 17 22 30 46 44 28 Canta Claro 4 3 3 4 7 4 3 11 10 53 24 18 Corral de Piedra 2 2 3 5 22 9 6 4 11 36 23 10 El Reposo 9 7 9 6 17 23 10 15 21 66 44 30 Promedio 12 8 8 8 16 14 9 13 18 50 34 22 222 Porcentaje 5 4 4 4 7 7 5 6 9 23 15 11 100 % 9-. Con los porcentajes que aparecen en la tabla 6, se elabora el histograma "Variación porcentual del año seco" Este gráfico complementará el mapa de isolíneas de Escorrentía correspondiente al año seco. Utilizando la misma metodología se hará igual procedimiento para el año húmedo.

DISTRIBUCION PORCENTUAL DE LOS CAUDALES CORRESPONDIENTES AL AÑO SECO (1985)

Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su

0

5

10

15

20

25

POR

CEN

TAJE

(%)


TIEMPO (Meses)

reproducción total o parcial. Derechos reservados.

28


. . . .

.

. . .

. .

. .

.

. . .15 .14

.13

.11

.12

.10 .9

.6

.8

.5 .4

.7

.2

.3 .1

Mapa de isolíneas de escorrentía Mapa de localización de estaciones Volúmenes El procedimiento manual se realiza de la siguiente manera: Con base en los mapas de Isolíneas de escorrentía, ya sean anuale, mensuales, de año seco, húmedo, etc, se localiza dentro de ellos el área de interés hidrográfico. Dentro del área así determinada se calcula la Escorrentía media ponderada, ver gráfico Elaborar mapa y tabla 6 de Isolíneas de escorrentía

Area (km²) Escorrentía (mm/año) Producto ponderado (1) (2) (1)*(2)

A1 = 30 2100 63000 A2 = 50 1900 95000 A3 = 65 1700 110500 A4 = 80 1400 112000 A5 = 35 1400 49000 A6 = 90 1100 99000 A7 = 33 950 31350

Totales 383 559850 (km² x mm)

Cálculo de ponderación: Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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30

Escorrentía media = ∑ producto ponderado (km² x mm)/ ∑Area (km²) Escorrentía media = 559850/383 = 1462 mm/año Es bien sabido que un milímetro (mm) de lámina de agua es igual a un litro por metro cuadrado (1 l/m²). Con los datos del ejemplo, el cálculo del volumen sería el siguiente: Equivalencias: Un año igual a 31'536.000 segundos Un kilómetro cuadrado igual a un millón de metros cuadrados Un metro cúbico igual a mil litros Un litro por segundo por kilómetro cuadrado [ Rendimiento (q)], es igual a 31,536 milímetros de lámina de agua. Cálculos: 383'000.000 (m²) x 1,462 (m³/m²) = 560´329.000 (m³). El volumen aportado por el área hidrográfica seleccionada durante el año es entonces, 560´329.000 m³, que corresponde a un caudal de 17,760 m³/s [560´329.000 (m³/s) /31´536.000 (s)].


Otro indicador que muestra la capacidad de aporte de la cuenca es el rendimiento expresado en litros por segundo por kilómetro cuadrado (l/s/km²). En el ejemplo que se ha venido ilustrando, el rendimiento está dado por la siguiente demostración: Rendimiento: p = 17.760 (l/s) / 383 (km²) = 46.4 (l/s/km²) corresponde al rendimiento de la cuenca Para la cabecera municipal cuya fuente de abastecimiento tiene una área ocho (8) km² y se encuentra encuadrada dentro de Isolíneas de escorrentía de 1400 mm/año, el cálculo del volumen sería el siguiente: V (Volumen) = 1400 l/m² * 8´000.000 m² = 11´200.000 m³/año


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BIBLIOGRAFIA Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM. ESTUDIO NACIONAL DEL AGUA: Relaciones Oferta Demanda e Indicadores de Sostenibilidad para el año 2016. Primera versión. Santa Fe de Bogotá, 1998. Organización de las naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura - UNESCO. GUIA METODOLOGICA PARA LA ELABORACION DEL BALANCE HIDRICO DE AMERICA DEL SUR. Santiago de chile, 1980. Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura - IICA; Organización de los Estados Americanos - OEA e Instituto de Recursos Mundiales - WRI. INDICADORES AMBIENTALES PARA LATINOAMERICA Y EL CARIBE: Hacia la Sustentabilidad en el Uso de Tierras. San José de Costa Rica, 1995. Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura - IICA; Organización de los Estados Americanos - OEA. ANALISIS DEL DESARROLLO SOSTENIBLE EN CENTROAMERICA: Indicadores para la Agricultura y los Recursos Naturales. Instituto Interamericano de Cooperación para la Agricultura - IICA; Organización de los Estados Americanos - OEA e Deutsche Gesellschaff Für Technische Zusammenarbeit - GTZ. SOSTENIBILIDAD DE LA AGRICULTURA Y LOS RECURSOS NATURALES. Bases para establecer indicadores. San José de Costa Rica, 1993


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33

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAMFormato 1

TIPO DE FUENTE

SUPERFICIAL (*) SUBTERRANEA

Número Número

Pozos Aljibes

( * ) 1 = Arroyo 4 = Laguna 7 = Pantano (**) Cuando la fuente es pozo colocar hoja (1)2 = Quebrada 5 = Ciénaga 8 = Otra el caudal de extracción.3 = Río 6 = Embalse

CAUDAL

PROMEDIO

DE LA

CORRIENTE

(M3/S) (**)

COORDENADAS GEOGRAFICA

DEL SITIO DE CAPTACION

LONGITUD ALTITUD 1 2 3 8 (Cuál)

ASPECTOS GENERALES DE LAS FUENTES ACTUALES PARA EL ABASTECIMIENTO DEL ACUEDUCTO MPAL.

4 5 6 7

MUNICIPIO

CODIGO

DANE

FUENTE(S)

ABASTECEDORA(S)

LATITUD

CAUDAL

DERIVADO

(M3/S)



34 Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

Formato 1

CONCESIONES

SI NO 1994 1995 1996 1997 1998 1999

hoja (2)

SI NO


ASPECTOS GENERALES DE LAS FUENTES ACTUALES PARA EL ABASTECIMIENTO DEL ACUEDUCTO MPAL.

VULNERABILIDAD La fuente abastece todo

el año el acueducto

Número de días al año en que el

acueducto se quedó sin agua

CAUDAL

CONCEDIDO

(m3/seg)

DURACION

(AÑOS)

FECHA

OTORGA

MIENTO


INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAMFormato 2

TIPO DE FUENTESUPERFICIAL (*) SUBTERRANEA

Número NúmeroPozos Aljibes

( * ) 1 = Arroyo 4 = Laguna 7 = Pantano (**) Cuando la fuente es pozo colocar hoja (1)2 = Quebrada 5 = Ciénaga 8 = Otra el caudal de extracción.3 = Río 6 = Embalse

CAUDAL

DERIVADO

(M3/S)

DEL SITIO DE CAPTACION

LATITUD LONGITUD 8 (Cuál)

CODIGO

DANE

FUENTE(S)

ABASTECE

DORA(S)

COORDENADAS GEOGRAFICAS CAUDAL PROMEDIO

DE LA CORRIENTE (M3/S) (**)

ASPECTOS GENERALES DE LAS FUENTES POTENCIALES IDENTIFICADAS PARA AMPLIAR EL ACUEDUCTO MPAL.

4 5 6 7ALTITUD 1 2 3MUNICIPIO


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Formato 2

CONCESIONES

SI NO 1994 1995 1996 1997 1998 1999

hoja (2)


ASPECTOS GENERALES DE LAS FUENTES POTENCIALES IDENTIFICADAS PARA AMPLIAR EL ACUEDUCTO MPAL.

VULNERABILIDAD

SI NO

FECHA

OTORGAMI

ENTO

DURACION

(AÑOS)

CAUDAL

CONCEDID

O (m3/seg)

La fuente abastece todo el año el

acueducto

Número de días al año en que el acueducto se quedó sin agua


CAPITULO 6

6. PREDICCION Y ALERTAS HIDROLOGICAS................................................... 3

6.1 ESTUDIO HIDROLOGICO ................................................................................................................... 3 6.1.1 CARACTERISTICAS FISIOGRAFICAS DE LA CUENCA ............................................................. 3 6.1.2 ESCORRENTIA O CAUDAL ............................................................................................................ 4 6.1.3 CAUDALES MAXIMOS..................................................................................................................... 6

6.1.3.1 FORMULA RACIONAL............................................................................................................. 6 6.1.3.2 HIDROGRAFO UNITARIO.......................................................................................................... 6 6.1.3.3 METODOLOGIA DEL SOIL CONSERVATION SERVICE DE EUA ..................................... 6 6.1.3.4 TRANSITO DE CAUDALES....................................................................................................... 6 6.1.3.5 MODELOS HIDROLOGICOS PARA PREDICCION................................................................. 7

6.2 RED DE ALERTAS HIDROLOGICAS .................................................................................................. 7 6.2.1 DISEÑO DE LA RED DE ALERTAS HIDROLOGICAS................................................................... 7

6.2.1.1 AREA Y FORMA DE LA CUENCA ............................................................................................ 8 6.2.1.2 REPRESENTATIVIDAD .......................................................................................................... 8

6.2.2 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN..................................................................................................... 8 6.2.3 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LA RED DE ALERTAS................................................. 9

6.3 MANEJO DE LA INFORMACION EN TIEMPO REAL ................................................................... 9

6.4 SITUACION ACTUAL DEL GRUPO DE PREDICCION Y ALERTAS HIDROLOGICAS DEL IDEAM. ........................................................................................................................................................... 11

6.5 ZONAS SUSCEPTIBLES A INUNDACIONES.................................................................................. 11 6.5.1 OBJETIVO.......................................................................................................................................... 12 6.5.2 MAPAS DE AMENAZAS DE INUNDACIÓN ................................................................................. 12 6.5.3. ANÁLISIS DE PLANICIES INUNDABLES DE RÍOS DE RÉGIMEN ALUVIAL........................ 13 6.5.4 BASE DE DATOS .............................................................................................................................. 15 6.5.5 PREPARACIÓN DEL MAPA BASE DE LA PLANICIE INUNDABLE. ....................................... 15

6.5.5.1 RESOLUCIÓN DE LAS COBERTURAS.................................................................................. 16 6.5.5.2 CARTOGRAFÍA POR MEDIO DE ORTOFOTOGRAFÍAS..................................................... 16

6.5.6 HIDROLOGÍA. .................................................................................................................................. 17 6.5.6.1 INFORMACIÓN BÁSICA ........................................................................................................ 17 6.5.6.2 ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN ......................................................................................... 18 6.5.6.3 DELIMITACIÓN DE LAS CUENCAS Y MORFOMETRÍA................................................... 18 6.5.6.4 DETERMINACIÓN DE LAS CRECIENTES MÁXIMAS EN RÍOS DE RÉGIMEN TORRENCIAL......................................................................................................................................... 18 6.5.6.5 DETERMINACIÓN DE LAS CRECIENTES MÁXIMAS EN PLANICIES INUNDABLES. ANALISIS DE FRECUENCIA................................................................................................................ 20 6.5.6.6 UTILIZACIÓN DEL HIDROGRAMA UNITARIO. ................................................................. 21 6.5.6.7 FRECUENCIA DE LAS INUNDACIONES. .............................................................................. 21 6.5.6.8 DURACIÓN DE LAS INUNDACIONES .................................................................................. 21 6.5.6.9 MODELACIÓN HIDROLÓGICA E HIDRÁULICA................................................................. 22

6.5.6.9.1 Descripción del Modelo Hec-2 (Ref. 7).............................................................................. 23 6.5.7 DEMARCACIÓN DE LAS ÁREAS DE INUNDACIÓN................................................................ 27 6.5.8 INFORMACIÓN BÁSICA DE CAMPO............................................................................................ 28

6.5.8.1 PUNTOS CRÍTICOS DE DESBORDAMIENTOS. ................................................................... 29 6.5.8.2 OBJETIVO DE LAS MEDICIONES DE CAMPO. ................................................................... 29



6.5.8.3 METODOLOGÍA........................................................................................................................ 29 6.5.8.4 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN. ......................................................................... 30 6.5.8.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. ..................................................................................... 34

6.5.9 APLICACIÓN Y UTILIZACIÓN DE IMÁGENES DE SATÉLITE EN LA EVALUACIÓN DE LAS PLANICIES INUNDABLES............................................................................................................... 35 6.5.10 USO DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA. ................................................ 36 6.5.11 ANALISIS DE VULNERABILIDAD. ............................................................................................ 36 6.5.12 USOS E IMPORTANCIA DE LOS MAPAS DE INUNDACIONES. ............................................ 38

BIBLIOGRAFIA...................................................................................................................................... 39


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6. PREDICCION Y ALERTAS HIDROLOGICAS La predicción Hidrológica corresponde al proceso de estimar mediante la información pluviométrica o hidrológica en tiempo real la posible ocurrencia de eventos hidrológicos extremos y emitir avisos para alertar a la población que pueda ser afectada por la ocurrencia de los mencionados eventos. En el presente documento nos referiremos únicamente a la Predicción Hidrológica para las crecientes o caudales máximos. Para la predicción hidrológica se requiere tener como base el estudio hidrológico de la cuenca mediante el cual ya se han calculado los tiempos de concentración y de tránsito según se requiera y los caudales máximos para establecer la magnitud del caudal y del nivel máximo que puedan presentarse. 6.1 ESTUDIO HIDROLOGICO La finalidad de un estudio hidrológico es conocer el régimen hidrológico de una corriente en determinado sitio o cierre de la cuenca. Para realizar el estudio hidrológico de una cuenca en primer término deberán determinarse las características fisiográficas de la misma y con base en éstas características establecer el régimen hidrológico. Cuando se cuenta con registros históricos de precipitaciones y de caudales en una cuenca no es difícil determinar el comportamiento de las lluvias y de los caudales ya que los valores medios, máximos y mínimos multianuales promedios corresponden a los valores hidrológicos característicos de la cuenca.

6.1.1 CARACTERISTICAS FISIOGRAFICAS DE LA CUENCA Las principales características fisiográficas de una cuenca son las siguientes: - Area = A (km2) El área de la cuenca corresponde a la superficie total del área de captación de la cuenca. Generalmente el Area de la cuenca se expresa en kilómetros cuadrados. - Elevación Media = Hm (m) La elevación Media de la cuenca es la elevación promedia de la cuenca entre los puntos más alto y más bajo de la cuenca. Se calcula mediante el promedio ponderado de las áreas entre curvas de nivel con respecto al área total. - Longitud de la corriente = L (km) Corresponde a la longitud de la corriente en kilómetros. - Pendiente de la corriente = P ( m/km , % ) Corresponde a la pendiente media de la corriente, la cual se calcula como la longitud de la misma sobre la diferencia en altura entre el punto donde nace la corriente y el punto más bajo de la misma . - Pendiente media de la cuenca = Pm. (m/km , % ) Se calcula como el promedio ponderado de las longitudes de las curvas de nivel por el intervalo de curvas de nivel con respecto al área total.


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM - Factor de Forma = F Es la relación entre el ancho medio de la cuenca y la longitud del cauce. El factor de forma será igual o cercano a la unidad cuando el ancho medio y la longitud del cauce sean similares. A medida que el ancho medio sea menor, será menor el Factor de Forma y mayor el tiempo de concentración de la cuenca. - Tiempo de Concentración = tc (horas) El tiempo de concentración de una cuenca es el tiempo que tarda en desplazarse una gota de agua desde el punto más alejado de la cuenca hasta la estación de control o cierre de la cuenca. Se calcula mediante varias fórmulas que involucran diferentes parámetros de la cuenca. - Tiempo de Tránsito = TT (horas) Corresponde al tiempo de desplazamiento de una onda de creciente a lo largo de un canal. - Cotas de Desbordamiento En principio, las cotas de inundación deben determinarse con base en el limite de la planicie de inundación. de manera que con eventos de crecientes recurrentes cada año o cada dos años, es decir con periodos de retorno cortos, presentan problemas de anegamientos y situaciones de emergencias. Dichos cotas, están referenciadas topográficamente a las estaciones automáticas o a miras hidrométricas cuya información pueda ser recibida en tiempo real o diariamente a través de radio o fax- teléfono, para poder dar un aviso o una alerta oportuna en caso de un evento extremo.

6.1.2 ESCORRENTIA O CAUDAL El caudal es la cantidad o volumen de agua que pasa por el punto de control o cierre de la cuenca en unidad de tiempo, como respuesta a las precipitaciones ocurridas en toda la cuenca aferente.


4


Por ejemplo si tenemos una cuenca de 500 metros cuadrados sobre la cual cae una precipitación de 20 mm. en una hora, el volumen de lluvia caído sobre la cuenca será

V= 500 m2 X 0.020 m = 10 m3

Si la cuenca fuera totalmente impermeable y no ocurriera ningún tipo de pérdidas, el caudal Q, sería igual a la cantidad de lluvia caida en la cuenca. Q= 10 M3/HORA El caudal es igual a la precipitación ocurrida menos las pérdidas (L) , las cuales se pueden resumir en infiltración, evaporación y retención en la cuenca. Q = P – L También podemos referirnos al caudal como un porcentaje de la cantidad de lluvia precipitada sobre la cuenca. Esta relación se conoce como el coeficiente de escorrentía Ce = Q / P Cuanto más agua retenga una cuenca las condiciones hidrológicas de la cuenca serán mejores ya que la cuenca actúa como una esponja que absorve el agua lluvia recibida en invierno para irla liberando lentamente durante todo el año. De acuerdo con lo anterior podremos decir que una cuenca con buenas condiciones hidrológicas tendrá mejores condiciones para almacenar agua como suelos permeables, buena cobertura vegetal y pendientes no muy pronunciadas por lo cual se registraran caudales picos o máximos menores en invierno y caudales de estiaje mayores y permanentes durante todo el año que en cuencas deforestadas, con suelos poco permeables y con pendientes muy pronunciadas.


5


6.1.3 CAUDALES MAXIMOS Como se decía anteriormente la Predicción Hidrológica se refiere principalmente a los caudales máximos los cuales generan las crecientes e inundaciones de los ríos. El hidrograma de una creciente o variación de los caudales en el tiempo nos suministrará la hora y el caudal máximo que se pueda presentar, con lo cual se podrán dar los avisos de alertas correspondientes. Si no se cuenta con registros, deberán estimarse los valores máximos característicos a partir de datos de lluvias o caudales de otras cuencas o por métodos indirectos, los cuales se relacionan brevemente a continuación.

6.1.3.1 FORMULA RACIONAL Q. Max.= Ce I A En donde Ce es el coeficiente de escorrentía, I es la intensidad de la lluvia y A es el Area de la cuenca. La fórmula racional es tal vez la herramienta más generalizada con que cuenta la hidrología para estimar los caudales Máximos en una cuenca. Presenta el inconveniente que generalmente el Coeficiente de Escorrentía es estimado a partir de valores calculados de otras cuencas por lo que el valor de caudal encontrado con ésta metodología debe tomarse sólo como un estimativo.

6.1.3.2 HIDROGRAFO UNITARIO El hidrógrafo unitario corresponde al hidrograma generado por un volúmen unitario de lluvia (un milímetro, un centímetro o una pulgada de precipitación en un intervalo de tiempo determinado. La teoría del Hidrógrafo Unitario se basa en la relación lineal que hay entre los hidrogramas generados en una cuenca por precipitaciones de cualquier cantidad y duración. Una vez se ha calculado el Hidrógrafo Unitario para la cuenca es posible calcular el hidrograma para una tormenta con cualquier volumen de precipitación y con cualquier duración. Existen diferentes metodologías para calcular el Hidrógrafo Unitario.

6.1.3.3 METODOLOGIA DEL SOIL CONSERVATION SERVICE DE EUA Esta metodología utiliza conceptos novedosos para el cálculo de los caudales máximos en una cuenca como son la Condición Hidrológica ( Cobertura Vegetal y Suelos ) y la Humedad Antecedente la cual se expresa como el total de la precipitación ocurrida en los cinco dias anteriores. Dicha Humedad Antecedente define las condiciones de saturación del suelo para encontrar la Curva Numero mediante la cual se calculan los caudales.

6.1.3.4 TRANSITO DE CAUDALES Cuando se cuenta con una o varias estaciones hidrológicas en la parte alta de la cuenca se pueden calcular los caudales máximos mediante el transito de la onda de creciente a lo largo del río. Existen varios métodos para transitar caudales pero en términos generales podemos decir que el desplazamiento de una onda de creciente es función del almacenamiento en el canal y del tiempo que tarde la onda en desplazarse o Tiempo de Tránsito.


6

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM El tránsito de caudales se utiliza para efectos de Predicción Hidrológica en cuencas grandes donde las crecientes no se pueden atribuir a un solo aguacero en la cuenca alta sino está compuesta por crecientes de varias subcuencas que se van acumulando en el cauce principal.

6.1.3.5 MODELOS HIDROLOGICOS PARA PREDICCION El uso de los computadores ha representado un gran avance en la Predicción Hidrológica ya que la aplicación de las diferentes metodologías ha sido utilizada en modelos hidrológicos mediante los cuales se simula el comportamiento hidrológico en una cuenca. En su gran mayoría los Modelos Hidrológicos generan hidrogramas de niveles y/o caudales en uno o varios sitios de interés de una cuenca a partir de información de precipitación, niveles y/o caudales. Existen muchas clases de modelos hidrológicos según la metodología que utilicen para generar los caudales, las características de la cuenca que involucren, los datos de entrada que requieran, los intervalos de tiempo que utilicen y si generan el hidrograma que produce un evento de lluvia o si son continuos en el tiempo para lo cual deberán involucrar todas las fases del Ciclo Hidrológico. Para montar y operar un modelo hidrológico se deberán determinar las características fisiográficas de la cuenca, los suelos, la cobertura vegetal, las características geológicas etc. los cuales se tomarán como parámetros de la cuenca. Para calibrar el modelo se le suministrarán como Datos de Entrada los valores históricos de lluvias, niveles y caudales para diferentes periodos de tiempo y se efectuarán las corridas que sean necesarias hasta que los valores de caudales generados por el modelo sean similares a los valores históricos de caudales, para lo cual se irán ajustando los parámetros de la cuenca. Cuando el modelo esté calibrado podrá utilizarse para predicción Hidrológica para lo cual se alimentará con la información de lluvias o caudales que se reciban en tiempo real, como datos de entrada y al correr el modelo se obtendrán los hidrogramas de niveles y/o generados como datos de salida los cuales serán utilizados para predecir las crecientes o valores máximos de niveles y caudales y el tiempo en que se presentará la creciente. Existen diferentes clases de modelos hidrológicos que pueden utilizarse para Predicción Hidrológica y cada uno de ellos tiene ventajas y desventajas para su operación, dependiendo de la situación para la cual se requieran y el tipo de amenaza que se quiera predecir. La escogencia del modelo que se debe utilizar para cada caso depende de muchos factores entre los cuales debe tenerse en cuenta el costo del modelo, montaje, calibración y operación del misma, tamaño de la cuenca, precisión requerida, intervalo de tiempo de los datos de entrada disponibles etc. 6.2 RED DE ALERTAS HIDROLOGICAS Consiste en una red de estaciones hidrometeorológicas de las cuales se transmiten datos a una Central de Recepción.

6.2.1 DISEÑO DE LA RED DE ALERTAS HIDROLOGICAS


7

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM El diseño de una red de alertas debe ceñirse a los criterios para el diseño de una red hidrológica en lo que se refiere a representatividad principalmente. Sin embargo lo más importante a tener en cuenta es la problemática por la cual se desea montar y operar una red de alertas hidrológicas. Generalmente dicha problemática está asociada a desbordamientos periódicos del río y/o a inundaciones en la parte baja de la cuenca o a optimización de la operación de embalses. Para el diseño de la Red de Alertas Hidrológicas deberán tenerse en cuenta los siguientes factores:

6.2.1.1 AREA Y FORMA DE LA CUENCA El área y forma de la cuenca están directamente relacionados con el Tiempo de Concentración de la cuenca o sea el tiempo que tarda en llegar una gota de agua lluvia desde el punto más alejado de la cuenca a la estación de control de la misma. El Tiempo de Concentración será también el tiempo de que disponen las personas que puedan ser afectadas por una creciente para tomar las medidas preventivas correspondientes. Por tal razón la primera decisión que debe tomarse es si el tiempo de concentración es lo suficientemente amplio para instalar estaciones hidrológicas de alertas en las subcuencas localizadas en la parte alta de la cuenca o si sólo se deben instalar pluviómetros para estimar con valores de lluvia los caudales que se puedan presentar en la parte baja de la cuenca. En igual forma el tiempo de concentración de la cuenca será determinante para decidir que sistema de comunicación es el más adecuado como se verá más adelante.

6.2.1.2 REPRESENTATIVIDAD En igual forma es importante tener al menos un estimativo del régimen climático e hidrológico de la cuenca: -Climático para determinar el patrón de lluvias en la parte alta con lo cual podrá deducirse, de acuerdo con el área de la cuenca, si una sóla o unas pocas estaciones pluviométricas cubren toda la cuenca alta o si por el contrario deben instalarse más estaciones. -Hidrológico para determinar el número de estaciones hidrológicas de acuerdo con las subcuencas de la parte alta de la cuenca y las que aportan mayores volúmenes de agua a las crecientes.

6.2.2 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN na vez se han definido el tipo de estaciones a instalarse deberá tenerse en cuenta el tipo de comunicación con que se transmitiran los datos de las estaciones a la Central de Recepción de datos. Los principales sistemas de comunicación son los siguientes: Radio. Supone una central receptora con su antena y radios estáticos o portátiles. La información podrá transmitirse por voz mediante un operario que envía el dato después de observarlo en la estación y otro que recibe la información, o por transmisión automática desde cada estación a la central receptora en donde se van acumulando los datos con la frecuencia que se requiera. Teléfono. De similares características a los anteriores y limitado por la existencia de red telefónica.


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ESTACION HIDROMETRICA AUTOMATICA

Satélite. Supone una central receptora con su antena y estaciones registradoras automáticas que envían la información vía satélite a la Central Receptora. La información puede ser enviada con los intervalos de tiempo que se requieran pero en el caso del satélite GOES, que es el utilizado por el IDEAM, los datos se reciben cada cuatro horas, lo cual puede ser una limitante muy importante en cuencas pequeñas con tiempos de concentración menores. Como puede verse el Sistema de Comunicación que se seleccione debe estar de acuerdo con las características de la cuenca y el tipo de alerta que requiere darse. La comunicación vía radio ofrece la ventaja de transmitir no sólo datos sino otro tipo de información importante y además la posibilidad de comunicarse con otras centrales u organismos de socorro en caso de alguna emergencia.

6.2.3 OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE LA RED DE ALERTAS La operación de la red se refiere a las visitas de calibración y mantenimiento de las estaciones de la red y a la central de recepción. Dichas visitas deberán ser periódicas de carácter preventivo y aperiódicas cuando alguna estación o la Central de recepción presenten problemas de operación o transmisión. Dichas visitas deberán ser realizadas por técnicos especialistas. Normalmente el mantenimiento y operación de la Red de Alertas se contrata con la empresa que suministra e instala los equipos. 6.3 MANEJO DE LA INFORMACION EN TIEMPO REAL La información que se recibe de las estaciones de la Red de Alertas es almacenada en un computador anexo a la Central de Recepción el cual contiene el Software suministrado por la misma firma que suministra las estaciones y mediante el cual es posible procesar la información y correr los programas, graficadores y modelos que se requieran para la predicción hidrológica. Posteriormente dicha información es transferida al Banco de Datos del IDEAM. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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VARIACION DE LOS NIVELES DE ESTACIONES SOBRE EL RIO CAUCA Actualmente, en el Servicio de Información Ambiental del Ideam en Bogotá se reciben datos horarios de aproximadamente 90 estaciones meteorológicas e hidrológicas automáticas. Cada cuatro horas se reciben los datos horarios de una estación y en el siguiente minuto se reciben los datos de otra estación y así sucesivamente durante el día. Cuando se registren datos por encima o debajo de los rangos que se establezcan para cada estación el sistema puede ser programado para que envíe una bandera o alerta. Además de la información horaria en tiempo real proveniente de las estaciones automáticas, se reciben datos de más de 100 estaciones que transmiten la información de lluvias o niveles de los ríos vía radio o teléfono directamente al Servicio de Información Ambiental. en las primeras horas de la mañana. Con la información meteorológica que se recibe continuamente de las imágenes de satélite de la NOAA y del Goes, se pueden identificar las zonas donde se están presentando las mayores precipitaciones. De otra parte con la información de precipitación en las ultima 24 horas de cerca de 400 estaciones, y los pronósticos meteorológicos a corto plazo se complementa la información hidrológica para la elaboración del informe hidrológico. El IDEAM cuenta además con algunas herramientas estadísticas para el análisis de eventos extraordinarios, con la información histórica de la Base de Datos, donde se pueden consultar los datos horarios, diarios, mensuales, anuales y multianuales de los niveles, para de esta manera


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM establecer en que rangos están fluctuando los niveles, y los máximos valores registrados históricamente en cada estación. En igual forma con los valores máximos históricos es posible establecer los periodos de retorno de los eventos que se presenten o puedan ocurrir. Con esta información disponible y con las cotas de nivel critico conocidas, el IDEAM realiza una vigilancia hidrológica permanente y diariamente se envía vía INTERNET el Informe Hidrológico y los niveles de los principales ríos del país los cuales pueden ser consultados en la página web del IDEAM. 6.4 SITUACION ACTUAL DEL GRUPO DE PREDICCION Y ALERTAS HIDROLOGICAS DEL IDEAM. Los primeros pasos en la elaboración de la red de alertas hidrológicas se dieron en el año 1976 con la asesoría de la Agencia Canadiense para el Desarrollo Internacional ACDI. El sistema funcionaba a través de radios localizados en algunas estaciones hidrológicas de donde se transmitían a centros regionales de acopio vía teléfono o HF , para posteriormente transmitirlos al centro nacional de comunicaciones en el antiguo Himat. En el año 1.989 se instalaron las primeras estaciones automáticas de transmisión vía Satélite. En la actualidad, los profesionales de la subdirección de Hidrología realizan turnos en el Servicio de Información Ambiental para el seguimiento continuo del comportamiento hidrológico en los principales ríos del país. Cada profesional que realiza turnos, actualiza el Informe Hidrológico y las gráficas de niveles de los principales ríos en la pagina Web del Ideam en Internet. En caso de identificarse una creciente súbita o un evento hidrológico extremo se elabora el Aviso o Boletín respectivo y se le comunica a la Dirección Nacional de Atención y Prevención de Desastres DNAPD, Defensa Civil y Cruz sobre la situación presentada, para que ellos tomen las acciones necesarias. 6.5 ZONAS SUSCEPTIBLES A INUNDACIONES. Dentro de los procesos de planificación en zonas de desarrollo muchas veces no se incluye las medidas para reducir los peligros naturales que causan malestar a la población y pérdidas económicas que podrían ser atenuados parcialmente. Los entes planificadores deben evaluar los peligros naturales desde las primeras faces de los proyectos de inversión en donde se debe incluir la manera de mitigar los efectos causados por inundaciones, movimientos sísmicos, erupciones volcánicas y otros fenómenos naturales de origen catastrófico. Es importante definir el peligro natural como "aquel elemento del medio ambiente físico, o del entorno físico, perjudiciales al hombre y causados por fuerzas ajenas a él" (Burton 1978). Más exactamente el peligro natural está relacionado a los fenómenos atmosféricos, hidrológicos, geológicos (sísmicos, volcánicos) o aquellos originados por el fuego que, por razón del lugar en que ocurren, su severidad y frecuencia, pueden afectar a los seres humanos, las in infraestructuras como viviendas, carreteras, u otras actividades. Dentro de los fenómenos hidrológicos se consideran las inundaciones de ríos, inundaciones costeras, desertificación, sequía, erosión y sedimentación, salinización y otros relacionados con el agua como son los de origen geológico. En este manual se Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM referirá concretamente al peligro natural hidrológico de las inundaciones y las formas de mitigar su impacto por medio de los mapas de amenazas. Ref. 6 Para la preparación de proyectos de inversión dentro de un estudio de planificación integrada para el desarrollo de áreas propensas a peligros naturales es necesario que en sus etapas preliminares se consideren los estudios de mitigación para obtener la información básica necesaria con el fin de ponderar y definir la magnitud de los fenómenos. La determinación de las zona suceptibles a ser inundadas debido a la magnitud y frecuencias de un evento peligroso deben ser utilizados por los planificadores para identificar los efectos del fenómeno, los problemas y oportunidades de las áreas propensas al peligro. La información sobre lo que representa un evento peligroso como las inundaciones y los mapas de amenazas deben ser utilizados y consultados en el diagnóstico y en la proyección en áreas de desarrollo con el fin de identificar las zonas suceptibles a inundaciones, ordenar el uso de la tierra y establecer en forma preliminar medidas de mitigación. Las inundaciones son un evento natural y recurrente en todas las corrientes de agua y son el resultado de precipitaciones intensas o de lluvias continuas que al sobrepasar la capacidad de retención del suelo y la capacidad de los cauces de los ríos inunden tierras adyacentes. Las llanuras de inundación, son en general, aquellos terrenos sujetos a inundaciones recurrentes con mayor frecuencia y ubicados en las zonas aledañas a los ríos. Las llanuras de inundación son, por tanto, propensas a inundación y un peligro para las actividades de desarrollo si la vulnerabilidad de éstas excede un nivel alto. Se pueden observar las llanuras de inundación desde varias perspectivas diferentes: La definición de llanuras de inundación depende de las metas que se propongan. Como condición topográfica y fisiográfica, es una zona muy plana y se encuentra al lado de un río; geomorfológicamente, es una forma de terreno compuesto de material depositado no consolidado, procedente del material transportado por el río; y la condición hidrológica la define como un área de terreno sujeta a inundaciones periódicas producidas por la crecidas del río principal. Una combinación de estas características cubre los criterios esenciales para definir una planicie inundable. Una definición sencilla de una planicie de inundación sería como una franja relativamente plana aledaña a un río susceptible a desbordamientos de las aguas durante los períodos de aguas altas o de crecidas.Ref.6

6.5.1 OBJETIVO. Proporcionar los lineamientos y guías para la elaboración de mapas de las zonas suceptibles a inundaciones con el fin de ordenar el uso del suelo, establecer medidas de mitigación y obtener la herramienta analítica para evaluar la vulnerabilidad de la infraestructura y el riesgo de las áreas pobladas, carreteras, ferrocarriles, zonas de cultivo, e infraestructura en general.

6.5.2 MAPAS DE AMENAZAS DE INUNDACIÓN Dentro del estudio de las inundaciones se deben diferenciar dos clases de corrientes naturales de acuerdo a su comportamiento: los ríos de régimen fluvial y ríos de régimen torrencial. Los primeros fluyen en cauces generalmente anchos y su caudal aún en estiaje es permanente y relativamente considerable. Dado que estos cursos de agua cuenta con cuencas bastante extensas que aportan Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM una buena cantidad de agua y a su vez se componen de una densa red de drenaje y afluentes, la escorrentía producida por tormentas aisladas y locales, no llegan a tener una incidencia en la propia magnitud del caudal, cuyas crecidas de importancia obedecen únicamente a lluvias prolongadas que afectan una parte de la cuenca especialmente en sus zonas bajas. Las crecidas así producidas son inicialmente lentas y tienen una larga duración y cuando se exceden a la capacidad de los cauces se producen los desbordamientos inundando las zonas ribereñas. La primera parte de este manual se referirá a esta clase de ríos. Los ríos de régimen torrencial, por el contrario, la cuenca de aporte es reducida y su caudal de estiaje es pequeño y a veces nulo. La sección transversal de los cauces suele ser estrecha y abrupta, con pendientes fuertes e irregulares que sobrepasan generalmente el 5%. En los torrentes el aumento de los caudales se producen solo al recibir la cuenca la acción de las tormentas durante determinadas épocas del año, los que generan crecidas repentinas de corta duración. Existen dos clases de torrentes de acuerdo a las condiciones fisiográficas de sus cuencas, el torrente propiamente dicho y el arroyo; el primero corresponde a cuencas con cobertura vegetal suficiente para retener mantener cierto caudal durante los estiajes, su comportamiento es de caudales permanentes; el segundo presenta otra fisonomía con características de regiones secas, su comportamiento de los caudales es intermitente, solamente en épocas de fuertes precipitaciones producen grandes crecientes de picos altos de corta duración que trasforman en extremadamente peligrosos los arroyos ocasionando muchas veces una fuerte erosión en los cauces, transportando por ello abundante material sólido que va depositando lo largo de los tramos inferiores del arroyo.

6.5.3. ANÁLISIS DE PLANICIES INUNDABLES DE RÍOS DE RÉGIMEN ALUVIAL. Las llanuras o planicies de inundación son amplias áreas usualmente secas adyacentes a los ríos, sujetas a inundaciones periódicas. Las causas más comunes que provocan las inundaciones son las crecientes de los ríos y las ocasionadas por tormentas severas u huracanes en las zonas costeras. Las planicies inundables están localizadas en valles angostos poco extensos, generalmente en zonas bajas de los ríos de régimen torrencial o en amplias llanuras situadas a lo largo y ancho de los ríos aluviales de baja pendiente. Ref. 6 Debido a su naturaleza siempre cambiante las planicies inundables deben ser analizadas para determinar la forma en que pueden afectar el desarrollo o ser afectadas por él. Además es analizar como es la evolución de esos volúmenes de agua sobrantes sobre las planicies de inundación cuando el caudal del río principal excede la capacidad de su cauce y su expansión a medida que aumenta los niveles. Para conocer el comportamiento de esos grandes volúmenes de agua sobre las planicies inundables es necesario demarcar como primera medida las llanuras de inundación en mapas base elaborados por medio de técnicas cartográficas apropiadas, métodos que pueden ser dinámicos o estáticos. Los dinámicos son técnicas tradicionales en donde se utilizan modelos hidrológicos mediante información generada a través de mediciones de campo continuas con el objetivo principal de obtener períodos de retorno o la frecuencia de los eventos de las inundaciones, los volúmenes de


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM los caudales, niveles y máximas crecidas. Estos parámetros son importantes para suministrarle un valor ponderado al riesgo del desarrollo en una planicie inundable. Las técnicas estáticas utilizan las imágenes de satélite para caracterizar las áreas de inundación en un momento particular de tiempo, que si bien es necesario contar con información histórica dinámica sobre las inundaciones, estas pueden proporcionar datos útiles para conocer y evaluar la magnitud del fenómeno especialmente en las faces de diagnóstico dentro de un plan de desarrollo integrado. Ref. 6 Para la evaluación de las inundaciones, las zonas afectadas y la elaboración de los mapas de amenazas es necesario adquirir la mayor información hidrológica y si es necesario obtener los datos de campo complementarios de acuerdo a un diagnóstico previo. Se debe tener en cuenta también el conocimiento, lo más detallado posible, de la topografía de la superficie de la planicie inundable, especialmente su horizontalidad para lo cual es necesario revisar la cartografía existente y de acuerdo a la exigencia prevista se complementará con información apropiada de infraestructura como son vías, puentes, canales, embalses etc.

Cartografía (Mapas base) Imágenes de satéliteFotografías aéreasLandsat MSS y TMSPOT y AVHRR

Evaluación de riesgos de inundaciones

TopografíaHidrologíaVegetaciónGeologíaGeomorfologíaInfraestructuraAsentamientos HumanosUso de TierraCapacidad de la Tierra

Información Básica

Informes de desastres ydaños producidosAreas inundadas afectadascon anterioridad

InformaciónComplementaria

Determinación defrecuencia, magnitud deinundaciones y duración

Trabajo de CampoMediciones de topografía

Análisis digital

Demarcación de llanurasde inundación yevaluación del riesgo deinundaciones

Caracterización zonasinundables (Mapas)

Tomado de "Manual Sobre el Manejo de Peligros Naturales" O.E.A. Ref. 6 Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Otro aspecto importante es el conocimiento de la geomorfología y la clase y calidad de los suelos de las llanuras de inundación las cuales no son estáticas ni estables y están compuestas de sedimentos no consolidados que se mueven cada vez que se producen inundaciones formando nuevos estratos de lodo y arena. El conocimiento de los suelos ayuda al planificador en el ordenamiento del uso de las planicies inundables para optimizar su desarrollo de acuerdo a la frecuencia y duración y el grado de riesgo de las inundaciones o sea la probabilidad de pérdida en términos económicos. Ref. 6 El impacto de las inundaciones sobre los ecosistemas influyen en la degradación de los recursos naturales por lo cual deben ser considerados como un aspecto integral del proceso de planificación de las planicies inundables. La cobertura vegetal proporciona el hábitat de la fauna, el almacenamiento de nutrientes y otros beneficios que es vulnerable a los peligros naturales como son las inundaciones. Por esta razón es importante tener en cuenta el conocimiento sobre este aspecto en el desarrollo de estas zonas. El mapa de amenazas de inundaciones es la representación de la información relacionada con el fenómeno que muestran claramente la probabilidad de ocurrencia, el lugar, la amplitud o áreas afectadas y su severidad. Es la herramienta analítica para evaluar la vulnerabilidad y el riesgo cuando los mapas se relacionan con cartografía detallada de la infraestructura de las áreas susceptibles a inundaciones como áreas pobladas, carreteras, ferrocarriles, zonas de cultivo, etc. El presente instructivo o manual tiene como objetivo el de proporcionar una metodología en cada una de sus diferentes fases para la elaboración de un mapa de inundaciones con el fin de determinar e identificar el grado de expansión y riesgo de las áreas suceptibles a inundaciones con sus respectivas frecuencias.

6.5.4 BASE DE DATOS De acuerdo al objetivo principal y las metodologías para el análisis de zonas susceptibles a inundaciones y determinar el riesgo hidrológico mediante mapas de amenaza con diferentes períodos de retorno, es indispensable implementar una base de datos en donde se incorpore y organice la información disponible requerida para el análisis hidrológico, identificación georeferenciada de estaciones y sitios de interés, características morfométricas y fisiográficas de las cuencas y planicies inundables. Ref. 1 La información sobre precipitaciones medias y máximas, niveles, caudales, como también información de suelos, geomorfología, cobertura vegetal, debe involucrarse dentro de la base de datos. Se incluyen los aplicativos que se conformen para la agilización de los procesos respectivos. Esta información también es requerida como insumo o datos de entrada para la utilización de sistemas de información geográfica.

6.5.5 PREPARACIÓN DEL MAPA BASE DE LA PLANICIE INUNDABLE.


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Los mapas son las herramientas más efectivas de representar la ubicación geográfica de todos los puntos de interés tanto naturales como de infraestructura realizada por el hombre. El mapa puede ser definido como la representación geográfica plana de información mediante el uso de símbolos. El mapa base para un mapa de amenazas debe incluir principalmente la topografía del terreno representada por medio de curvas de nivel. La información sobre la elevación y las curvas de nivel son utilizadas como medio para demarcar la ubicación y la severidad de las inundaciones de acuerdo a su frecuencia. Un mapa base adecuado debe ser planimétrico, es decir, que muestre la información sobre un plano, con coordenadas planas y geográficas reales y debe tener información suficiente de referencia geográfica para orientar al usuario en la ubicación de los datos, resultado de los análisis del comportamiento de las inundaciones. Para la complementación de estos mapas se deben utilizar fotografías aéreas controladas, imágenes de radar y de satélite. Para elaborar el mapa base se debe realizar como primera medida la consulta de la información cartográfica existente y recolectar los mapas más adecuados de acuerdo a la escala establecida. Con base en estos mapas producir el mapa base definitivo digitalizado por medio de sistemas de información geográfica.

6.5.5.1 RESOLUCIÓN DE LAS COBERTURAS. Las escalas están condicionadas al tamaño del área afectada y la escala escogida determina el tamaño del área y la cantidad de información que puede ser presentada o incluida. El tamaño del mapa con una escala adecuada debe suministrar una información clara y precisa que muestre las áreas afectadas por las inundaciones de tal manera que el planificador pueda ubicar y proyectar las áreas de desarrollo con facilidad. Resulta evidente que para demarcar las diferentes alturas de inundación de acuerdo a su frecuencia es necesario obtener cartografía de detalle en escalas que pueden oscilar entre 1:5.000 y 1:25.000 con curvas de nivel con intervalos entre 0.25 y 0.50 metros. Debido a la dificultad que reviste la falta de cartografía con este detalle, se recomienda utilizar metodologías actuales para levantamientos cartográficos rápidos como por ejemplo la Ortofotografía Digital.

6.5.5.2 CARTOGRAFÍA POR MEDIO DE ORTOFOTOGRAFÍAS La Ortofotografía Digital produce mapas exactos por medio de fotografías aéreas, y genera el modelo digital del terreno con el intervalo entre curvas de nivel que se requiera y cuyo rendimiento es superior a cuatro veces el tiempo que se necesita para elaborar un mapa convencional. Con el modelo digital se puede trabajar con otros mapas expresados en forma digital como pueden ser imágenes de satélite. Estos mapas son los adecuados para la delimitación de las áreas inundables de acuerdo a los diferentes períodos de retorno determinados de acuerdo al análisis hidrológico de frecuencias. Ver aparte


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6.5.6 HIDROLOGÍA. La causa principal de la mayoría de las crecientes de los ríos son la incidencia de fuertes precipitaciones o las lluvias estacionales persistentes sucedidas en las partes altas de las cuencas. Sin embargo existen otros factores que influyen en aumentar los riesgos de crecidas súbitas que están relacionados con los represamientos naturales en donde se produce una recarga hidráulica con el aumento de los niveles aguas arriba y que en el momento de una ruptura a la falla de la misma produce una creciente de gran magnitud en términos de avalancha. Otras menos frecuentes son los producidos por deshielo que pueden ocasionar lahares de lodo y material suelto de grandes proporciones. Las presas durante los desembalses al paso de grandes crecidas o por el rompimiento potencial de las mismas. El análisis hidrológico tanto para planicies inundables como para la parte torrencial se refiere principalmente al estudio de una serie de fenómenos cuyas características y simultaneidad depende de gran medida de la magnitud de las crecidas o avenidas que puedan ocurrir. En las planicies inundables las crecidas son el producto de las precipitaciones prolongadas durante la temporada de lluvias en las zonas altas de la cuenca y cuya respuesta en los tramos bajos del río es lenta y donde el hidrograma de crecientes es extendido y atenuado en el tiempo. Cuando los niveles exceden la capacidad del cauce y a medida que estos se incrementan aumenta el flujo de desbordamiento sobre la planicie de inundación. El estudio hidrológico para las planicies inundables se refiere fundamentalmente a definir y delimitar las áreas máximas de inundación, la frecuencia con que se presentan, el tiempo que estará cubierta el área inundable y los períodos que se esperan que ocurran las inundaciones. En una cuenca pequeña se produce una crecida súbita cuando se presenta un núcleo de una tormenta que se sitúa sobre la cuenca produciendo una fuerte e intensa precipitación y esta a su vez incide sobre el área receptora. El exceso de agua o escorrentía se produce cuando la precipitación ha saturado completamente el suelo; esta se distribuye por todas las depresiones naturales del terreno las cuales se van llenando de agua paulatinamente los cuales comienzan a escurrir siguiendo la pendiente del terreno llegando finalmente a los cauces que van descargando sus caudales con velocidad de flujo cada vez mayor generando una corriente con altos niveles y velocidades que desciende violentamente por el cauce principal. Una vez terminada la lluvia los caudales disminuyen progresivamente hasta llegar a niveles normales de acuerdo a la capacidad de almacenamiento de la cuenca. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores se debe llevar a cabo un análisis cuantitativo del fenómeno de las crecidas para evaluar su magnitud y frecuencia en el tiempo, y para ello es necesario emplear la siguiente metodología.

6.5.6.1 INFORMACIÓN BÁSICA Recopilación de la información cartográfica, pluviométrica, hidrológica, geomorlógica, clase y uso de suelos, cobertura vegetal y estudios realizados.


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Contar en primera instancia con cartografía adecuada que abarque la totalidad de la cuenca y las zonas afectadas por los desbordamientos. Las escalas deben ser suficientemente amplias que identifiquen claramente la fisiografia e hidrografía de la cuenca. Deben contener curvas de nivel cuya escala y equidistancia sean suficientes para los fines requeridos. Ver aparte 11.5

6.5.6.2 ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Localizar en el mapa respectivo las estaciones pluviométricas, pluviográficas e hidrométricas existentes dentro y fuera de la cuenca. Obtener información pluviométrica a nivel diario y medio mensual multianual de las estaciones escogidas; realizar un análisis de la información pluviométrica para escoger la estación más representativa de la cuenca. Obtener los pluviogramas de las tormentas o aguaceros más intensos de cada año de información de la estación seleccionada. Muchas veces en cuencas medianas y pequeñas poseen una sola estación o ninguna y para estos casos es indispensable analizar las estaciones más cercanas a la cuenca y realizar un análisis de representatividad. Obtener la información de caudales y niveles medios mensuales y caudales máximos medios e instantáneos de la estación más cercana al sitio de interés.

6.5.6.3 DELIMITACIÓN DE LAS CUENCAS Y MORFOMETRÍA Sobre el mapa apropiado o base se delimita la cuenca de acuerdo a la configuración de las curvas de nivel tomando en consideración la línea de mayor altura o divisoria de aguas de tal manera que cubra la totalidad del área de drenaje del río en estudio. Se demarcan también las respectivas subcuencas que se ubiquen en su interior. Resaltar la red de drenaje propia de la cuenca. Sobre esta misma cartografía, obtener los parámetros morfométricos con base a las características físicas de la cuenca como son área total, perímetro, factor de forma, longitud del cauce principal, elevación media, pendiente media, pendiente media del cauce, forma de la cuenca, densidad de drenaje, y distancia al centroide. Ref. 1

6.5.6.4 DETERMINACIÓN DE LAS CRECIENTES MÁXIMAS EN RÍOS DE RÉGIMEN TORRENCIAL. Como se describió anteriormente el fenómeno de las crecidas es el incremento del caudal de un río a causa de la evolución de la escorrentía producido por la intensidad de precipitación sucedida sobre la cuenca. La representación de este proceso se hace por medio de hidrogramas de crecientes o de tormentas. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Para conocer el comportamiento de las crecientes máximas de un río de régimen torrencial se debe obtener la siguiente información: • Caudal pico de la creciente máxima probable que puede presentarse en la zona de interés • La distribución de los caudales en función del tiempo para toda la duración de una creciente. • El volumen total de agua aportado, o sea el escurrimiento global de la cuenca. • Determinación de la frecuencia de los caudales máximos con sus períodos de retorno

respectivo. Para determinar el caudal de crecida para el período de retorno deseado se puede tomar dos caminos; si existen registros de caudales, se puede realizar un análisis de frecuencia de caudales de crecientes; o si no existe información o registros de caudales, se debe llevar a cabo un análisis de relación lluvia - caudal con el propósito de calcular el caudal máximo de creciente. Proceso lluvia caudal. La escorrentía originada por la lluvia tiene varios componentes que influyen en los caudales de los ríos. Cada uno de estos componentes da una respuesta diferente al comportamiento de la lluvia en cuanto al caudal máximo o pico, al volumen generado y el tiempo de respuesta en la sección de interés. La influencia de cada componente en una cuenca hidrográfica depende del clima, la geología, la cobertura vegetal, el uso del suelo y la topografía. Determinar el hietograma de lluvia para los períodos de retorno deseados; construir el hidrograma unitario sintético para cada subcuenca o cuenca de drenaje según el caso, y calcular el hidrograma real de caudal máximo directo para cada cuenca o subcuenca. Ref. 1 y 2 Los hidrogramas de caudal determinados de cada subcuenca se transitan aguas abajo, los cuales se suman para calcular el hidrograma total definitivo en el área o sitio afectado por las inundaciones. Es importante anotar que en la práctica se tropieza con dificultades para la correcta determinación de los parámetros relacionados anteriormente, debido a que en la mayoría de las cuencas no cuenta con suficiente información o ninguna de caudales. Lo ideal es contar con información básica adecuada para obtener resultados lógicos contando aún con un análisis deductivo riguroso, esencialmente cuando se estudian fenómenos naturales como el hidrológico. Para ello es necesario contar con una serie de datos de caudales históricos observados y registrados, analizarlos estadísticamente y determinar luego la norma sistemática que gobierna dichos sucesos; desafortunadamente en el caso de los estudios que deben hacerse en las cuencas de comportamiento torrencial de nuestro país, muchas de ellas no existe información hidrológica. Es por ello que en estas cuencas se debe realizar análisis hidrológicos partiendo de las lluvias, de ahí que adquiere importancia los factores físicos de la cuenca como son los geológicos, geomorfológicos, de suelos y cobertura vegetal. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Los distintos métodos desarrollados para llegar a determinar los valores máximos de caudales de una cuenca se basan en restituir el hidrograma del escurrimiento producido por una tormenta dada, en función de las características de la misma y de una serie de parámetros específicos de la cuenca.

6.5.6.5 DETERMINACIÓN DE LAS CRECIENTES MÁXIMAS EN PLANICIES INUNDABLES. ANALISIS DE FRECUENCIA Con series anuales de caudales y niveles máximos en estaciones representativas se realiza un análisis de frecuencia caudales y niveles respectivamente utilizando las metodologías de análisis de extremos. Los sistemas hidrológicos son afectados muchas veces por eventos extremos como son las tormentas severas, crecidas de los ríos y los estiajes o sequías. La magnitud de un evento extremo está inversamente relacionada con su frecuencia de ocurrencia o sea que los eventos severos se suceden con menor frecuencia que los eventos moderados. Si se requiere determinar el caudal máximo de una creciente para períodos de retorno diferentes, como parámetro de entrada para el análisis de las inundaciones es determinar el caudal instantáneo máximo anual correspondiente a un período de retorno Tr o a una probabilidad de excedencia 1/Tr en la estación hidrométrica de referencia sobre el mismo cauce y cercana al sitio de interés. Se requiere que en la estación exista un registro de caudales máximos anuales con una longitud mínima de 10 de años para que los resultados del análisis sean confiables. El análisis debe basarse en un ajuste de la distribución de probabilidad de extremos Tipo I, o de Gumbel de acuerdo con la expresión general del análisis de frecuencia de Ven Te Chow, Ref. 1y 2 QTr = Qmax + K (Tr, n ) Smax En donde: QTr es el caudal instantáneo máximo anual correspondiente a un período de de retorno de Tr años. Qmax y Smax son respectivamente el promedio y la desviación estándar de la serie anual de caudales instantáneos máximos compuesta por n elementos. K(Tr, n) es el factor de frecuencia Tr y a una longitud de registro de n años. El análisis de frecuencia a partir de la precipitación máxima se realiza estableciendo la distribución temporal de la lluvia efectiva media sobre la cuenca de drenaje en estudio, aplicable al método de transformación lluvia - caudal (hidrograma unitario) El análisis de frecuencia para un registro continuo de datos extremos estos pueden ser graficados en papeles de probabilidad diseñados especialmente los cuales se ajustan con una línea con propósito de interpolación y extrapolación. El método más utilizado para la posición gráfica es con la ecuación de Weibull la cual tiene la mejor justificación estadística. Ref. 2


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Se obtiene los registros de lluvias diarias (24 horas), máximas anuales y pluviogramas de precipitaciones intensas significativas de estaciones pluviográficas representativas de la cuenca en estudio; también se toman los registros de lluvias diarias máximas anuales de pluviómetros. Se escogerán los aguaceros más importantes elaborando promedios representativos de las relaciones para la determinación del hietograma de precipitación efectiva.

6.5.6.6 UTILIZACIÓN DEL HIDROGRAMA UNITARIO. El hidrograma unitario de la escorrentía directa resulta de una precipitación efectiva de cierta cantidad, por ejemplo 1 mm., que se produce uniformemente sobre le área de la cuenca, con una intensidad constante, durante un período de tiempo o duración específica. Con la ecuación de convolución se determina la escorrentía directa Qn dado un exceso de lluvia Pm y el hidrograma unitario U.

∑<=

=

+−=Mn

mnmn mUPQ

1

1

Con el hidrograma unitario se determina los hidrogramas de escorrentía directa y de caudal. Ref. 2

6.5.6.7 FRECUENCIA DE LAS INUNDACIONES. Se considera que la inundación anual para el análisis de frecuencia y el intervalo de recurrencia o período de retorno (Tr) que es el recíproco de la probabilidad (1/Tr) es la unidad representativa para su evaluación. Normalmente la inundación anual es considerada como el evento más importante dentro del comportamiento periódico de las inundaciones. Por ejemplo una inundación de 100 años se refiere a un evento o un área expuesta a un 1% de probabilidad que ocurra una inundación de una determinada magnitud en cualquier año dado, de igual manera los ríos igualarán o excederán la inundación media cada 2.33 años. Las planicies inundables de algunos ríos, sin embargo, son inundadas con una frecuencia de 10 años o más, como también puede presentarse frecuencias más cortas. En algunas zonas puede suceder que después de un número de años de intensa actividad de inundaciones son seguidas por otro número de años sin ser afectadas por inundaciones. Este comportamiento conlleva en que en estas áreas puede surgir un tipo de desarrollo y de ser ocupada en el período con menor actividad de inundaciones exponiéndose al riesgo de ser inundadas a medida que se va cumpliendo el respectivo ciclo.

6.5.6.8 DURACIÓN DE LAS INUNDACIONES El tiempo durante el cual una llanura de inundación permanece inundada depende del estado y la altura de los niveles, caudales y gradiente hidráulico y el comportamiento climático de la cuenca. Si


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM se trata de cuencas pequeñas y de ríos de régimen torrencial, las inundaciones inducidas por las precipitaciones intensas generalmente duran solamente unas horas o unos pocos días, pero en el caso de ríos grandes con grandes planicies inundables la descarga del canal principal puede exceder su capacidad durante varios meses de acuerdo a la magnitud de la inundación y sus condiciones de almacenamiento y de drenaje. El agua almacenada en una planicie de inundación generalmente vuelve a los cauces de los ríos a medida que los caudales disminuyen y bajan los niveles. En las grandes zonas inundables bordeadas de diques naturales, con complejos lagunares de regulación natural con caños interconectados, el agua puede drenar muy lentamente ocasionando una inundación o embalse que dure varios meses como ocurre en el la zona baja inundable del río Magdalena.

6.5.6.9 MODELACIÓN HIDROLÓGICA E HIDRÁULICA. Se debe seleccionar el modelo apropiado para simular el movimiento del agua. Los modelos escogidos deben ser dinámicos que describan en forma matemática el movimiento del agua en una cuenca hidrográfica o en un canal definido. La definición del modelo depende entonces del fenómeno considerado y de la propia esquematización aplicada la cual depende directamente de los objetivos del modelo. Con respecto a lo anterior se debe escoger el modelo ya aplicado y comprobado de acuerdo a sus bondades, evaluar sus ventajas y desventajas para luego adaptarlo a las condiciones propias del sistema fluvial del tramo en estudio. El objetivo de un modelo hidrológico es analizar y simular debidamente el comportamiento del sistema mediante operaciones matemáticas utilizando lenguajes de programación en computadores. El modelo matemático que simula el comportamiento hidrológico de una cuenca es una aproximación al funcionamiento real del sistema en donde su estructura es un conjunto de ecuaciones que son variables hidrológicas las cuales conectan las entradas y salidas. El modelo hidrológico agiliza el análisis y el proceso de la relación lluvia caudal para la obtención de los parámetros o datos indispensables como son los hidrogramas de entrada de medios y máximos caudales procedentes de la cuenca aferente a las zonas inundables y demás parámetros hidrológicos. Existen varios modelos implementados de relación lluvia-caudal que de acuerdo al tamaño de las cuencas y datos de entrada dan respuestas aceptables. Por ejemplo el HEC-1 del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos y el U.S. Soil Conservation Service. En estos modelos el tránsito de los caudales en la cuenca alta se realiza para determinar el tiempo de traslado y la magnitud del caudal en un punto determinado del curso del agua, utilizando hidrogramas conocidos o generados hacia agua arriba. El traslado de caudales por el cauce puede considerase, para estos casos, como un análisis para seguir el caudal a través de un sistema hidrológico, dado un hidrograma de entrada, esto es lo que se denomina tránsito agregado de crecientes (Propagación de avenidas). El tránsito por métodos de sistemas agregados se conoce Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM también como tránsito hidrológico, como por ejemplo, el método conocido de propagación de crecientes de Muskingum. (1) Otro método especialmente usado en modelos hidrológicos es el de onda cinemática para transitar el hidrograma de escorrentía. Ref. 2 Una vez determinados los parámetros hidrológicos de la cuenca como son los caudales máximos para los períodos de retorno deseados a la entrada de la planicie inundable, se debe establecer la línea de superficie a lo largo del cauce principal que a su vez determina la profundidad del flujo y la altura y extensión de la inundación, es decir el traslado de la creciente a lo largo del canal principal y la llanura inundable adyacente. El traslado de los caudales a lo largo de los cauces de los ríos aluviales que atraviesan grandes planicies inundables o de una red de canales fluviales en el espacio y en el tiempo especialmente en aquellas planicies inundables en donde es un problema bastante complejo. La propagación del flujo en ríos naturales en grandes zonas planas inundables es un problema bastante difícil de simular debido a varios factores como son salidas y entradas de tributarios, variación del cauce en varios brazos, islas, variación del ancho y del fondo, meandros, variación de la pendiente y las variaciones en la resistencia tanto con la profundidad de flujo como con la localización a lo largo del río, áreas inundadas y meandros en el río. La relación entre el canal principal y la planicie inundable en cuanto al intercambio de agua de desbordamiento con las zonas inundadas y más aún con el sistema natural de regulación como las ciénagas, son los factores que afectan el tránsito de las crecientes.

6.5.6.9.1 Descripción del Modelo Hec-2 (Ref. 7) Base Teórica para el Cálculo de Perfiles. Metodología empleada en el HEC-2 para calcular perfiles hidráulicos. El modelo Hec-2 fue desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos de América, con el fin de efectuar el transito de caudales en cauces naturales utilizando para ello la teoría de flujo en canales desarrollada por Manning, en la cual se involucran las condiciones hidráulicas de la corriente más sobresalientes como son: a) Pendiente en el tramo b) Rugosidad del lecho c) Area de la sección transversal d) Influencia de obstrucciones en la sección. e) condiciones del flujo ya sea crítico o subcrítico. etc. El programa está destinado para el cálculo de secciones transversales con flujo de variación gradual para canales naturales o artificiales. El procedimiento de cálculo se basa en la solución de la ecuación de la energía unidimensional con pérdida de energía debido a la fricción según lo considera la ecuación de Manning, el método de cálculo se conoce generalmente como el método convencional por pasos.


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM El objetivo del programa es bastante simple, calcular elevaciones del nivel del agua en el canal de estudio en los puntos de interés para valores dados de flujo. Los datos requeridos para efectuar estos cálculos incluyen: El régimen del flujo, la elevación inicial del nivel, el caudal y los coeficientes de pérdida por fricción de Manning, las características geométricas de la sección transversal y las longitudes del tramo. Los cálculos del perfil se inician con una sección transversal con condiciones iniciales conocidas y se desarrolla hacia aguas arriba si el flujo es subcrítico o hacia aguas arriba si el flujo es supercrítico. Ecuaciones para el Cálculo Básico de Perfiles. Las siguientes dos ecuaciones se resuelven por un procedimiento iterativo (el método convencional por pasos) para calcular la elevación incógnita de la superficie del agua en la sección transversal:

22 2

2

11 1

2

eWS + V2g

= WS + V2g

+ hα α (1)

e f2 2

21 1

2

h = L S + C| V2g

+ V2g

|α α (2 (1)

donde: WS1,WS2 = cotas de las superficies del agua en los tramos V1,V2 = velocidades medias (caudal total ¸ áreas totales de flujo en los extremos de

tramo. a1,a2 = coeficientes de velocidad para el flujo a extremos del tramo g = aceleración de la gravedad he = pérdida de la carga de energía L = longitud del tramo ponderada con caudal Sf = pendiente de fricción representativa para el tramo C = coeficiente de pérdida por expansión o contracción La longitud del tramo L ponderada con caudal, se calcula con:

L = L Q + L Q + L QQ + Q + Q

lob lob ch ch rob rob

lob ch rob (3)


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Subdivisión de Secciones Transversales La determinación de la conducción total y del coeficiente de velocidad para una sección transversal requiere que se subdivida al flujo en unidades para las cuales la velocidad está uniformemente distribuida. El enfoque empleado en el HEC-2 subdivide el flujo en las áreas de sobreborde empleando las estaciones de sección transversal ingresadas (coordenadas x) como la base para la subdivisión. La conducción se calcula dentro de cada subdivisión mediante la siguiente ecuación (en unidades inglesas):

k = 1.486n

a r2 / 3 (6)

donde: k = conducción en la subdivisión n = coeficiente 'n' de Manning para la subdivisión a = área del flujo en la subdivisión r = radio hidráulico en la subdivisión (el área dividida por el perímetro mojado). La conducción total en la sección transversal se obtiene sumando las conducciones incrementales. El flujo en el canal principal no esta subdividido excepto cuando el coeficiente de rugosidad se cambia dentro del área del canal. El HEC-2 ha sido modificado para probar la aplicabilidad de la subdivisión de rugosidad dentro de la porción del canal de una sección transversal, y si no es aplicable, el programa calculará un valor compuesto de 'n' para el canal entero. El programa determina si es que la porción del canal en la sección transversal se puede subdividir o si es que se empleará un valor compuesto de 'n' en base al siguiente criterio: si la pendiente lateral de un canal es mayor que 5H:1V y se ha subdividido la sección transversal, entonces se computará un coeficiente compuesto de rugosidad 'nc' (Ecuación 6-17, Chow, 1959). La pendiente lateral del canal empleada por el HEC-2 se define como la distancia horizontal entre estaciones NH adyacentes dentro del canal sobre la diferencia en elevación de esas dos estaciones Para la determinación del 'nc', se divide imaginariamente la superficie del agua en N partes cada una con un perímetro mojado conocido Pi y un coeficiente de rugosidad ni

c

i1.5i

2 / 3n = [

Ni =1

( P n )

P]

∑

(7)

donde: nc = coeficiente compuesto o equivalente de rugosidad P = perímetro mojado de la sección transversal Pi = perímetro mojado de la subdivisión imaginaria i ni = coeficiente de rugosidad de la subdivisión imaginaria i Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM El coeficiente compuesto 'nc' calculado debe ser controlado para verificar su coherencia. El valor calculado es el valor 'n' del canal en las tablas de sumario detalladas. Coeficiente de Velocidad El coeficiente de velocidad a se calcula con base en la conducción en los tres elementos del flujo : sobremargen izquierdo, sobremargen derecho y el canal. Se obtiene mediante la siguiente ecuación :

α =( A ) [ ( K )

( A )+ ( Kch )

( A )+ ( K )

( A )]

( K )

t2 lob

3

lob2

3

ch2

rob3

rob2

t3 (8)

donde: At = área total de flujo en la sección transversal Alob,Ach,Arob = áreas de flujo del sobreborde izquierdo, del canal principal y del sobreborde derecho, respectivamente Kt = transporte total en la sección transversal Klob,Kch,Krob = transporte del sobreborde izquierdo, del canal principal y del

sobreborde derecho, respectivamente. Determinación de la Pérdida por Fricción En el HEC-2 se determina la pérdida por fricción mediante el producto de Sf, y L, donde Sf es la pendiente de fricción representativa en un tramo y L se determina con la Ecuación 3. Expresiones alternativas para Sf que se pueden obtener en el HEC-2 son las siguientes: Ecuación de Transporte Promedio

f1 2 2S = ( Q + Q

K + K)

1 2 (9)

Ecuación del Promedio de la Pendiente de Fricción

ffS = S + S

21 f 2 (10)

Ecuación de la Media Geométrica de la Pendiente de Fricción Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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f f fS = S S1•

2 (11)

Ecuación de la Media Armónica de la Pendiente de Fricción

ff f

f fS =

2 S SS + S

1 2

1 2

• (12)

La ecuación 7 es la ecuación por omisión empleada por el programa; es decir, se emplea automáticamente a menos que se indique una ecuación diferente al introducir datos.

Secciones

SecciónA

Aluvión

Tr de 100 años

Base de falda

Tr de 10 años

SecciónB

Valle

Canal

Planicie de inundación

para la creciente de

100 años

Planicie de

inundación

Planicie de

inundación

Secciones y perfiles típicos en un tramo del valle de una corriente sin obstrucciones

Tomado de "Hidrología Aplicada" de Vent Te Chow

6.5.7 DEMARCACIÓN DE LAS ÁREAS DE INUNDACIÓN. Una vez que se han obtenido los resultados de los análisis hidrológicos y preparado la cartografía base de las zonas afectadas, se efectúa la delineación y demarcación de la áreas correspondientes a la planicie de inundación. La extensión lateral de la planicie de inundación se determina por medio de las secciones transversales en donde se han predeterminado los puntos de elevación o altura de las inundaciones de acuerdo a los diferentes períodos de retorno

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Fuente: "Corporación Autómoma Regional de Cundinamarca" CAR

6.5.8 INFORMACIÓN BÁSICA DE CAMPO Para efectos de realizar los análisis del comportamiento de los niveles de inundación en el trayecto del río que comprende las áreas afectadas por los desbordamientos es necesario realizar trabajos de campo, especialmente en el cauce y las zonas aledañas al río. La información que se requiere consiste obtener la definición geométrica y topográfica de secciones del río y las condiciones de frontera en el trayecto de interés. Las siguientes son las actividades y mediciones de campo que deben realizarse en todo el trayecto del río en estudio: Sobre cartografía en escala apropiada, en donde se aprecie claramente las formas horizontales del río, proyectar una poligonal topográfica de referencia en la margen más apropiada y las posibles secciones transversales con sus respectivos puntos de nivelación. Levantamiento de puntos topográficos y de altura de precisión georeferenciados como información de referencia para los levantamientos cartográficos y topográficos. Medir secciones transversales a lo largo del cauce del río principalmente en distancias predeterminadas teniendo en cuenta los sitios que presenten cambios significativos de anchos, en las confluencias de brazos y afluentes con el fin de obtener un ancho promedio del río. Levantar el Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM perfil de las obras estructurales construidas sobre el río por ejemplo la luz entre estribos o pilares y el gálibo de los puentes. El perfil transversal del río (cauce) se tomará de acuerdo a las condiciones que presente; si el cauce presenta poca profundidad y las velocidades del flujo del agua lo permite se puede realizar por medio de métodos topográficos convencionales como por ejemplo niveleción co

6.5.8.1 PUNTOS CRÍTICOS DE DESBORDAMIENTOS. Uno de los aspectos más importantes dentro de la prevención y mitigación de las inundaciones es la vigilancia constante de los niveles de los ríos especialmente durante los períodos húmedos o de aguas altas con el fin de dar un aviso oportuno a las poblaciones ribereñas asentadas en las planicies inundables. Estas poblaciones en su gran mayoría están localizadas dentro de los lechos mayores de los ríos los cuales están sometidos a soportar periódicamente desbordamientos en varios sitios de sus áreas urbanas y rurales. Para conocer exactamente las cotas críticas de inundación en esos sitios es necesario realizar levantamientos topográficos relacionados con la mira o limnímetro de la estación automática o de radio más cercana, con el fin de obtener puntos de referencia válidos que sirvan de orientación en la sugerencia para la declaración de un aviso, advertencia o alerta que es expedido por el IDEAM a través del Servicio de Información Ambiental por medio de un comunicado.

6.5.8.2 OBJETIVO DE LAS MEDICIONES DE CAMPO.

Determinación de puntos críticos y cotas de inundación de las áreas más susceptibles a inundaciones en las poblaciones ribereñas localizadas en las zonas bajas de los ríos, a través de nivelaciones de precisión relacionadas a cota real y georeferenciación de los mismos. Obtener información de campo de comprobación y apoyo para la caracterización de las planicies inundables y como parámetros de entrada de los modelos aplicados.

6.5.8.3 METODOLOGÍA. Obtener cartografía a escala 1:100.000 para ubicar los trayectos programados y localizar los puntos críticos de inundación. En las poblaciones se realiza un recorrido por los sitios de posibles desbordamientos preguntando a sus habitantes sobre los niveles presentados en los últimos años y se observan las huellas de inundaciones pasadas y altura de los diques naturales. Se establecen los sitios más bajos para realizar su localización topográfica. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM En estos sitios se realiza el levantamiento de la configuración de la orilla por medio de una estación topográfica y se refieren a partir de un NP del IGAC. Si esto no es posible, se toma como referencia el nivel del agua en el sitio tomando la lectura de la mira más cercana para relacionar ese nivel de agua a la medición en el sitio de interés. Tabla N°1 En lo posible se localizan puntos de nivelación de precisión (NP de IGAC) para referenciar en cota real los sitios de desbordamiento. Se georeferencian los puntos críticos de inundación localizados. Se toma la información adicional sobre número de habitantes, número de habitaciones, áreas de cultivo, enfermedades, etc. Tabla N° 3 Otra información que se debe obtener en combinación con la Subdirección de Geomorfología es la observación sobre el comportamiento del río con relación a la socavación, erosión o sedimentación de las márgenes que estén afectando las áreas urbanas, carreteras marginales y zonas de cultivo. Figura N° 1 En los sitios en donde se localizaron puntos de nivelación del IGAC, estos, se toman como referencia con el fin de obtener cotas reales referidas al nivel medio del mar.

6.5.8.4 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN. Con la información de campo se realiza el procesamiento de los datos obteniendo los siguientes resultados: Cotas reales de los puntos para la determinación de los perfiles de las márgenes de las poblaciones y sitios de interés, alturas de desbordamiento y niveles de agua en el momento de las mediciones. Tabla N° 1


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1

TABLA N° 1Nombre Lugar No. Abs.

orden Km B/bermeja P. Wilches Sitio N. Gamarra El Banco Coyongal Magangue CalamarBarrancabermeja 1 631 4.07Cardales 4.4Cardales 4.1Muelle 4.9Yondo (Casabe) 2 4.4Maldonado 3 614 4.54Pto. Wilches 4 597 4.45 5.91San Juan Bosco 5.23 6.69470 5Cantagallo 6 594 4.56 6.01San Pablo 7 582 7.81Paturia 8 565 3.53 5.38Bocas del Rosar. 9 548 4.58 6.41Sitio Nuevo Sant. 10 539 3.65 5.49 5.44Vijagual 11 535 5.4 5.35 5.52Guayabo 12 522 5.26 5.21 5.38Badillo 13 520 6 5.95 6.12Carpintero 14 506 5.7 5.65 5.82Bodega 15 495 4.42 4.36 4.53 6.1El Contento 16 485 5.81 5.76 5.93 7.49Gamarra 17 473 7.17la gloria 18 435 5.67 7.22Regidor 19 429San Antonio 20 422 7 8.55Santa Teresa 21 412 5.9 7.45Pto. Boca-Tamal 22 406 6.34 7.45El Peñón 23 382 7.41El Banco 24 37912 de Ocutbre 7.68Barrio la Padilla 8.95Plaza de mercado 8.68Belén-Zapatosa 25 7.05Juana Sanchez 26 370 8.51San Martín de Lo 27 369 7.14Las Aguadas 28 368 8.46Hatillo de Loba 29 364 7.91Barranco de Loba 30 360 8.17

31 20 8.5832 32.5 7.6933 49.8 9.3934 71.4 8.6735 96.8 8.436 104 8.8737 107 8.838 118 7.9139 121 8.1640 129 7.18

Pinillos 41 300 8.72 7.57Coyongal 42 291 8.96 7.85Sitio Nuevo Bol. 43 275 9.63 8.48Barbosa 44 269 9.84 8.68Palmarito 45 261 9.29 8.14Santa Cruz 46 257 9.5 8.35San Ignacio 47 253 9.58 8.43El Retiro 48 249 8.74 7.58El Retiro Ecop. 49 248 8.84S. Francisco Lob 50 248 9.53 8.38La Peña 51 238 8.44 7.29Magangué 52 238 9.46Magangue-Muro Roto 8.2Yatí 53 234 9.2 8.71Tacaloa 54 215 7.42 6.92Tacamocho 55 204 9.25 8.76San José 56 176 8.53 8.04Zambrano 57 168 9 8.Plato 58 164 8.21San luis 59 167 8.83Tenerife 60 146 9.18Nerviti 61 131 8.97

COTAS RELACIONADAS CON

RIO MAGDALENA - TRAYECTO BARRANCABERMEJA CALAMAR NIVELES CRITICOS DE INUNDACION RELACIONADOS CON LAS MIRAS DE ESTACIONES DE ALERTAS

San Felipe San Roque Guamal San Sebastian San ZenónTalaiga Santana Barro BlancoPorvenir Pinto

51



32

Nombre Lugar Abscisa DistanciaCota N.A. gradienteN E n° km. m m.s.n.m. hidráulico

m/mBarrancabermeja 1 631.2 72.03Yondo (Casabe) 2 72.03

1288224.32 1017014.87 Maldonado 3 613.7 17500 69.17 0.000163261303988.78 1019027.65 Puerto Wilches 4 597.1 16600 63.99 0.000312111314041.41 1020051.44 470 5

Cantagallo 6 594 3100 63.31San Pablo 7 582 12000 60.69

1330867.83 1027775.82 Paturia 8 564.5 32600 56.87 0.000218441347718.88 1030960.43 Bocas del Rosario 9 547.5 17000 52.851352428.83 1030371.73 Sitionuevo 101359722.9 1028777.14 Vijagual 11 534.6 29900 49.80 0.00023649

1370633.64 1026666.25 Guayabo 12 522 12600 47.261373673.52 1024366.12 Badillo 13 520 14600 46.861385075.82 1025821.86 Carpintero 14 506.4 28200 44.121392532.98 1033116.32 Bodega 15 494.5 40100 41.72 0.00020151401013.4 1033506.42 El Contento 16 485.2 9300 40.21 0.00016276

1411151.33 1036556.53 Gamarra 17 472.7 12500 38.64 0.000125571445563.85 1029505.93 La Gloria 18 435.2 37500 32.941449813.92 1028143.18 Regidor 19 429.2 43500 33.201458361.47 1030331.51 San Antonio 20 421.8 50900 32.281463303.58 1031013.51 Santa Teresa 21 411.8 60900 31.031471057.08 1027152.07 Pto. Boca-Tamalame 22 405.8 29400 29.27 0.000124871485948.05 1014226.63 El Peñon 23 381.7

El Banco 24 378.7 27100 26.03 0.000119591495066.79 1018716.93 Belen 251482604.38 1005910.88 Juana Sánchez 26 370.4 35400 25.23 0.000114321481858.61 1003713.23 San Martín 271481915.49 1002546.65 Las Aguadas 28 368 37800 24.69 0.000121221481923.46 1000082.35 Hatillo de Loba 29 3641481878.58 996915.795 Barranco de Loba 30 359.71494182.49 993850.531 31 20 20000 23.271494911.17 991277.711 32 32.5 32500 21.54 0.000138071502945.9 983369.843 33 49.8 49800 20.28

1513020.43 969643.886 34 71.4 71400 18.691514045.62 953698.772 35 96.8 96800 16.831520672.05 946583.538 36 104.1 104100 16.301522456.72 945329.466 37 107.1 107100 16.081529129.69 939149.596 38 117.9 117900 15.291529561.03 936164.084 39 121 121000 15.061534017.23 930717.841 40 128.5 128500 14.51 7.3263E-051477567.96 957482.454 Pinillos 41 299.6 68400 19.37 7.7836E-051477624.81 955109.095 Coyongal 42 291.2 8400 19.09 3.3E-051488793.29 941920.23 Sitio Nuevo 43 274.9 16300 17.801489540.57 938566.307 Barbosa 44 269.4 21800 17.36 7.9257E-051493132.44 934975.308 Palmarito 45 260.7 8700 16.991495762.11 932876.545 Santa Cruz 46 256.7 12700 16.82 0.0000431498830.49 930502.944 San Ignasio 47 252.7 4000 16.491505657.85 927946.313 El Retiro 48 248.7 8000 16.17 8.12E-051506387.02 928236.148 El Retiro Ecopetrol 49 248.2 500 16.141507283.61 929067.144 S. Francisco de Loba 50 247.7 1000 16.101512254.26 927289.018 La Peña 51 238.1 10600 15.511513669.64 926979.084 Magangué 52 237.9 10800 15.50 6.1435E-051516584.1 928070.361 Yatí 53 233.9 4000 15.15 8.715E-05

1532724.15 925616.799 Tacaloa 54 214.7 19200 14.23 4.7964E-051539341.91 920675.785 Tacamocho 55 203.7 11000 11.941566699.1 920596.972 San José 56 176.3 38400 11.45

1569589.71 919310.463 Zambrano 57 168.1 46600 11.191574252.5 921844.922 Plato 58 163.7 51000 11.41

1579006.75 915954.974 San Luis 59 167.4 47300 10.161587064.32 913672.177 Tenerife 60 146.4 68300 9.221597116.9 920883.416 Nervití 61 130.7 84000 8.61

1605863.77 917164.117 Heredia 62 120.4 94300 8.581606021.42 916308.65 Robles 63 119.9 94800 7.701611873.63 904332.603 Yucal 64 105.2 109500 7.571614290.86 904568.629 Barrancavieja 65 103 111700 7.291618600.7 907955.718 Pedraza 66 98.2 116500 7.20

1619418.99 906130.901 Barrancanueva 67 96.7 118000 6.84

Coordenadas

INFORMACION BASICA DEL RIO MAGDALENA TRAYECTO BARRANCABERMEJA - CALAMAR TABLA N°2

San Felipe San Roque GuamalSan Sebastian San SenónTalaigaSantanaBarro BlancoPorvenirPinto



Municipio Departamento Descripción Número Número N E Lugar edificac habitan

Barrancabermeja SantanderCaño Cardales Barrios localizados en zona baja sobre Caño Cardales márgen derecha del Caño Cardales 2000MuelleYondo (Casabe) Antioquia Municipio frente a Barrancabermeja en

Antioquia1288224.32 1017014.87 Maldonado Estación hidrológica - Zona rural - Antes

de la confluencia del río Sogamoso.1303988.78 1019027.65 Puerto Wilches Santander

San Juan Bosco Barrios al sur de Pto. WilchesArenal

1304730.32 1019170.58 Punto carretera Santander Zona crítica por socavación del río 1314041.41 1020051.44 470 Santander Socavación fuerte del río con pérdida de

la banca de carretera- Sitio de desborde.Aguas abajo de Pto. Wilches.

Cantagallo Bolivar Zonas de inundación. Explotación de pozos de petroleo.

San Pablo Bolivar Estación Hidrológica. Zona alta1330867.83 1027775.82 Paturia Santander Corregimiento de Pto. Wilches 100 700

Se inunda totalmente - Pluviómetro1347718.88 1030960.43 Bocas del Rosario Santander Corregimiento de Pto. Wilches 86 500

Se inunda totalmente 1352428.83 1030371.73 Sitionuevo Santander Corregimiento de Pto. Wilches 40 188

Se inunda totalmente - Estaciónhidrológica.

1359722.9 1028777.14 Vijagual Santander Corregimiento de Pto. WilchesSe inunda totalmente

1370633.64 1026666.25 Guayabo Santander Corregimiento de Pto. Wilches 140 600Se inunda totalmente

1373673.52 1024366.12 Badillo Corregimiento 70 500Se inunda - Está situado en una islacon el riesgo de desaparecer - Mira

1385075.82 1025821.86 Carpintero Corregimiento de 72 440Falta defensa. Ataque constante del río

1392532.98 1033116.32 Bodega Bolívar Corregimiento de Morales 235 15001401013.4 1033506.42 El Contento Cesar Corregimiento de Gamarra - Estación 105 700

hidrológica1411151.33 1036556.53 Gamarra Cesar Ataque constante del río sobre márgen

derecha.- Mira. Estación radio 1445563.85 1029505.93 La Gloria Cesar Aguas abajo de la población se

localizan los puntos críticos de desbor-damiento- Zonas de cultivo importantesSobre la márgen izquierda se encuentraLa isla de Morales, se inunda totalmente

1444604.67 1030166.76 La Gloria Cesar Punto crítico aguas abajo de La Gloria1449813.92 1028143.18 Regidor Bolívar Se inunda sobre la márgen derecha

Estacíón Hidrológica y pluviométrica1458361.47 1030331.51 San Antonio Corregimiento de 150 9001463303.58 1031013.51 Santa Teresa Corregimiento de

1471057.08 1027152.07 Tamalameque Cesar Se inunda por la ciénaga 120 800Puerto Boca Puerto de Tamalameque. Caño entrada

ciénaga- Inundaciones 1485948.05 1014226.63 El Peñón

Peñoncito Estación hidrológica Mira inclinadaEl Banco Magdalena Estación Automática e hidrométrica12 de Octubre Barrios sobre el caño de descarga deLa Padilla la ciénaga de Zapatosa- Río CesarPlaza de Mercado

1495066.79 1018716.93 Belén Magdalena Situada sobre la Ciénaga de ZapatosaSe inunda gran parte.- Mira niveles.

1482604.38 1005910.88 Juana Sánchez 1481858.61 1003713.23 San Martín de Loba Bolívar Se inunda la zona del puerto

Puerto Gallo Bolívar1481915.49 1002546.65 Las Aguadas Bolívar Estación Hidrológica Mira

Coordenadas

LOCALIZACION PUNTOS CRITICOS DE INUNDACIONTRAYECTO BARRANCABERMEJA - CALAMAR- BARRANQUILLA TABLA N° 3

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Cálculo de las coordenadas planas (georeferenciación) de acuerdo a los registros tomados mediante los G.P.S., de cada uno de los puntos observados. Determinación de las distancias entre sitios y cálculo del gradiente hidráulico a lo largo del río. Tabla N°2 Determinación de los niveles críticos de inundación relacionados con las miras de las estaciones de alertas. El propósito de esta tabla es que por medio de la lectura del nivel de una estación de alertas tanto automática o de radio se pueda realizar un seguimiento de los niveles máximos en cada uno de los sitios de desbordamiento más cercanos, para los cuales se le ha determinado el valor de la cota crítica de inundación relacionada a la mira de la estación de alertas correspondiente. Tabla N° 1 Se elabora una tabla con la descripción de cada uno de los municipios, corregimientos u otros sitios de interés relacionando en algunos el número de habitantes y viviendas. Tabla N° 3

Figura 1

6.5.8.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. Base de datos específica de las fichas correspondientes de cada uno de los puntos críticos de inundación en donde aparece la descripción del lugar, la georeferención con sus coordenadas Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM respectivas, los puntos de referencia de nivelación con sus respectivas cotas, los perfiles de las orillas mostrando los niveles críticos, información sobre el estado de las márgenes en cuanto a la dinámica fluvial (geomormología) e información relativa a los asentamientos humanos sobre el número de viviendas, construcciones, condiciones de vida y salubridad. Se debe incluir en lo posible una fotografía del lugar. Se presentan mapas con los ríos, las poblaciones y otros sitios que son afectados por las inundaciones y un perfil longitudinal del río. Esta información sirve de consulta para el seguimiento de los máximos niveles durante los períodos de aguas altas en los tramos los ríos que son susceptibles a desbordamientos

6.5.9 APLICACIÓN Y UTILIZACIÓN DE IMÁGENES DE SATÉLITE EN LA EVALUACIÓN DE LAS PLANICIES INUNDABLES.

La tecnología de percepción remota es útil si es aplicada para fines generales y complementarios y durante los procesos de planificación de las zonas susceptibles a inundaciones. Con la utilización de las imágenes de satélite, la extensión de las llanuras de inundación y áreas inundables puede ser determinada aproximadamente a escalas relativamente pequeñas de hasta 1:50.000. Como base de un estudio de planificación para el desarrollo de áreas inundables se puede preparar mapas de peligro de inundaciones preliminares para ayudar a definir y seleccionar medidas de mitigación para los proyectos de desarrollo sectorial propuestos. Puede proporcionar conocimiento sobre recursos naturales y uso de la tierra. Las inundaciones se pueden identificar y definir por medio de imágenes de satélite contando con un intérprete competente en donde se puede encontrar o inferir evidencias claras de inundaciones sucedidas. La evidencia más manifiesta de una importante inundación, además de los antecedentes históricos, es la identificación de la llanura inundable o de áreas inundables, generalmente reconocibles en imágenes de satélite. La aplicación más valiosa de este sistema en la evaluación de peligros de inundación es en la elaboración de la cartografía definitiva de áreas susceptibles a inundaciones. La utilización de imágenes, por ejemplo, Landsat para demarcar zonas inundables han sido aplicadas en varios países, en donde se ha comparado inundaciones anteriores con otras posteriores en otros niveles, analizando las clasificaciones de cobertura del terreno con el fin de proporcionar información útil sobre la evolución de estas planicies información básica para el pronóstico de las inundaciones. Esta técnicas de percepción remota son un complemento a las técnicas tradicionales para el levantamiento de llanuras inundables.


35


6.5.10 USO DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA. Las aplicaciones de los sistemas de información geográfica en el manejo de zonas inundables. Con la imágenes de satélite, fotografías aéreas y mapas específicos se pueden identificar zonas inundables, graficar, demarcar las inundaciones ocurridas en el tiempo y predecir las futuras. El SIG es una herramienta que puede combinar la información sobre pendientes, regímenes de precipitación, cobertura vegetal, geomorfología, capacidad de sedimentación de los ríos que influyen en la modelación de las planicies inundables. El SIG puede ser utilizado en los proyectos de zonificación de áreas inundables y y en su manejo. Se puede identificar y conocer los usos de la tierra en cuanto la identificación de zonas de cultivo, zonas urbanas, infraestructura en general y otros elementos vitales. Combinando estos datos con el mapa de evaluación de inundaciones previamente generado por el SIG se puede identificar las áreas de alto riesgo para formular adecuadamente las estrategias de desarrollo de la planicies inundables como también su mitigación. Los mapas producidos pueden indicar donde se encuentran las áreas de probables inundaciones y cuales serían las probables afectaciones a poblaciones, zonas de uso agropecuario, ecosistemas e infraestructura.

6.5.11 ANALISIS DE VULNERABILIDAD. Debido a su naturaleza siempre cambiante, las planicies inundables deben ser analizadas para determinar la forma en que pueden afectar el desarrollo o ser afectadas por el. Para analizar cuales serían los indicadores más significativos para evaluar la magnitud de las inundaciones es conceptualizando el riesgo de inundación, primero en una dimensión socio-económica (vulnerabilidad) y segundo en una dimensión hidrológica- hidráulica ( riesgo hidrológico - hazard). Ref. 6 El factor llamado vulnerabilidad es la sensibilidad del uso de la tierra frente al fenómeno de las inundaciones. El segundo factor, el riesgo hidrológico (hazard) depende únicamente del régimen de los caudales del río independiente del uso de la tierra en una planicie inundable. El índice de vulnerabilidad está relacionada con el grado de afectación del uso de la tierra y la infraestructura en una planicie o área de desbordamiento y el índice de riesgo hidrológico son los volúmenes de agua que exceden la capacidad del cauce y que inundan grandes zonas de acuerdo a su configuración topográfica. Ambos índices están relacionados con el caudal, la frecuencia y duración de las inundaciones como también la velocidad del flujo en caso de torrentes, transformadas en una medida equivalente a períodos de retorno.


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM El comportamiento de las inundaciones son descritas generalmente en términos de frecuencia estadística. Los ríos pueden igualar o exceder la inundación media anual cada 2.33 años. Por ejemplo la inundación de 100 años se refiere a un evento o un área expuesta al 1% de probabilidad que ello ocurra, no quiere decir que el fenómeno ocurrirá cada 100 años, sino que si se presenta si o no en un determinado año, no cambia el hecho de que siempre hay una probabilidad del 1% de que ocurra dicho evento al año siguiente. Ahora bien, teniendo en cuenta lo anterior podemos establecer los indicativos tanto para la vulnerabilidad como para el riesgo hidrológico. Los índices de vulnerabilidad depende de la necesidad de protección de la tierra e infraestructura expresados en términos hidrológicos con variables de tolerancia de la inundaciones con respecto a la duración, la profundidad y eventualmente la velocidad del flujo. Indices de vulnerabilidad para áreas rurales, urbanas, industriales e infraestructura: Se realizan análisis de frecuencia de niveles y caudales extremos de la fuente para obtener los diferentes períodos de retorno (Tr) Indices de vulnerabilidad: Tr > 10 años Bajo Zonas bajas rurales Tr 10 - 25 Medio Tr 25 50 Alto Areas Urbanas e infraestructura Tr 50 100 Muy alto Infraestructura Tr < 100 años Extraordinario Entre más alto sea el nivel de inundación es mayor la afectación. Indices de riesgo hidrológico de inundación: Utilizando los mismos períodos de retorno de niveles y caudales extremos se tiene: Tr > 10 años muy alto (Areas de alto riesgo de inundación) Tr 10 - 25 medio Tr 25 - 50 bajo (Areas de bajo riesgo de inundación) Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Tr 50 - 100 muy bajo Están relacionadas con la probabilidad de ocurrencia de acuerdo a la cercanía al cauce del río. Las zonas más bajas se inundan con más frecuencia y va disminuyendo el riesgo cuanto sea más altas sea las cotas de inundación.

6.5.12 USOS E IMPORTANCIA DE LOS MAPAS DE INUNDACIONES. La demarcación de las planicies inundables se considera de gran importancia en el sentido que en ellas se pueda proponer actividades que sean compatibles con el desarrollo de estas áreas sujetas a inundaciones. El riesgo de inundación puede ser incrementado si no se entiende la naturaleza del peligro y se piensa que es aleatorio en tiempo y espacio, cuando en realidad es en cierta manera predecible de acuerdo al análisis de probabilidades estadísticas. Dentro de la planificación para el desarrollo de estas zonas se necesita conocer la frecuencia, la duración y la época del año en que estarán cubiertas por agua. Y esto facilita la ordenación y uso del suelo en cuanto a realizar un desarrollo más armónico en zonas con menos riesgo y en aquellas que comprendan medidas de mitigación en áreas susceptibles a inundaciones.


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BIBLIOGRAFIA 1. ESTUDIO SOBRE HIDROLOGIA DE ZONAS INUNDABLES. IDEAM, I.R.H. Santa Fe de

Bogotá. 1996 2. VEN TE CHOW, D.R MAIDMENT, L.R. MAYS. Hidrología Aplicada. McGraw Hill. Santa Fe de

Bogotá.1993 3. MANUAL SOBRE EL MANEJO DE PELIGROS NATURALES EN LA PLANIFICACION PARA EL

DESARROLLO REGIONAL INTEGRADO. Departamento de Desarrollo Regional y Medio Ambiente. Secretaría Ejecutiva para Asuntos Económicos y Sociales. Secretaría General de la Organización de Estados Americanos. Washington, D.C. 1993

4. PREVENCION Y MITIGACION DE DESASTRES. Aspectos Hidrológicos. Naciones Unidas.

Nueva York. 1977 5. PROYECTO CUENCA MAGDALENA CAUCA. CONVENIO COLOMBO HOLANDES. Volúmenes

I y X. HIMAT. 1977 6. RIVER FLOOD DISASTERS. ICSU SC/DNDR Workshop. Koblenz, Germany, 1996. 7. USER'S MANUAL. HEC - 2, Flood Hydrograph. US Army Corps of Engineers. Hydrology

Engineering Center. Davis CA. 1990


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5. HIDROLOGIA SUBTERRANEA................................................................................................................. 3 5.1. EL AGUA SUBTERRANEA EN EL MARCO DEL CICLO HIDROLOGICO.................................... 3

5.1.1 Procesos............................................................................................................................................. 3 5.1.2. Flujo en la zona no saturada. ............................................................................................................ 4 5.1.3. Flujo en la zona saturada. ................................................................................................................. 6 5.1.4. Tipos de flujo de agua subterranea .................................................................................................. 7

5.1.4.1. Flujo en regimen permanente. .................................................................................................. 7 5.1.4.2.. Flujo en regimen variable. ........................................................................................................ 7

5.2. PARAMETROS Y VARIABLES QUE DEFINEN EL ESTADO, LA DINAMICA Y OCURRENCIA DEL AGUA SUBTERRANEA EN LA NATURALEZA.............................................................................. 7

5.2..1. Tipos de acuiferos............................................................................................................................ 8 5.2.1.1. Acuiferos libres ......................................................................................................................... 8 5.2.1.2. Acuiferos confinados................................................................................................................. 8 5.2.1.3. Acuiferos semi-confinados ........................................................................................................ 8 5.2.1.4. Acuiferos semilibres .................................................................................................................. 9

5.2.2. Parámetros y variables...................................................................................................................... 9 5.2.2.1. Porosidad Total y Efectiva......................................................................................................... 9

1. P= V-Vs/V [%] .................................................................................................................... 9 5.2.2.2. Conductividad hidráulica o permeabilidad. ............................................................................. 10 5.2.2.3. Gradiente hidráulico ................................................................................................................ 10 5.2.2.4. Altura piezométrica ................................................................................................................. 11 5.2.2.5. Superficie piezométrica ........................................................................................................... 11 5.2.2.6. Nivel freático ........................................................................................................................... 11 5.2.2.7. Transmisividad ........................................................................................................................ 11 5.2.2.8. Coeficiente de almacenamiento y rendimiento especifico....................................................... 11 5.2.2.9. Resistencia hidráulica .............................................................................................................. 12 5.2.2.10. factor de filtracion ................................................................................................................. 12 5.2.2.11. Factor de drenaje. .................................................................................................................. 12

5.3. METODOLOGIAS, PROTOCOLOS Y ESTANDARES PARA MEDIR, ANALIZAR Y CUANTIFICAR LAS PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS ACUIFEROS. .................................... 13

5.3.1. Objetivos ....................................................................................................................................... 13 5.3.2. Principios basicos y consideraciones............................................................................................. 13 5.3.3. Pruebas de acuifero......................................................................................................................... 14 5.3.4. Ejecucion de un ensayo por bombeo. ............................................................................................. 19

5.3.4.1. Medidas ................................................................................................................................... 20 2. Tiempo desde el comienzo del bombeo Intervalo de tiempo.................................................. 20 3. Tiempo desde el comienzo del bombeo Intervalo de tiempo.................................................. 21

5.3.4.2. Duración del Ensayo por bombeo............................................................................................ 23 5.3.5. Análisis de datos............................................................................................................................. 24

5.3.5.1. Recopilación de los datos en forma gráfica. ............................................................................ 24 5.3.5.2. Corrección de datos (abatimientos) ......................................................................................... 24 5.3.5.3. Determinación del tipo de acuíferos que ha sido bombeado.................................................... 25

5.3.6. Aplicación de los metodos de analisis. ........................................................................................... 26 5.3.7. Métodos para analizar los datos de un ensayo por bombeo........................................................... 26

5.3.7.1. Flujo en régimen permanente en acuíferos confinados............................................................ 26 5.3.7.2. Flujo en régimen variable o transitorio en acuífero confinados............................................... 26 5.3.7.3. Método de Theis ...................................................................................................................... 27 5.3.7.4. Método de Jacob-Cooper......................................................................................................... 27

5.3.8. Pruebas slug.................................................................................................................................... 29 5.4. FORMATO DE CAPTURA DE DATOS HIDROGEOLOGICOS. ..................................................... 31 5.5 CONTROL DE LA CALIDAD DE LA INFORMACION HIDROGEOLOGICA. .............................. 31

5.5.1. Corrección por influencias externas ............................................................................................... 31 5.5.2..Variación unidireccional................................................................................................................. 32 5.5.3. Fluctuaciones rítmicas. ................................................................................................................... 32 5.5.4. Fluctuaciones regulares no rítmicas................................................................................................ 32 5.5.5. Fluctuaciones únicas....................................................................................................................... 33



BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................................. 34



5. HIDROLOGIA SUBTERRANEA

5.1. EL AGUA SUBTERRANEA EN EL MARCO DEL CICLO HIDROLOGICO. Davis and Wiest (1971) definen el ciclo hidrológico a partir del agua que se evapora del océano y forma las nubes, las cuales son transportadas hacia los continentes donde se condensan y caen en forma de precipitaciones. Estas a su vez, son conducidas por medio de los ríos y del flujo de agua subterránea hasta el océano. Los autores indican además que existe una pequeño aporte de agua al ciclo hidrológico que procede de los procesos magmáticos y metamórficos, que no se tienen en cuenta en el ciclo y en contraposición, una sustracción constante de agua al ciclo hidrológico pasa a incorporarse a la estructura de los minerales y a la estructura de los depósitos sedimentarios. Las entradas de agua al sistema hidrológico, por lo tanto, arriban en forma de precipitación o por medio de la fusión de la nieve en agua liquida. Las salidas del agua toman lugar como corrientes y como evapotranspiración, o una combinación de la evaporación desde cuerpos abiertos de agua, evaporación desde superficies de suelos y transpiración desde el suelo por las plantas. La precipitación es distribuida a las corrientes ya sea a través de la superficie de la tierra, como un flujo sobre la tierra hacia los canales tributarios; y por rutas de flujo subsuperficiales y flujo base siguiendo la infiltración dentro del suelo. El volumen de agua almacenada en el subsuelo es probablemente el más difícil de medir y en el que puede haber mayor variación en las estimaciones. El agua subterránea constituye cerca del 30% del total de agua dulce del mundo y el 99% de su total almacenado de agua dulce liquida. Estas aguas se encuentran en continuo movimiento, con velocidades promedio bajas (menos de 1m/dia). El tiempo de residencia medio para el reservorio global es de cerca de 235 años. Para escalas de sistemas de flujo regionales moderadas a grandes en varias partes del mundo los tiempos de residencia varían de unos pocos años a más de mil años.

5.1.1 Procesos Se supone que el ciclo hidrológico se inicia cuando una parte del vapor de agua de la atmósfera se condensa y da origen a las precipitaciones en forma de lluvia o nieve. No toda la precipitación alcanza la superficie del terreno, ya que una parte se vuelve a evaporar en su caída y otra es retenida (intersección) por la vegetación o por las superficies de edificios, etc. y da vuelta a la atmósfera, al poco tiempo, en forma de vapor. Del agua que alcanza la superficie del terreno, una parte queda retenida en charcas o pequeños surcos (almacenamiento superficial) y en su mayoría vuelve pronto a la atmósfera en forma de vapor. Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños almacenamientos que luego



se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos (escorrentía superficial). Dicha agua pasará luego a los lagos o al mar, de donde será evaporada o bien, se infiltrará en el terreno . La escorrentía superficial es aquella parte de la precipitación que fluye directamente sobre la superficie del suelo hacia los conductos superficiales o al canal principal de un río, este flujo superficial es de gran magnitud donde hay rocas superficiales impermeables tales como las arcillas, algunas rocas ígneas o metamórficas, o bien donde exista un estado de impermeabilización debido a la vegetación, superficies congeladas o rocas saturadas de agua. Finalmente hay una tercera parte de la precipitación que penetra por la superficie del terreno (infiltración) a través de los poros o fisuras del suelo. La infiltración genera dos zonas claramente diferenciables en el subsuelo por sus características hidráulicas y condiciones: la denominada Zona No Saturada o de aireación en la cual los poros frecuentemente no están saturados con agua y otra que está totalmente saturada o Zona Saturada. Es decir, una buena parte del agua que se infiltra no alcanza la tabla de agua o nivel freático si no que se queda en la zona no saturada o zona de humedad del suelo de donde vuelve a la atmósfera por evaporación. Dicha evaporación es originada por la transpiración de las plantas originando la evapotranspiración. La recarga del agua subterránea se produce también por infiltración de aguas superficiales proveniente de ríos, lagos y en determinadas épocas del año, del deshielo de la nieve y de los glaciares. La intervención materializada en obras hidráulicas y actividades como el riego, la presencia de diques y la operación de embalses, así como los pozos de inyección contribuyen también a la recarga de los acuíferos. El escenario subterráneo del ciclo hidrológico está representado por los acuíferos, los cuales son formaciones geológicas aptas para admitir, almacenar y permitir el movimiento del agua. Los acuíferos, a su vez pueden ser no confinados o confinados dependiendo de que tengan la superficie freática como limite superior o no. Existen también cursos de agua subterránea que se forman en ambientes cársticos, o sea, constituidos principalmente por rocas calcáreas que han reaccionado al anhídrido carbónico de las aguas lluvias y por procesos de disolución forma cavernas por las que corren verdaderos ríos de agua subterránea con régimen turbulento a diferencia de los flujos laminares preponderantes en los medios porosos. En general, la mayor parte de las aguas de la escorrentía directa y la subterránea fluyen finalmente al mar y por eso pueden considerarse que los océanos son el punto final del ciclo hidrológico, pues ellos en ellos vuelve a evaporarse el agua y se inicia nuevamente el ciclo hidrológico.

5.1.2. Flujo en la zona no saturada.



El movimiento del agua a través del perfil del suelo, usualmente denominado percolación, otras veces infiltración, otras flujo o escorrentía subsuperficial se caracteriza por su extraordinaria lentitud y se debe fundamentalmente a la acción gravitatoria. La zona no saturada, zona de aireación o zona vadosa consta de intersticios interconectados, ocupados parcialmente por el agua o el aire. Dicha zona está limitada por la tabla de agua en la parte inferior y por la superficie del terreno en la parte superior. Su contenido de agua puede variar entre cero y la saturación completa. El estado de energía del agua en la zona no saturada se puede expresar por el potencial de capacidad o presión capilar, la cual es una fuerza tensional considerada como una presión negativa en contra de la dirección de la fuerza de la gravedad. La superficie o nivel freático se considera entonces el lugar geométrico de puntos de agua que soportan una presión igual a la atmosférica. Cualquier punto situado por debajo de esta superficie estará sometido a la presión atmosférica más la presión ejercida por la columna de agua subterránea que descansa sobre él. Los puntos de agua que estén situados por encima de la superficie freática, serán afectados por las fuerzas capilares y por tanto la presión que soportan se verá disminuida por estas. La zona de aireación se subdivide en la zona del suelo, zona pelicular y la zona capilar, cuyos espesores pueden variar entre unos pocos centímetros y varios metros y en ella el agua se presenta en la forma de agua de capilaridad, agua higroscópica y agua gravitacional ( RODRIGUEZ, 1984). La zona de aireación o zona vadosa de acuerdo a su distribución vertical se subdivide en tres subzonas correspondientes a las Subzonas de Evapotraspiración, Subzona Intermedia y Subzona Capilar La Subzona sometida a evapotranspiración o franja de suelo propiamente dicha esta comprendida entre la superficie del terreno y los extremos radiculares de la vegetación que descansa sobre él. Puede tener espesores muy pequeños cuando no haya vegetación, pues el fenómeno de la evaporación afectará el agua de esta zona que asciende por capilaridad hasta la superficie, o alcanzar mayores profundidades dependiendo de situaciones locales o particulares. El agua aislada o suspendida de esta zona es la que emplean las plantas para sus funciones de nutrición y transpiración. En el suelo e irregularmente en la zona no saturada se presenta agua distribuida en forma de vapor. La Subzona intermedia no está afectada por las raíces de las plantas y por eso su capacidad es mayor. Una vez que ha desaparecido el agua gravitacional contiene agua de retención y agua capilar aislada. El agua al vencer las fuerzas moleculares y capilares de succión de la zona anterior, continua su movimiento hacia abajo por gravedad hasta la franja intermedia, la cual presenta contenidos uniformes de humedad y que se asimila a una especie de almacenamiento de tipo transicional, por fuera de cualquier uso por las coberturas vegetales. La Subzona Capilar es la de transición a la zona saturada propiamente dicha y alcanza una altura sobre el nivel freático que depende de las fuerzas capilares que la hacen ascender. Su parte



superior también esta saturada y su límite superior con la zona superior puede estar muy definido o ser apenas perceptible, según el tipo de material del suelo. El agua subterránea o agua de la zona saturada puede volver a la atmósfera por evapotranspiración cuando su zona de separación con la zona no saturada (franja capilar) queda suficientemente cerca de la superficie (o no existe). En otras situaciones el agua subterránea pasa a engrosar el caudal de los ríos, alimentando directamente sus cauces o a través de sus manantiales; en las zonas costeras estos manantiales a veces son submarinos. El flujo subsuperficial consta de aquella parte de la infiltración que se mueve relativamente rápido con una componente horizontal mucho mayor que la vertical, en el suelo o inmediatamente debajo de él ( zona no saturada) pero no alcanza la zona de saturación. La importancia relativa de esta componente depende esencialmente de la estructura y naturaleza del perfil del suelo y de las capas rocosas subyacentes.

5.1.3. Flujo en la zona saturada. El flujo base o agua subterránea se origina de aquella parte de la infiltración que alcanza la zona de saturación (tabla de agua) y se mueve a través del acuífero alcanzando la red hidrográfica para suministrar el caudal base de los ríos. Esta componente es la que mantiene el flujo en los ríos durante las épocas de sequía. El agua subterránea tiende a moverse hacia los estratos profundos siguiendo un camino más tortuoso que el flujo subsuperficial. El tiempo transcurrido entre la infiltración y la descarga del río tiende a ser grande y varia mucho dependiendo de las condiciones hidrogeológicas dominantes. Davis and Wiest (1971) indican que el agua subterránea dentro del ciclo hidrológico no alcanza nunca la atmósfera mediante un proceso de evaporación directa, a no ser que el nivel freático de las formaciones acuíferas este situado a muy pocos decímetros de la superficie del suelo. Si el suelo esta altamente saturado de agua, el índice de evaporación directa puede aproximarse al de una superficie libre. El consumo de agua por parte de las plantas constituye un medio de descarga del agua subterránea mucho más importante que la evaporación directa desde los acuíferos. La evaporación directa ejerce una fuerza tensional sobre las moléculas de agua hasta de sesenta veces superior a la que ejercen las plantas sobre el agua del suelo; sin embargo, la evaporación directa, a pesar de estar facilitada por la presencia de grietas en el suelo y por ascensión capilar, tiene lugar en una zona de profundidad inferior a un metro, en el caso de suelos arenosos e inferior a tres metros en el caso de suelos arcillosos. Por el contrario, las raíces de las plantas pueden alcanzar profundidades hasta de diez metros o mayores localmente. En otras situaciones el agua subterránea pasa a engrosar el caudal de los ríos, alimentando directamente sus cauces o a través de manantiales; en zonas costeras estos manantiales a veces son submarinos.



5.1.4. Tipos de flujo de agua subterranea Las ecuaciones que rigen el movimiento del agua en medios porosos corresponden a dos tipos de flujo de acuerdo con la variación del caudal con el timpo: flujo del agua en régimen permanente y en régimen variable.

5.1.4.1. Flujo en regimen permanente. Cuando existe un equilibrio entre la descarga de un pozo bombeado y la recarga del acuífero por una fuente externa, se dice que el flujo esta en equilibrio. En la practica se dice que se llega a un régimen permanente si, los cambios en los descensos de los niveles de agua en los piezometros se hace con el tiempo despreciable o, lo que es lo mismo, si el gradiente hidráulico llega ser constante.

5.1.4.2.. Flujo en regimen variable. Ocurre desde el momento en que se comienza el bombeo hasta que se alcanza el régimen permanente, se produce flujo en condiciones de régimen variable o no equilibrio. En la practica, se considera que el flujo de agua hacia un pozo se produce en régimen variable mientras se puedan medir las variaciones del nivel del agua con el tiempo únicamente debidas al bombeo, o mientras el gradiente hidráulico cambie de forma medible.

5.2. PARAMETROS Y VARIABLES QUE DEFINEN EL ESTADO, LA DINAMICA Y OCURRENCIA DEL AGUA SUBTERRANEA EN LA NATURALEZA. En términos generales, el flujo de aguas subterráneas está gobernado La ley de Darcy la cual explica el movimiento en medios porosos cuando hay diferencias de carga en medios homogéneos, continuos e isotrópicos. La ley de Darcy enuncia que el caudal de flujo de un fluido a través de un medio poroso, es directamente proporcional a la caída de potencial, e inversamente proporcional a la longitud de la trayectoria recorrida por el flujo y directamente proporcional al coeficiente K. La ley se expresa de la siguiente forma;

=KIA o Q/A=V=KI Donde: Q es el caudal (mt3/dia) K es una constante (m/día), llamada Permeabilidad o Conductividad Hidráulica I es el gradiente hidráulico (adimencional)



A es la sección transversal total perpendicular a la dirección de flujo (mt2) V es la velocidad de flujo (m/día)

5.2..1. Tipos de acuiferos Los acuíferos en cualquier tipo de roca, con porosidad intergranular o de fisuras , puede clasificarse en tres grupos importantes.

5.2.1.1. Acuiferos libres Un acuífero libre es una capa o estrato permeable, saturada de agua solo parcialmente y situada sobre una capa relativamente impermeable. Su límite superior está formado por una superficie libre de agua o nivel freático, a una presión igual a la atmosférica. El nivel del agua en un pozo que hay penetrado un acuífero libre no está, por lo general, por encima del nivel freático, exceptuando el caso en que hay un flujo vertical. El drenaje por gravedad de los poros en acuíferos de material granular fino, no es instantáneo; por lo tanto el agua queda libre cuando pasa un cierto tiempo después del descenso del nivel piezómetrico. Los acuíferos que presentan este fenómeno reciben el nombre de acuíferos libres con rendimiento retardado.

5.2.1.2. Acuiferos confinados Un acuífero confinado es aquel que esta totalmente saturado de agua y cuyos límites, superior e inferior, son capas impermeables. En estos acuíferos la presión del agua suele ser mayor que la atmosférica y el nivel del agua en los pozos de observación es mas alto que el límite superior del acuífero

5.2.1.3. Acuiferos semi-confinados Se llama acuíferos semiconfinados, al que está totalmente saturado de agua siendo su limite superior una capa semipermeable y el inferior o bien una capa impermeable o una semipermeable. Se define una capa semipermeable como aquella que tiene una baja, pero medible, permeabilidad. Un descenso del nivel piezómetrico en este tipo de acuíferos, origina un flujo vertical de agua desde la capa semipermeable hacia el acuífero. Como la permeabilidad de la capa superior es generalmente muy pequeña, se puede despreciar en ella la componente horizontal de flujo. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


5.2.1.4. Acuiferos semilibres Si la conductividad hidráulica de la capa de material granular fino en un acuífero semiconfinado es tan grande que la componente horizontal de flujo no puede ser ignorada, entonces el acuífero es un intermedio entre el típico semiconfinado y el libre, por ello, se le puede llamar acuífero semilibre.

5.2.2. Parámetros y variables

Los parámetros y variables que definen el estado, la dinamica y ocurrencia del agua subterranea en la naturaleza corresponden a las propiedades hidráulicas de los acuíferos mencionados anteriormente: Porosidad, Conductividad hidráulica o permeabilidad, Gradiente hidráulico, altura piezométrica, superficie piezométrica, nivel freático, transimisividad, coeficiente de almacenamiento y rendimiento específico, resistencia hidráulica, factor de filtración y factor de drenaje.

5.2.2.1. Porosidad Total y Efectiva. La porosidad de una roca es una medida de su espacio intersticial y se expresa cuantitativamente como el porcentaje del volumen total de roca ocupado por los intersticios.

1. P= V-Vs/V [%] V= Volumen total de la roca. [L3] Vs= Volumen ocupado por los sólidos. [L3] TABLA 1. Valores de porosidad para diferentes tipos de roca-sedimento

ROCA-SEDIMENTO POROSIDAD ( %) Arcilla –Lutitas 45-60 Arena Fina 38-44 Arena Media (O.25-0.5 mm) 38-42 Arena gruesa (0.5-1.0mm) 38-40 Arena muy gruesa (1.0 a 2.0 mm) 35-38 Grava fina (2.0 a 5.0 mm) 30-35 Grava media (5.0 -20.0 mm) 20-30 Grava arenosa 20-30 Grava gruesa (20.0 mm) 20-25 Arena y Grava con cantos grandes 20-25



Areniscas 10--20 Shale 1--10 Caliza, Dolomita 1--10 Granito, Gneis, Cuarcita 1 Fuente: Vélez, 1992 En una unidad roca –sedimento saturada no toda el agua presente en sus intersticios puede extraerse ya que parte del agua es retenida por las fuerzas de atracción molecular, adhesión y cohesión. La atracción entre las paredes de los intersticios y las moléculas de agua adyacentes es llamada adhesión; la atracción entre moléculas de agua adyacentes se llama cohesión. Las paredes de los granos de las rocas o sedimentos retienen una capa delgada directamente de la superficie de contacto disponible, indirectamente del tamaño de los intersticios de tal suerte que la retención es mayor en las rocas o sedimentos que tienen los granos más pequeños. La Retención Específica de una roca o sedimento es una medida de la capacidad de “retención del agua” y se expresa cuantitativamente como el porcentaje del volumen total de agua que será retenida en los intersticios contra la fuerza de la gravedad”. El Rendimiento Específico de una roca o sedimento saturado es una medida de su capacidad para producir agua y se expresa cuantitativamente como la relación entre el volumen de agua que será drenado por gravedad y el volumen total de roca. En la práctica este parámetro se estima a partir de pruebas de laboratorio. Físicamente el Rendimiento Específico y la Porosidad Efectiva son iguales y por lo tanto la Porosidad Total de una roca o sedimento es la suma de la retención específica y el rendimiento específico. La porosidad del medio poroso se determina con pruebas de laboratorio.

5.2.2.2. Conductividad hidráulica o permeabilidad. La conductividad hidráulica o permeabilidad K en la ecuación de Darcy es una propiedad que depende del medio poroso y del fluido. K es la cantidad de flujo que a través de una sección unitaria y con una caída de potencial unitaria, tiene unidades de Longitud3/Longitud2 * Tiempo, o lo que es lo mismo, Longitud /Tiempo; sin embargo no debe confundirse con una velocidad.

5.2.2.3. Gradiente hidráulico El Gradiente Hidráulico es un factor adimensional definido como la pérdida de carga por unidad de longitud, medida esta en la dirección del flujo.



5.2.2.4. Altura piezométrica La altura piezométrica es la altura de agua en un piezómetro con relación a un nivel de referencia, generalmente el nivel del mar. Tiene dimensiones de Longitud y se expresa, por ejemplo en metros.

5.2.2.5. Superficie piezométrica La superficie piezométrica es la superficie imaginaria determinada con todos los puntos hasta donde el agua sube en los piezómetros que penetran el acuífero

5.2.2.6. Nivel freático Es la superficie libre del agua en el suelo y vienen definido como la altura a la que la presión del agua en el suelo es igual a la atmosférica. En general se puede decir que es el nivel en que el agua se estaciona en los poros superficiales y en los pozos.

5.2.2.7. Transmisividad La Transmisividad o Transmisibilidad es el producto de la conductividad hidráulica media (o permeabilidad) por el espesor del acuífero. Por lo tanto la Transmisividad es el caudal del flujo bajo un gradiente hidráulico unitario a través de una sección transversal de anchura unitaria y altura todo el espesor del acuífero. Se designa con el símbolo T, tiene dimensiones Longitud3/Tiempo*Longitud, o lo que es lo mismo, de Longitud2/Tiempo; viene expresado, por ejemplo en m2/día.

5.2.2.8. Coeficiente de almacenamiento y rendimiento especifico. El Coeficiente de Almacenamiento y el Rendimiento Especifico vienen definidos como el volumen de agua liberada o almacenada por unidad de superficie del acuífero., bajo un gradiente hidráulico unitario perpendicular a la superficie. Ambos vienen definidos por el símbolo S y son adimensionales. El Coeficiente de Almacenamiento se refiere únicamente a las partes confinadas de un acuífero y depende de la elasticidad del material del acuífero y del fluido. Su orden de magnitud es de 10-4 a



10-6. El Rendimiento Específico está relacionado con las zonas libres de un acuífero. En la practica se considera igual a la porosidad efectiva o al espacio poroso drenable ya que en acuíferos libres, los efectos de elasticidad del material del acuífero y del fluido son generalmente despreciables. En sedimentos de granos finos la porosidad no contribuye al espacio poroso efectivo, ya que las fuerzas de retención son mayores que el peso del agua. Para arenas el Rendimiento Específico es del orden de 0.1 a 0.2.

5.2.2.9. Resistencia hidráulica La Resistencia Hidráulica, llamada también Coeficiente Reciproco de Filtración o Resistencia al Flujo Vertical, es una propiedad de los acuíferos semiconfinados. Es la relación entre el Espesor saturado D´ de la capa semipermeable y la Conductividad Hidráulica K´de dicha capa para el flujo vertical; por lo tanto es D´/ K´. Caracteriza la resistencia de la capa semipermeable a filtraciones en sentido ascendente o descendente. Se designa con el símbolo C y tiene dimensiones reducidas de Tiempo (por ejemplo, días). Se observará que sí C=:.

5.2.2.10. factor de filtracion El Factor de Filtración L= √KDc determina la distribución de la filtración en un acuífero semiconfinado. En otras palabras determina el origen de del agua que se extrae de un pozo hecho en el acuífero para este fin. Valores altos de L indican una gran resistencia de la capa semipermeable al flujo comparada con la del acuífero. En este caso, la influencia de la filtración será pequeña. El Factor L tiene dimensiones de Longitud y se expresa, por ejemplo, en metros.

5.2.2.11. Factor de drenaje. El Factor de Drenaje B = √KD/α Sy, para acuíferos libres con rendimiento retardado, puede compararse con el factor de filtración en acuíferos semiconfinados, aunque se define de otra forma. Grandes valores de B indican un drenaje rápido. El factor de drenaje tiene dimensiones de Longitud y se expresa por ejemplo, en metros. Si B = : la respuesta es instantánea al descender el nivel del agua y por eso el acuífero es libre sin rendimiento retardado. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


El Coeficiente 1/α se llama Indice de Retraso de Boulton y es una constante empírica, mientras que Sy, es el Rendimiento Específico después de un largo periodo de bombeo.

5.3. METODOLOGIAS, PROTOCOLOS Y ESTANDARES PARA MEDIR, ANALIZAR Y CUANTIFICAR LAS PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS ACUIFEROS.

5.3.1. Objetivos Para determinar las características hidráulicas de los acuíferos se realizan ensayos por bombeo. A este tipo de ensayos se les llama Prueba o Test de Acuífero, ya que lo estudiado, más que la bomba o pozo, es el flujo regional o local del agua en los acuíferos. Un Ensayo por Bombeo proporciona información sobre el rendimiento y el descenso del nivel del agua en el pozo. Los datos obtenidos permiten conocer la capacidad específica o la relación descarga-descenso del pozo para seleccionar el tipo de bomba y para estudiar los costos de bombeo. A este tipo de ensayo por bombeo se le llama test del pozo ya que lo que se estudia, más que el acuífero, es el pozo

5.3.2. Principios basicos y consideraciones Un test de acuífero realiza en un pozo que tiene una zona de captación (o filtro) del acuífero, en el cual se bombea agua durante un cierto tiempo y a un cierto caudal. En el pozo bombeado y en algunos piezómetros situados en las cercanías, se mide el efecto que el bombeo produce sobre el nivel agua. Sustituyendo en una formula apropiada los valores de los descensos o abatimientos del nivel del agua en los piezómetros, las distancias de estos pozos, la distancia de éstos al pozo y la descarga del bombeo, se obtienen las propiedades hidráulicas del acuífero. El procedimiento de un Test de Pozo, con fines a determinar la capacidad específica del pozo, no requiere piezómetros. En el pozo se mide únicamente la descarga y el descenso del nivel del agua en él.



5.3.3. Pruebas de acuifero La realización de pruebas de acuífero requiere:

Estudios Preliminares Antes de ejecutar un Test de Acuífero hay que reunir la información hidrogeológicas superficiales y subsuperficiales; que incluyen las características hidrológicas superficiales y subterráneas, geológicas, geomorfológicas, geofísicas, de los suelos e hidráulicas, que permitan conocer el modelo hidrogeológico conceptual preliminar del sistema acuífero a estudiar, lo que contribuirá a determinar el tipo de perforaciones a hacer, el equipo requerido así como el número, la localización y los costos de los test de acuíferos.

Elección del lugar del ensayo En ciertos casos, el lugar donde se realizara el ensayo de bombeo está predeterminado y no hay posibilidad de cambiar a otro (más apropiado); generalmente se hace en pozos ya existentes. Para seleccionar del lugar para realizar el test de acuífero, se deben tener en cuenta los siguientes puntos: - Las condiciones hidrogeológicas del lugar no debe cambiar en distancias cortas y deben ser

representativas del área a estudiar de una gran parte de ella. - Alejado de vías férreas o de autopistas que la circulación de trafico se pueden producir

fluctuaciones medibles del nivel piezómetricoen acuíferos confinados. - El agua extraída en el bombeo se debe descargar de forma que no vuelva al acuífero. - El gradiente de la capa de agua o del nivel piezómetrico debe ser bajo - Facilidades de acceso.

Pozo de Descarga. El pozo de descarga se diseña y construye teniendo en cuenta los criterios de diámetro y profundidad del pozo, la longitud del filtro, el filtro de grava, la elección de la bomba, y la descarga del agua bombeada. Los criterios anteriores se pueden consultar en Jhonson ( 198); a continuación se presentan los requisitos más importantes:

Diámetro del pozo. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


- El pozo debe alojar la bomba con espacio libre para su instalación y su eficiente funcionamiento. - Asegurar la eficiencia hidráulica del pozo.

Profundidad del pozo. -Lo optimo es alcanzar el fondo del acuífero de tal manera que se capte todo el espesor del acuífero lo contribuirá a un mayor rendimiento del mismo.

Longitud de los filtros - La longitud de los filtros debe ser tan larga como el 70 a 80% del espesor del acuífero, ya

que posibilita obtener un 90% o más del máximo rendimiento que se obtendría si se colocara un tubo perforado a lo largo de todo el acuífero.

- En acuíferos libres se recomienda colocar los filtros en la mitad o el tercio inferior evitando

abatimientos apreciables o drenajes importantes de la parte superior del acuífero. - En acuíferos de gran espesor, los pozos penetrados parcialmente inducen componentes de

flujos verticales en el acuífero en un área con centro en el pozo y de radio aproximadamente igual al espesor del acuífero. Los descensos de la capa de agua medidos en esta área deben ser corregidos antes de utilizarlos para calcular las características del acuífero.

- El diseño del filtro y el utilizado finalmente deben tener la suficiente área abierta para que la velocidad de entrada del agua sea lenta, digamos menos de 3 cm/seg. A esta velocidad las perdidas por fricción al pasar por las ranuras de los filtros son despreciables. El tamaño de abertura de los filtros debe ser seleccionada de acuerdo con el tamaño de los granos del material acuífero.

Filtros de grava

- La entrada de agua al pozo a través de los filtros se facilita si se coloca un empaque de

grava artificialmente seleccionado entre el tubo y material del acuífero. El empaque de grava retiene el material del acuífero al bombear el pozo. Se recomienda que su espesor sea de 7 u 8 cms y menor de 20 cms, para garantizar que envuelva a todo el sector de filtro instalado.

Elección de la Bomba



- La bomba y la unidad motriz empleada en el ensayo, deben ser capaces de trabajar continuamente a caudal constante durante un periodo de al menos dos días

- Si se estudian acuíferos libres y semilibres este período puede ser aún más corto Para la toma de datos sobre descensos de la tabla de agua se utilizan pozos de observación situados a gran distancia del pozo de bombeo. Para obtener descensos medibles de la tabla de agua en pozos distantes, es necesario bombear continuamente durante varios días.

- La capacidad de la bomba y el caudal de descarga deben ser lo suficientemente altas como para producir descensos de la tabla de agua medibles fácilmente a una distancia de 100 a 200 metros, dependiendo del tipo de acuífero.

Descarga del agua bombeada.

- Evitar que el agua bombeada del pozo vuelva a entrar en el área del acuífero en estudio. Lo

anterior se puede conseguir mediante los siguientes procedimientos: - El agua bombeada debe ser descargada a través de una tubería la cual debe tener

suficiente longitud para ser descargada a un canal o un cauce natural que no este conectado hidráulicamente con el acuífero estudiado.

- El agua bombeada puede ser conducida a través de una zanja superficial impermeabilizada. - Si se usan piezómetros, el agua bombeada debe ser descargada más allá de la línea de

piezómetros. Si se utiliza una zanja o un cauce abierto se deben tomar aforos sobre los mismos. Piezómetros.

El principio de un Test de Acuíferos, es que se bombea un pozo y se mide el efecto que este bombeo tiene en la lamina o tabla de agua para tal fin se requiere de un cierto número de piezómetros en las cercanías del pozo de descarga

Número de piezómetros - Los datos obtenidos midiendo el descenso del nivel del agua en un único piezómetro

permite, a menudo, calcular los valores medios de la conductividad hidráulica, de la transmisividad y del coeficiente de almacenamiento del acuífero.

- La ventaja de colocar dos o más piezómetros a diferentes distancias del pozo de descarga es que el descenso del nivel del agua se puede analizar de dos formas; estudiando las relaciones tiempo-descenso y distancia-descenso. Los cálculos realizados de esta forma son más preciso y son representativos de un área mayor.

- Se recomienda utilizar un mínimo de tres piezómetros o más de acuerdo a las diferentes condiciones.



Distancia de los piezómetros.

Al situar los piezómetros se deben considerar los siguientes aspectos: • El Tipo de Acuífero

En los acuíferos confinados, como la salida del agua es totalmente debida a la compresibilidad del material acuífero y del agua, la perdida del agua originada por el bombeo se propaga rápidamente. Por tanto dicha puede ser medida a grandes distancias, por ejemplo, a una distancia del pozo de bombeo de unos cientos de metros. En acuíferos libres o freáticos, la propagación de las perdidas de carga hidráulica es bastante lenta ya que el agua sale del almacenamiento mayormente por el drenaje de la zona a través de la cual el agua se mueve y, solo parcialmente, por la comprensibilidad del agua y del material acuífero en la zona saturada. A no ser que el período de bombeo se prolongue por varios días, dicha perdida de carga hidráulica es solamente medible a distancias bastante cortas del pozo, por ejemplo no mayores de 100 metros. Los acuíferos semiconfinados están en una situación intermedia; si se asemejan a un acuífero confinado o a uno libre, depende de la resistencia hidráulica de la capa semipermeable. • La Conductividad Hidráulica. Si la conductividad hidráulica del material acuífero es alta, el cono de depresión será muy abierto y plano, por el contrario, si la conductividad hidráulica es baja, dicho cono será empinado y estrecho. Por lo tanto, en el primer caso los piezómetros pueden ser colocados más lejos del pozo de bombeo que en el segundo. • El Caudal de Descarga del Pozo. Si el caudal de descarga del pozo es alto, el cono de depresión que se produce al bombearlo será mayor que si el caudal es bajo. Por lo tanto, en la primera situación se podrá colocar los piezómetros a más distancia del pozo que en la segunda. • La Longitud del Filtro. La longitud de los filtros influye en las distancias a las que se deben instalar los piezómetros Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


Si es un pozo de descarga con filtros ubicados enfrente de todo el espesor saturado del acuífero, el flujo del agua en el subsuelo hacia el pozo será horizontal. Los descensos del nivel del agua en los piezómetros ubicados cerca del pozo de descarga se utilizan para los análisis respectivos.

Si el acuífero a estudiar es de gran espesor y por diferentes condiciones es imposible instalar los filtros a lo largo de todo su espesor, la distribución de cargas hidráulicas o de descensos al bombear el pozo es no uniforme; especialmente en cercanías al pozo. Si la longitud del tramo de filtro instalado es menor que el espesor saturado del acuífero, debido a las componentes verticales del flujo, en cercanías del pozo se producen un tipo de descenso del nivel del agua deformado. Las lecturas de los niveles en los piezómetros muy cercanos al pozo de bombeo, pueden conducir a resultados incorrectos y por ello, requieren ser corregidos antes de ser analizados. Se recomienda entonces en estos casos, ubicar los piezómetros alejados del pozo de bombeo donde no se presentan las anomalías anteriores; en general los piezómetros más cercanos al pozo de bombeo deben estar, al menos, a una distancia del mismo igual que el espesor del acuífero. Se supone que a tal distancia el flujo es horizontal. • Estratificación. Si se conoce el modelo hidrogeológico del subsuelo en la que se harán los ensayos de acuíferos; especialmente el tipo de acuífero, su espesor, su conductividad hidráulica medía y su estratificación, será más fácil la elección de las distancias a la que los piezómetros deben ser colocados. En la mayoría de los casos colocando los piezómetros entre 10 y 100 metros del pozo del bombeo, se obtienen buenos resultados. Para obtener datos confiables en el caso de acuíferos confinados estratificados o en acuíferos de gran espesor , se deben ubicar los piezómetros a mayor distancia , de 100 a 250 metros o incluso a mayor del pozo del bombeo.

Es útil situar unos piezómetros fuera del radio de influencia, para poder medir la profundidad de la tabla de agua no afectada por el bombeo. Se debe colocar dicho piezómetro a varios cientos de metros de distancia desde el pozo o, en algunos casos, a un kilómetro o más. Si durante el ensayo, las lecturas en este pozo cambian, por ejemplo, debido a descargas o recargas naturales se pueden utilizar los datos para corregir los descensos producidos por el bombeo. • Profundidad de los piezómetros. En un acuífero homogéneo y uniforme los piezómetros deben instalarse a una profundidad aproximadamente igual a la que se encuentre el punto medio del filtro del pozo de bombeo.



Los piezómetros van equipados con filtros para entrada del agua , de una longitud de 0.5 a 1 metro. No son necesarias longitudes mayores, pero en acuíferos estratificados son útiles. En acuíferos no uniformes, con capas de arcillas intercaladas, se recomienda instalar por encima y por debajo de estas capas de arcilla para ver si existe alguna interconexión hidráulica entre las capas de arenas. Cuando sobre el acuífero a estudiar hay una capa de baja permeabilidad, por ejemplo arcilla o marga, y esta capa está, parcialmente saturada, es decir existe una capa freática, además de en el acuífero se deben instalar piezómetros en la capa situada por encima de él, donde se encuentra la capa freática. Estos piezómetros son importantes para comprobar el efecto del bombeo sobre la capa freática. • Construcción.

La calidad de las medidas de los niveles de agua se obtienen en piezómetros de pequeño diámetro cuando el diámetro es grande, el volumen de agua contenido en el piezómetro puede producir un retraso en los cambios de descenso de la tabla de agua. Cuando se emplean métodos manuales para medir la profundidad del agua, no se necesitan diámetros mayores de 5 cm. Si se utilizan registradores automáticos del nivel del agua, el diámetro debe ser mayor que en el caso anterior. En el espacio anular que rodea a los filtros instalados se debe instalar un empaque de grava seleccionada para facilitar la entrada del agua a los piezómetros. Si existen capas de arcilla intercaladas entre capas acuíferas se deben instalar sellos de arcilla o de cemento que eviten interconexiones hidráulicas o infiltraciones de un acuífero a otro. En acuíferos no uniformes con capas acuíferas intercaladas, el diámetro del hueco perforado, debe ser mayor para permitir que en el que se puedan instalar dos o más piezómetros a diferentes profundidades. Se recomienda que las elevaciones del nivel del agua en los pozos estén referidas a un dato común, por lo general con respecto a al nivel del mar. Los piezómetros instalados deben ser limpiados y desarrollados para sacar las partículas de limo y arcillas antes de utilizarlos.

5.3.4. Ejecucion de un ensayo por bombeo. Antes de iniciar un ensayo de bombeo es importante conocer en lo posible los cambios naturales en el nivel del agua del acuífero, incluyendo las variaciones en corto plazo y las que a nivel regional y a largo plazo se producen en la dirección de flujo del agua. Se debe entonces realizar las siguientes actividades: Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


- Medir dos veces al día los niveles piezómetricos durante varios días precedentes al inicio del ensayo

- Para cada piezómetro se dibuja un hidrograma del que se puede deducir la dirección e intensidad del cambio.

- Si se espera que durante el ensayo no haya cambios, se puede comenzar el bombeo. - Al final del ensayo, que es después de la total recuperación de los niveles del agua, se

deben continuar las lecturas del nivel de agua en los diferentes piezómetros durante uno o dos días Con estos datos se completan los hidrogramas y se pueden determinar los cambios de caudal y de nivel del agua durante el ensayo.

- Las lecturas anteriores se utilizan para corregir los descensos de los niveles de agua producidos únicamente por el bombeo.

- En acuíferos costeros donde las mareas afectan los niveles del agua se debe obtener para cada piezómetro una descripción completa de los cambios del nivel del agua, incluyendo los niveles máximos y mínimo así como el tiempo de ocurrencia.

- Cuando se espera que el ensayo va ha durar uno o dos días, se debe medir también la presión barométrica, los niveles de agua superficiales y la precipitación.

- En caso de que existan muchos pozos, puede suceder haya que medir el caudal de bombeo y los descensos de nivel de agua en condiciones peores que las ideales.

5.3.4.1. Medidas Las medidas a tomar durante un ensayo por bombeo se dividen en dos grupos: medidas del nivel del agua y medidas del caudal de descarga.

Medidas del nivel del agua. La parte más importante de un ensayo por bombeo es medir la profundidad del agua en todos los piezómetros y si es posible también en el pozo de bombeo. Como los niveles de agua descienden rápidamente durante la primera o dos primeras horas del ensayo, se deben tomar lecturas a intervalos cortos, aumentando esos intervalos conforme se prolonga el bombeo. En la tabla No 3 se da un ejemplo practico sobre los intervalos de tiempo entre dos lecturas en el pozo de bombeo. TABLA 3. SERIE DE INTERVALOS DE TIEMPO ENTRE MEDIDAS DEL NIVEL DE AGUA EN EL POZO DE BOMBEO ----------------------------------------------------------------------------------------------

2. Tiempo desde el comienzo del bombeo Intervalo de tiempo ---------------------------------------------------------------------------------------------- 0 - 5 minutos 0.5 minutos 5 - 60 minutos 5 minutos 60 - 120 minutos 20 minutos 120 - cierre de la bomba 60 minutos



Los niveles en los piezómetros se deben medir en forma semejante, a intervalos cortos durante las primeras horas de ensayo, aumentando los intervalos a medida que transcurre el ensayo. En la Tabla No 4, se muestra desde un punto de vista práctico los intervalos entre dos lecturas en los piezómetros ubicados en el acuífero y a relativamente cortas distancias del pozo de bombeo, ya que en ellos el bombeo afecta inmediatamente el nivel del agua. TABLA 4. SERIE DE INTERVALOS DE TIEMPO ENTRE MEDIDAS DEL NIVEL DE AGUA EN LOS PIEZOMETROS. -------------------------------------------------------------------------------------------

3. Tiempo desde el comienzo del bombeo Intervalo de tiempo ---------------------------------------------------------------------------------------------- 0 - 2 minutos aprox. 10 segundos 2 - 5 minutos 30 segundos. 5 - 15 minutos 1 minuto 15 - 50 minutos 5 minutos 50 - 100 minutos 10 minutos 100 - 5 horas 30 minutos 5 horas- 48 horas 60 minutos 48 horas 6 días 3 veces al día. 6 días cierre de la bomba 1 vez por día. Para piezómetros ubicados a distancias mayores del pozo de bombeo y para los ubicados en las capas confinantes por encima y por debajo del acuífero estudiado, son menos importantes los intervalos cortos para los primeros minutos de bombeo; adaptándose a las condiciones locales, al personal disponible. Por lo general se deben hacer lecturas frecuentes en las primeras horas de ensayos ya que el análisis de los datos del ensayo, el factor tiempo entra generalmente en forma logarítmica.

Equipos de medición de los niveles. Los niveles en los pozos o piezómetros se pueden medir de la siguiente manera: - Por medio de un registrador automático con los que se obtiene un registro continuo de los

cambios en el nivel del agua. - Se pueden medir los niveles del agua manualmente con bastante precisión, pero en este

caso hay que registrar con un cronometro el instante en que se hace la lectura. - La experiencia muestra que con una sonda eléctrica, es posible medir la profundidad del

agua con una precisión de uno o dos milímetros. - Como en las cercanías del pozo de bombeo durante las primeras horas del ensayo se

producen cambios muy rápidos del nivel del agua, el dispositivo más conveniente es, al Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


permitir lecturas directas, es el de la cinta métrica de acero con flotador conectada a un pié con índice situado en la superficie.

- Los registradores automáticos son más apropiados para piezómetros alejados del pozo de bombeo ya que los cambios muy lentos del nivel del agua únicamente pueden ser interpretados con precisión por medio de un gráfico.

- Para piezómetros situados a distancias intermedias, se puede utilizar el método del flotador o el de lecturas hechas manualmente pro, por medio de un registrador se pueden obtener observaciones extremadamente precisas, incluso cuando los niveles de agua cambian rápidamente utilizando para ello un cronómetro y marcando cada intervalo de tiempo, manualmente, sobre el papel de registro.

Después del cierre de la bomba, los niveles de agua en el pozo de bombeo y en los piezómetros comenzaran a subir: En la primera hora subirán rápidamente pero conforme pase la velocidad de este ascenso disminuirá. Se puede medir estos ascensos y esta parte del ensayo por bombeo se le llama Ensayos de Recuperación. Cuando el caudal de bombeo del pozo no es constante a lo largo del período de bombeo, los datos del ensayo de recuperación son más fidedignos que los datos de los descensos del nivel del agua recogidos durante el bombeo de esta manera los datos recogidos durante el período de recuperación pueden ser usados para comprobar los cálculos basados en los descensos de la nivel de agua durante el período anterior. El programa para la toma de datos en el período de recuperación es el mismo que el del período de bombeo. Los datos de las pruebas de bombeo son registrados en formatos preparados para tal efecto, como se puede ver en anexo. Se recomienda después de varias horas de bombeo, cuando se disponen de datos suficientes se dibujan en el campo las curvas del descenso del nivel del agua en relación con el tiempo, y las curvas descenso-tiempo, para cada pozo de observación. Esto se debe hacer en papel semilogarítmico colocando los valores del tiempo en minutos en escala logarítmica y los descensos de la capa de agua en centímetros o milímetros en escala lineal. Estos gráficos pueden ayudar grandemente para comprobar si el ensayo se está desarrollando bien y decidir el momento en el que se debe terminar el bombeo.

Medidas del caudal de descarga. Una de las disposiciones a considerar en un test de acuíferos es el caudal de descarga o de bombeo. el cual se requiere que sea constante para evitar cálculos complicados. Sin embrago esto no es un pre requisito para el análisis de los datos obtenidos, para lo cual se disponen de métodos que tienen en cuenta una descarga variable. Tanto si es debida acondiciones naturales como si es provocada deliberadamente. El caudal debe ser medido exactamente y registrado periódicamente, por lo menos una vez cada hora y es necesario hacer correcciones por medio de una válvula situada en la tubería de descarga ya que este método es más exacto que el estar cambiando la velocidad de la bomba. Los métodos para medir o estimar la descarga incluyen : - Mediante un medidor de agua comercial de capacidad apropiada. El medidor hay que

conectarlo al tubo de descarga de tal manera que se mida el caudal de descarga Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


exactamente. Se prefiere conectarlo al fondo de una curva en U del tubo, ya que en ese lugar el agua llena totalmente el tubo.

- Si se descarga el agua bombeada a una pequeña zanja, se puede medir el caudal por medio de un medidor Parshal.

- Un método simple y preciso de conocer el caudal, es el Recipiente o Volumétrico y consiste en medir el tiempo necesario para llenar un recipiente de capacidad conocida, como por ejemplo, una caneca de 55 galones. Este método se aplica cuando el caudal de descarga es pequeño.

- Para medir el caudal de una bomba sumergible, de una turbina o de una bomba centrifuga, generalmente se usa un medidor de Orificio Circular, el cual consiste de un agujero perfectamente redondo hecho en el centro de una platina circular de acero que va unida a la salida de un tubo de descarga horizontal. Al tubo de descarga se le une un tubo de piezómetro por medio de un agujero de 1/8 a ¼ de pulgada de diámetro, hecho en este último a 61 cm. de la lámina donde se encuentra el orificio. El nivel del agua en el piezómetro representa la presión en el tubo de descarga cuando se bombea el agua a través del orificio. En anexo se presentan tablas standard que dan el caudal del agua para diferentes combinaciones del diámetro del orificio y del tubo de descarga.

5.3.4.2. Duración del Ensayo por bombeo. La duración de un ensayo por bombeo depende del tipo de acuífero a estudiar y del grado de exactitud con la que se requiera establecer las propiedades hidráulicas. En algunos pozos se producen condiciones de flujo permanente o en equilibrio unas pocas horas después de comenzar el bombeo; por el contrario, en otros son necesarios varios días o semanas e incluso en algunos no se alcanzaría dicho estado aunque se continuara el ensayo durante años. En general debemos tener en cuenta los siguientes aspectos: - No es recomendado economizar intentando recortar el periodo de bombeo ya que el costo

de alargarlo unas horas extras más, es bajo comparado con el costo total del ensayo. - Continuar el bombeo hasta que el cono de depresión alcance su posición estabilizada y se

infiera que el cono no se extenderá más si se extiende el bombeo. - Los descensos medidos en los piezómetros son más pequeños conforme el ensayo

continúa, por lo que medir imprecisamente estos descensos puede llevar a una conclusión errónea.

- El cono de depresión continuará extendiéndose hasta que la carga del acuífero sea igual al caudal de bombeo.

- La experiencia indica que generalmente se alcanza el régimen permanente del flujo de agua, en acuíferos semi-confinados, después de 15 a 20 horas de bombeo.

- En acuíferos confinados una buena practica es bombear durante 24 horas. - En acuíferos libres, como el acuífero se extiende lentamente, se requiere un periodo de

tiempo de bombeo mayor y comúnmente se bombea durante 3 días. - No es absolutamente necesario prolongar el bombeo hasta que se alcance el régimen

permanente ya que existen métodos para analizar los datos obtenidos en condiciones de régimen variable.



5.3.5. Análisis de datos. Terminado el ensayo por bombeo y recogida toda la información sobre el caudal de bombeo, los descensos del nivel del agua en diferentes piezómetros y en el pozo de bombeo, las variaciones regionales naturales de los niveles de agua, etc., es necesario analizar los datos disponibles. Está elaboración de los datos incluye. - Recopilación de los datos en forma de gráficas. - Corrección de los datos sobre descensos del nivel de agua debida a cambios regionales en

el nivel del agua no causados por bombeo y a cambios, si existen, de la presión barométrica ocurrida durante el ensayo.

- Determinación del tipo de acuífero que ha sido bombeado.

5.3.5.1. Recopilación de los datos en forma gráfica. - Los datos de campo consisten en datos de tiempo expresado en diferentes unidades;

segundos durante los primeros minutos del bombeo, minutos durante las siguientes horas o días mas adelante. Inicialmente todos los dato se deben colocar en la misma unidad de tiempo.

- De igual forma, las observaciones del nivel del agua se deben convertir en descensos o abatimientos del nivel del agua con relación al nivel estático expresándolos en la misma unidad., por ejemplo en metros.

- Los datos se presentan en un formato como el que se muestra en anexo.

5.3.5.2. Corrección de datos (abatimientos) - Analizar la variación regional del nivel del agua, es decir, las variaciones de los niveles de

agua en el acuífero no debidas al bombeo. Para cada piezómetro y en función del tiempo se presentan en papel milímetrado las medidas del nivel del agua tomadas durante varios días precedentes al comienzo del ensayo y durante dos días después de la total recuperación del nivel del agua, una vez acabado el bombeo.

- Obtención para cada piezómetro de una curva tiempo-nivel de agua o hidrograma, a partir de los cuales se pueden estudiar las variaciones regionales, ascendentes o descendentes, del nivel del agua y su magnitud.

- Si los hidrogramas muestran cambios apreciables en el nivel del agua durante el periodo de bombeo, hay que determinar la magnitud de estos cambios y utilizarla para corregir datos sobre descensos y recuperaciones tomadas durante el ensayo.

- Si a lo largo del ensayo se producen apreciables cambios en el nivel del agua, el despreciar estas correcciones pueden conducir a conclusiones completamente incorrectas acerca del tiempo en el que se alcanzan las condiciones de régimen permanente.

- Cuando resulte apropiado, se deberán hacer correcciones debidas a cambios en la presión barométrica.


- Realizadas las correcciones necesarias, se dibuja una nueva serie de curvas tiempo-descenso o abatimiento


5.3.5.3. Determinación del tipo de acuíferos que ha sido bombeado. - Comparar las curvas tiempo-descenso o abatimiento obtenidas para los piezómetros

instalados en el acuífero bombeado con las formas de las curvas tipo mostradas en la Figura No 5.

- Las curvas tiempo-descenso de los piezómetros superficiales y de los piezómetros profundos situados en las capas que están por encima y por debajo del acuífero, proporcionan información adicional sobre el tipo de acuífero.

- Si la capa situada inmediatamente por debajo del acuífero contiene agua y los niveles piezómetricos en ella no son afectados por el bombeo, se le puede considerar impermeable.

- Si los niveles de agua en esta capa descienden durante el bombeo, aunque menos que en el acuífero estudiado, esta capa no es impermeable y se puede hablar de un acuífero de dos capas.

- Si la citada capa es impermeable, los descensos medidos en los pozos de observación poco profundos instalados en la capa situada por encima del acuífero pueden ayudar a determinar el tipo de acuífero;

Finalmente se debe conocer las condiciones del estado de flujo al final del periodo de bombeo para así elegir los métodos mas apropiados para la evaluación de los datos de los ensayos de bombeo.

DESCENSO DEL NIVEL DEL AGUA TIPO DE ACUIFERO EN LA CAPA SITUADA INMEDIATA MENTE ENCIMA DEL ACUIFERO

Ninguno Confinado o Semiconfinado Pequeño Semiconfinado Apreciable Semilibre El mismo que el acuífero Libre Finalmente se debe conocer las condiciones del estado de flujo al final del periodo de bombeo para así elegir los métodos mas apropiados para la evaluación de los datos de los ensayos de bombeo. - Conforme se desarrolla el bombeo las curvas tiempo-abatimiento tienden ha tomar una

forma cada vez mas plana y si sé continua el bombeo durante un tiempo suficientemente largo, las curvas tienden ha ser líneas rectas y paralelas, lo que significa que el gradiente hidráulico se ha hecho contante y el acuífero esta en régimen permanente

- Si el periodo de bombeo es demasiado corto, al terminar de bombear, ni se han estabilizado los niveles de agua, ni el gradiente hidráulico ha llegado a ser contante. El flujo del agua en este acuífero estará en una situación de régimen variable.


- Ante la presencia de barreras impermeables o a régimen de bombeo no constante las curvas de tiempo-abatimiento aplicándose en estos casos el principio de superposición.


5.3.6. Aplicación de los metodos de analisis. Los métodos de análisis de los ensayos de bombeo usados para él calculo de las características del acuífero se basan sobre varios supuestos los cuales se mencionan a continuación; El Acuífero es isótropico y homogéneo. Casi nunca esta situación se presenta en la

naturaleza debido ha que los acuíferos presentan variaciones en su composición litológica que llevan consigo variaciones en la permeabilidad de un lugar a otro. En el caso de pozos artesianos, penetrando totalmente el acuífero, él supuesto que no haya estratificación no es una limitación importante. En acuíferos libres la estratificación es más importante y debe ser tenida en cuenta al aplicar las formulas

Espesor del acuífero constante. No es un serio inconveniente, ya que el espesor por dentro del cono de depresión no cambia mucho generalmente. Si cambia mucho, se debe tener en cuenta

En general un cuidadoso examen de los datos de descenso del nivel del agua puede poner de manifiesto que un supuesto, en concreto, no se cumpla y se deberá tener esto presente al aplicar la una formula determinada.

5.3.7. Métodos para analizar los datos de un ensayo por bombeo

5.3.7.1. Flujo en régimen permanente en acuíferos confinados El procedimiento para evaluar T y S en acuíferos confinados a partir de pruebas de bombeo pueden dividirse en métodos para régimen permanente y métodos para régimen transitorio. Para este régimen se aplica la ecuación de Thiem de acuerdo con la cual: esta ecuación permite calcular T, teniendo el caudal Q de bombeo y los abatimientos s2 y s1 medidos a distancias r1 y r2 del pozo de bombeo respectivamente. Después de estimarse T, se determina S a partir de la Ecuación de Theis, si el abatimiento en uno de los pozos ha sido medido en un tiempo t.

5.3.7.2. Flujo en régimen variable o transitorio en acuífero confinados. Para régimen transitorio es común utilizar los métodos de Theis y Jacob, basados en el ajuste gráfico de los puntos experimentales obtenidos en la prueba de bombeo.



5.3.7.3. Método de Theis La ecuación de Theis puede describirse como. S´=(Q/4πT)*W(u) donde s es el abatimiento, Q es la descarga en el pozo y U=(r2S/4Tt) La ecuación puede usarse para obtener las constantes del acuífero S y T por medio de las pruebas de bombeo en pozos con penetración total. Esta ecuación asume que el acuífero es homogéneo, isotrópico, con espesor uniforme y extensión areal infinita. Además supone la superficie piezométrica horizontal, bombeo a rata constante, almacenamiento dentro del pozo despreciable y respuesta instantánea del agua removida del almacenamiento con una declinación de la cabeza. La solución completa de Theis requiere solución gráfica mediante superposición de la curva tipo W(u) versus u y la curva de abatimientos en el tiempo. Los dos gráficos son ajustados hasta que se encuentre una posición por ensayo y error tal que la mayoría de los datos observados caigan en un segmento de la curva tipo. .Se selecciona cualquier punto de la curva y se leen los valores de W(u), u, s, y r2/t, los cuales se reemplazan en las ecuaciones anteriores parar determinar S y T.

5.3.7.4. Método de Jacob-Cooper

Cooper y Jacob (1946) observaron que para valores pequeños de r y valores grandes de t el parámetro u llega a ser muy pequeño y s´ se ajusta a la ecuación: S¨=(2.30Q/4πT)log (2.25Tt/r2S) De esta manera un gráfico del abatimiento s´ versus el logaritmo de t se ajusta a una línea recta en un papel semilogaritmico. En el punto donde s´=0, t toma la forma t=to Y se obtiene S mediante: S´= (2.25Tto/r2) Finalmente reemplazando s´por ∆s´, donde ∆s´ es la diferencia de abatimiento por ciclo logarítmico de t se llega a: T= 2.3Q/4π*∆s´) El método es aplicable para valores de u menores a 0.01.

Recuperación de Theís. La recuperación ocurre después del cese del bombeo en el pozo. Si el pozo ha estado bombeado durante un tiempo τ a un caudal constante Q, parar el bombeo equivale a continuarlo, poniendo en marcha en el momento del paro, un pozo similar en el mismo sitio que recargue un caudal Q. Así Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


pues, el paro equivale a suponer el efecto de un pozo a caudal –Q situado en el mismo lugar, a un pozo de caudal Q sin parar el bombeo. Los descensos, transcurrido un tiempo t, referidos al nivel del agua en los acuíferos se llaman descensos residuales. Con las ecuaciones modificadas de Theís y Jacob para recuperación se calcula S y T y se comparan con los obtenidos durante la prueba de bombeo. Las ecuaciones de Theís y Jacob modificadas corresponden a las expresiones siguientes: S´=(Q/4πT)*W(ut+τ)-W(ut) S´=(2.30Q/4πT)log (2.25t+τ/t)

Flujo en régimen permanente en acuíferos semiconfinados. Los acuíferos semiconfinados representan un problema complejo en los mecanismos de pozos. Cuando un acuífero semiconfinados es bombeado el agua es extraída tanto del acuífero subyacente como de la porción saturada del acuitardo suprayacente. Al crearse una superficie piezométrica bajo la tabla de agua, el agua subterránea puede migrar verticalmente hacia abajo y moverse horizontalmente hacia el pozo. La fórmula que gobierna este tipo de acuíferos es la de De Glee: S=(Q/2πT)Ko(r/B) En la que Ko esta tabulada y graficada. El método de coincidencia de curvas resuelve los parámetros hidrogeológicos S y K.

Flujo en régimen variable o transitorio en acuíferos semiconfinados. La ecuación que rige este tipo de acuíferos es la de Hantush S=(Q/4πT)W(u, r/B) y u= (r2S/4Tt). R/B= r/√(T/(K´/b´) Donde T es la Transmisividad del acuífero, K´es la conductividad hidráulica del acuitardo y b´es el espesor del acuitardo. Los valores de la función W(u, r/B) Han sido tabulados y graficados por Hantush en una curva tipo en la cual r/B=0 coincide con la curva tipo de Theis. La solución de los parámetros T y S se obtiene mediante la superposición con las curvas de abatimiento contra el tiempo registradas en la prueba de bombeo. El análisis de los datos de bombeo se efectúa en forma similar a lo indicado anteriormente, escogiendo la curva tipo con el valor de r/B, que mejor se ajuste a los datos de campo.

Flujo en régimen permanente para acuíferos libresy semilibres

El cálculo de T en acuíferos libres se realiza con la fórmula de Thiem como en el caso de acuíferos confinados a régimen permanente. Si los abatimientos son importantes en relación cono el espesor saturado inicial Ho se emplea la corrección de Jacob: Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


Ho2-H2=(Q/πK)ln (R/r).

Flujo en régimen variable o transitorio en acuíferos libres y semilibres. El problema de la determinación de parámetros hidráulicos en los acuíferos libres se dificulta debido a que el vaciado de los poros no es instantáneo y se produce un drenaje diferido, la transmisividad varia con el tiempo y el dominio de flujo varia con el tiempo ya que él limite superior está constituido por la superficie freática. La curva de descensos versus tiempo tiene varias fases. En los primeros minutos el nivel en el pozo de observación decrece rápidamente. Sin embargo, este no es indicador de la elevación del nivel freático del acuífero, siendo este más alto que el del pozo de observación. Debido a que el nivel freático no desciende significativamente durante los primeros minutos de bombeo, el volumen de agua extraído no debe ser resultado del drenaje de poros, sino más bien de la compactación del acuífero y expansión del agua. Por esto el primer tramo de la curva tiene un comportamiento cercano al de un acuífero confinado con coeficiente de almacenamiento S. Posteriormente se produce un drenaje vertical debido a la diferencia de cabezas piezométricas entre el pozo y el nivel freático hasta cuando el comportamiento obedece a la ecuación de Theis coincidiendo S con la porosidad efectiva.

5.3.8. Pruebas slug Las pruebas de slug requieren de un simple pozo para la determinación de las constantes de la formación acuífera. En lugar de bombear el pozo por un periodo de tiempo, un volumen de agua es de repente removida o añadido al pozo y las observaciones de recuperación del abatimiento son anotadas a través del tiempo. Con una evaluación cuidadosa de la curva de abatimiento y conocimiento de la geometría de los filtros es posible obtener K o T para un acuífero. El procedimiento típico requiere el uso de un cilindro de diámetro más pequeño que el casing del pozo o una bomba para evacuar el agua del pozo. El método más usado para calcular la conductividad hidráulica es el de Bouwer y Rice (1976). Aunque él fue diseñado inicialmente para acuíferos libres, puede ser usado para confinados o acuíferos estratificados si el tope del filtro está a laguna distancia bajo la capa confinante superior. El método se basa en la ecuación: K=[rc2ln(Re/rw)/2Le]*1/t*ln(yo/yt) Donde: rc= radio del casing



yo= Diferencia vertical entre el nivel del agua dentro del pozo y la tabla de agua afuera en el tiempo t=0. Yt= Diferencia vertical entre el nivel del agua dentro del pozo y la tabla de agua afuera en el tiempo t=0. Re= Distancia radial efectiva para la cual y es disipada, y varia con la geometría del pozo. rw= Distancia radial efectiva de la porción no disturbada del acuífero (usualmente es el espesor del empaque de grava). Le= Longitud del filtro, perforado o sección abierta del piezómetro. t= tiempo y y t son las únicas variables. Así, si se toman un número de medidas de y y t, estas se plotean sobre un papel semilogarítmico y se obtiene una línea recta. La pendiente de la línea recta que más se ajusta provee un valor para ln(yo/yt)/t. Solamente la porción recta de la línea debe usarse para calcular K. El método de Hvorslev relaciona el flujo q(t) en el piezómetro para cualquier tiempo con la conductividad hidráulica de la distancia de cabeza no recuperada Ho-h mediante Q(t)=πr2 *dh/dt=FK(Ho-h) Donde F es un factor que depende de la forma y dimensiones del piezómetro. Si q=qo en el tiempo t=0 entonces q(t) decrecerá hacia cero con el incremento del tiempo. Hvorslev definió el rezago del tiempo básico: To=πr2/FK Y resolvió la ecuación con las condiciones iniciales h=Ho en el tiempo t=0. Así: (H-h)/(H-Ho)=e-t/To. Ploteando (H-h)/(H-Ho) contra el tiempo en un papel semilogarítmico se encuentra que t=To, donde la recuperación es 0.37. Para piezómetros en los cuales la longitud sobre el radio (L/R) es mayor que 8 el valor de K se obtiene como: K=r2ln(L/R)/2Lto Se han desarrollado además una familia de curvas tipo H(t)/Ho versus Tt/rc2 para diferentes valores de α, definida como (rs2/rc2)S. El método requiere solución gráfica mediante ploteo en papel semilogarítmico de H(t)/Ho versus t. Los datos son entonces apareados a la curva tipo ploteada por traslación horizontal hasta el mejor ajuste y se selecciona el valor de α para la curva en particular. Para Tt/rc2= 1.0 se halla T. El valor de S se encuentra de la definición de α.. El método es representativo de la formación únicamente en la vecindad inmediata del pozo de prueba. Las pruebas de slug requieren de un simple pozo para la determinación de las constantes de la formación acuífera. En lugar de bombear el pozo por un periodo de tiempo, un volumen de agua es de repente removida o añadido al pozo y las observaciones de recuperación del abatimiento son



anotadas a través del tiempo. Con una evaluación cuidadosa de la curva de abatimiento y conocimiento de la geometría de los filtros es posible obtener K o T para un acuífero. El procedimiento típico requiere el uso de un cilindro de diámetro más pequeño que el casing del pozo o una bomba para evacuar el agua del pozo.

5.4. FORMATO DE CAPTURA DE DATOS HIDROGEOLOGICOS. Los datos se recolectarán teniendo como referencia un formato de captura cuya concepción responde a la necesidades y alcance de la base de datos del Sistema de Información Ambiental. El formulario se ha dividido en X partes: El formato comprende además anexos para colectar información sobre diseño de pozos, registros eléctricos, columna litológica, hidroquímica los cuales se diligenciarán junto con el formato general siguiendo las pautas de la Guía de diligenciamiento anexa.

5.5 CONTROL DE LA CALIDAD DE LA INFORMACION HIDROGEOLOGICA. A continuación se presentan los métodos para corregir los datos del descenso o abatimiento del nivel del agua en los piezómetros debido a influencias externas, es decir, influencias independientes de las actividades relacionadas con el ensayo por bombeo. En la segunda parte, se describen la conversión entre diferentes tipos de unidades y se dan tablas para facilitar estas conversiones.

5.5.1. Corrección por influencias externas Los datos observados de descensos o abatimientos del nivel de agua en los piezómetros pueden estar influidos por elementos que no se tienen en cuenta en los métodos de análisis. Estos factores son:

Recarga o descarga natural del acuífero Cambios en la presión barométrica. Influencia de la marea en la presión del agua en los acuíferos. , etc.

Para determinar si el acuífero esta influenciado por fuerzas externas o no, es recomendable comenzar la recolección de los datos de los piezómetros unos pocos días antes de llevar a cabo el ensayo por bombeo y proseguir dicha recolección unos pocos días después de la recuperación total del acuífero. Con la misma finalidad se pueden tomar datos durante el bombeo en un piezómetro instalado fuera del radio de influencia del pozo de bombeo. Cuando, durante el periodo posterior a la recuperación se observa que el nivel de agua en los piezómetros es el mismo que durante el periodo pre-bombeo, se puede suponer que ninguna fuerza externa ha influido en el acuífero durante el bombeo. Sin embargo, si el nivel del agua está sometido Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


a cambios unidireccionales o rítmicos, hay que corregir los datos de los descensos del nivel del agua antes de que se puedan emplear en uno de los diferentes métodos de análisis.

5.5.2..Variación unidireccional El acuífero puede estar bajo la influencia de recarga o de drenaje natural con lo que se produce un ascenso o un descenso constante del nivel piezométrico. Por ello, se debe preparar para cada piezómetro una gráfica representando el nivel del agua en él en función del tiempo; el período comprendido comenzará unos días antes del bombeo y terminará después de la recuperación total del acuífero, una vez que se ha obtenido, de nuevo, la línea de variación natural del nivel del agua. Interpolando en la curva de variación natural, se obtienen las correcciones que se deberán aplicar a los datos obtenidos durante el período de bombeo y durante la recuperación. Por ejemplo si el acuífero está sometido a una variación unidireccional y que el nivel del agua en un piezómetro en el tiempo to (comienzo del ensayo del bombeo), es ho. Por interpolación hecha en la curva de variación natural, se deduce que el nivel del agua para el tiempo t1, hubiera sido h1 si no se hubiera bombeado. Por ello, los valores absolutos del cambio del nivel de agua debido a la variación natural para el tiempo t1, son ho-h1=∆h1. Si para el tiempo t1, el descenso del nivel del agua en el piezómetro es s1, donde s1 es el descenso en relación con el nivel piezométrico para el tiempo t=to el descenso debido al bombeo será: En el caso de drenaje natural: s1’= s1 -∆h1 En el caso de recarga natural: : s1’= s1 +∆h1 Se puede emplear el mismo procedimiento cuando los cambio unidireccionales son debidos a la presión barométrica.

5.5.3. Fluctuaciones rítmicas. Pueden ser debidas a la influencias de las mareas, fluctuaciones del nivel del río, diferencias entre la evaporación durante el día y la noche, o a variaciones rítmicas de la presión barométrica. Una gráfica representando el nivel del agua en los piezómetros en función del tiempo para un período que cubra suficientemente el periodo pre-bombeo y el posterior a la recuperación total del acuífero, dará la suficiente información para la corrección de los descensos del nivel de agua observados durante el ensayo por bombeo.

5.5.4. Fluctuaciones regulares no rítmicas.



En una gráfica representando el nivel del agua en función del tiempo, correspondiente al periodo de pre-bombeo, también se pueden detectar fluctuaciones regulares no rítmicas debidas, por ejemplo, a cambios en la presión barométrica. En este caso, se debe preparar una gráfica presión barométrica-nivel piezométrico que permita corregir los datos observados del descenso del nivel del agua en los piezómetros. Dentro de este tipo de fluctuaciones, están incluidas las debidas al paso de trenes, especialmente en acuíferos confinados.

5.5.5. Fluctuaciones únicas En general, no se pueden corregir los descensos observados del nivel del agua durante un ensayo de bombeo en el que se producen fluctuaciones únicas causadas, por ejemplo, por un terremoto, una lluvia fuerte o una creciente repentina de un río que esta conectado hidráulicamente con el acuífero. En ciertas condiciones favorables, se pueden tener en cuenta tales fluctuaciones obteniendo la corrección extrapolando en los datos obtenidos en un piezómetro control instalado fuera de la zona de influencia del bombeo. Pero en general, los datos de tal ensayo son inutilizables y será necesario repetir el ensayo una vez que la situación sea nuevamente normal.



BIBLIOGRAFIA • Kruseman, G. P and Ridder, N. A., Analysis and Evaluation Pumping Test Data. Internacional

Institute for Land Reclamation and Improvent, 1994. • Kruseman, G. P and Ridder, N. A; Análisis y evaluación de los datos de Ensayos por Bombeo.

Internacional Institute for Land Reclamation and Improvent, 1975. • Quintero S. J; Análisis de Pruebas de Bombeo, Universidad Nacional, 1975. • Quintero S, J; Hidráulica de Pozos, Universidad Nacional, 1974. • Bedient, B; Rifai, H. S; Newell, CH. J; Ground Water Contamination; Prentice Hall International,

1994. • Custodio E, Llamas R. M; Hidrología Subterránea. Ediciones Omega, 1983. • Driscoll G. F; Ground water and Wells, Publish by Jhonson División, St Paul, Minnesota, 1986.



4. PROCESAMIENTO Y CALIDAD DE LA INFORMACION HIDROLOGICA BASICA

4.1 COMPONENTE DEL PROCESO DE DATOS 2

4.2 SISTEMAS DE VALIDACION AUTOMATICOS 5

4.3 CÁLCULO Y PROCESAMIENTO DE LOS NIVELES 6 4.3.1 Entrada de datos 6 4.3.2 Procedimientos de proceso 8 4.3.3 Salida de datos 10

4.4 CÁLCULO Y PROCESAMIENTO DE LOS DATOS DE CAUDALES LIQUIDOS 10 4.4.1 Curvas de gastos 11

4.4.1.1 Construcción 11 4.4.1.2 Extrapolación 16 4.4.1.3 Entrada de datos 16

4.4.2 Cálculo de caudal 17 4.4.3 Salida de datos 17 4.4.4 Control de calidad de los caudales 18

4.4.4.1 Balances de Caudales 18 4.4.4.2 Test Caudales 18

4.5 CALCULO Y PROCESAMIENTO DE LOS DATOS DE SEDIMENTOS EN SUSPENSION 19

4.6 CONCLUSIONES 25

BIBLIOGRAFIA 26

ANEXO No. 4.1 : DETERMINACION DEL Ho ó EXTRAPOLACION DE NIVELES MINIMOS PARA CURVAS DE GASTOS 31

1 Método Logarítmico 31 2 Método de Running 31 3 Método de Johnson 32

ANEXO No. 4.2 : EXTRAPOLACION DE CURVAS DE GASTOS PARA NIVELES ALTOS 34 1 ANTECEDENTES 34 2 EXTRAPOLACION DE CURVAS DE GASTOS PARA NIVELES ALTOS 34

2.1 METODO DE MANNING 35 2.1.1 Conceptualización 35 2.1.2 Pasos a seguir 36

2.2 METODO DE STEVENS 38 2.2.1 Conceptualización 38 2.2.2 Pasos a seguir 39

3 CONCLUSIONES 41


1


4. PROCESAMIENTO Y CALIDAD DE LA INFORMACION HIDROLOGICA BASICA La información hidrológica básica es usada para mejorar la comprensión de los procesos hidrológicos, por tanto en la etapa de producción del dato la garantía de la calidad de la información es un componente muy importante ya que el objetivo del control de calidad es asegurar la mayor estandarización posible de los datos primarios antes que se encuentren disponibles para los usuarios. La componente calidad participa a todo lo largo del proceso continuo que va desde las actividades de terreno como son, la selección del sitio de recolección de datos y el mantenimiento de los instrumentos hasta la difusión de datos e información. El dato como producto se obtiene con el procesamiento de la información y análisis lo cual debe ir acompañado de un programa informático (software) versátil, acorde con la tecnología actual, con sistemas operativos y programas de almacenamiento bien desarrollados, con los apropiados controles y con la capacidad de comparar registros procedentes de estaciones vecinas y de visualizar en una pantalla gráfica los registros que se van capturando para su validación. En la etapa de procesamiento se deben realizar programas de validación que sean ejecutados por el computador pues esto da objetividad y uniformidad a la información, haciendo que los datos sean sometidos al mismo examen en muy poco tiempo El procesamiento de datos hidrométricos se refiere generalmente a los niveles, caudales, transporte y concentración de sedimentos, y este implica transformar los datos brutos a ciertas formas que sean fáciles de utilizar y manipular para los usuarios. Los datos comúnmente entran al sistema mediante el registro de manuscritos, por conversión mecánica de registros analógicos o en forma digital. Los datos brutos son en general comprimidos o reformateados a una forma más útil, y deben estar sujetos a una variedad de revisiones de calidad en las etapas correspondientes. Independientemente del tipo de datos que se esté procesando o el camino que su procesamiento tome, un requerimiento básico es el de mantener un estándar de operaciones que no degrade la calidad de los datos. El sistema debe estar estructurado de forma que garantice controles específicos en cada etapa del trabajo.

4.1 COMPONENTE DEL PROCESO DE DATOS En la tabla No. 4.1 se puede observar la secuencia lógica de los componentes del proceso de datos.


2


Tabla No. 4.1 Componentes Del Proceso De Datos

Procesamiento de datos Preparación de

datos Introducción de datos Validación Procesamiento

primario Actualización de la base de

datos

Procesamiento secundario

Extracción de datos Salida de datos

Preparación dedocumentos para la digitalización:

1. Documentos numéricos

1. Transcripción del contenido del cuaderno de terreno.Formato de datos no estándar

b. Introducción mediante medios informáticos: cintas y discos magnéticos

2. Codificación,

reducción/normalización de datos de entrada

a. Introducción directa por unidad de presentación visual

2. Diagramas y cartas. Entrada

directa de datos por una tableta digitalizadora

3. Medios informáticos

compatibles: a. Cintas magnéticas o cassettes b. Diskette c. Memoria integrada d. Líneas de comunicación

(datos teletransmitidos) e. Lectura gráfica/Lectores

ópticos

1. Control de máximos y mínimos

2. Control por

totalización 3. Control de

homogeneidad entre estaciones

1. Normalización de lasunidades

1. Añadir

series de nuevos datos a la base existente

2. Cálculo de los

parámetros derivados

3. Nueva

codificación de los datos de entrada para reducir las necesidades de memoria

4. Adaptar los

datos al formato de base de datos

2. Señalar

cualquier error

1. Programas para el informe de rutina

2. Resúmenes

estadísticos 3. Introducción de

los valores de datos faltantes

4. Interpolación o

introducción de datos

Selección de los datos: 1. Tipo de

parámetro 2. Valor de

parámetro 3. Posición 4. Período de

registro 5. Periodicidad del

registro

1. Impresoras, plotters

2. Unidad de

presentación visual

3. Medios de

almacenamiento informático

4. Microfilms 5. Teletransmisión

Corrección de errores Fuente: OMM No 168, Guía de prácticas hidrológicas: adquisición y proceso de datos, análisis, predicción y otras aplicaciones


3


4.2 SISTEMAS DE VALIDACION AUTOMATICOS A fin de examinar la amplia gama de técnicas disponibles para los sistemas de validación automática de datos es útil distinguir los errores absolutos, los errores relativos y los errores físico-estadísticos. Los errores absolutos implican que esos datos o códigos de valores tengan una gama de valores que no tienen ninguna posibilidad de ser excedidos. Así, las coordenadas geográficas de una estación deben estar ubicadas dentro de los límites del país, la fecha debe estar entre el 1 y 31 ó 30 dependiendo del mes. Los datos que no correspondan a estas condiciones deben ser incorrectos, y se deben identificar fácilmente para corregirlos. Los controles relativos incluyen: A. Una gama prevista de variables. B. El cambio máximo esperado en una variable entre observaciones sucesivas. C. La diferencia máxima esperada en las variables entre estaciones cercanas. La definición del ámbito de variaciones aceptables requiere tomar ciertas precauciones para que el volumen de búsqueda no sea muy importante. Durante las primeras etapas del desarrollo de la base de datos, es aconsejable asignar límites de tolerancia bastante amplios. Estos límites pueden ser acotados posteriormente, cuando se obtuviesen mejores datos estadísticos sobre las variaciones del parámetro analizado. Si bien se requiere un análisis exhaustivo de las series históricas, las gamas esperadas para controles relativos (método A.) deberían ser calculadas para distintos intervalos de tiempo, incluido el intervalo en que los datos fueron observados. Esto es necesario porque la varianza de datos disminuye con el incremento de tiempo. Los niveles fluviales diarios primero se compararían con una gama esperada de valores diarios para un período de tiempo determinado, por ejemplo, el mes en curso. Como es posible que cada valor diario pueda caer en la gama esperada, pero que el conjunto entero de datos sea sistemáticamente falso, demasiado alto o bajo, los controles posteriores se realizarán en un período de tiempo más largo. Así, al final de cada mes, el promedio de los valores diarios del mes en curso debe ser comparado con el promedio a largo plazo del mes dado. En forma similar, al final de cada año hidrológico, el promedio para el año en curso se debe comparar con el promedio anual a largo plazo. Esta técnica es de aplicación general en hidrología a todas las series de datos cronológicos. El método de comparar cada dato con la observación precedente, (método B.), se refiere sobre todo a las variables que muestran correlación serial importante, por ejemplo, la mayoría de tipos de datos del nivel de agua. El método C. es una variación del método B., pero usa criterios de cambios aceptables en el espacio más bien que en el tiempo. Este tipo de control es particularmente efectivo para valores de niveles y caudales de ríos de la misma cuenca, aunque en cuencas más grandes algunos datos rezagados serán necesarios antes de hacer las comparaciones entre las estaciones.


5

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Los controles geoestadísticos incluyen el uso de la regresión entre variables relativas para predecir valores esperados, por ejemplo comparación de niveles de agua con precipitación total. Estos controles están basados en el uso de series cronológicas, de correlación y de regresión múltiple.

4.3 CÁLCULO Y PROCESAMIENTO DE LOS NIVELES Es importante conocer que los niveles de un río se pueden obtener de varias formas: A. De lecturas directas de las miras ó también llamados limnímetros. Se realizan dos observaciones

al día, a las 6:00 y a las 18:00 horas, en estaciones donde los ríos presentan cambios suaves en su nivel siendo suficientes dos lecturas. Para períodos de crecidas se realizan más observaciones al día de tal manera que los datos definan, así sea en forma suavizada, el hidrograma real de la crecida.

B. De lecturas directas de los Maxímetros. Son instrumentos de los cuales se leen los datos de

valores máximos de nivel que se presentaron. C. De las gráficas registradoras de los limnígrafos. Provee un continuo registro del nivel del río. D. De las estaciones automáticas. Son datos recibidos de satélites.

4.3.1 ENTRADA DE DATOS Los pasos a seguir para procesar una gráfica de limnígrafo son: A. Analizar si el plano “0” (cero de referencia) de la mira no ha variado. En caso de variación, los

datos deben ser corregidos de acuerdo a ésta. La variación del plano “0” de referencia puede ser causada por cambios de los sitios de instalación de las miras o desplazamientos de éstas en sentido vertical.

En el caso de que se haya instalado una mira en otro perfil, será necesario establecer la correlación entre los niveles simultáneos leídos en las dos miras (nueva y antigua) y transformar los niveles de la mira antigua con el fin de que los niveles se refieran a la misma mira. En el caso de que la mira nueva se haya instalado en el mismo sitio de la antigua pero el plano “0” este a una altura diferente, se calcula la diferencia y se suma algebraicamente este valor a todos los niveles de la mira antigua.


6

En el caso de que, por análisis de levantamientos topográficos, resulte que el plano “0” de la mira se haya cambiado, se determina la diferencia y se suma algebraicamente este valor a todos los niveles leídos en el período anterior a la fecha en la cual se produjo el cambio, de tal manera que todos los niveles queden referidos al último plano “0” de la mira.

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM B. Verificación de las gráficas del limnígrafo. Antes de que los datos sean sometidos al sistema de

procesamiento, existe una etapa de validación la cual consiste en evaluar las gráficas para prepararlas a la siguiente etapa. En esta evaluación se detecta si existen errores en tiempo y en nivel y con la ayuda de las lecturas del observador se determina si los registros se pueden considerar de buena calidad o si son defectuosos; si se justifica hacer las correcciones tanto en tiempo como en nivel. Dependiendo de cómo se encuentre la gráfica el error se distribuye lineal ó gradualmente si se debe a un atraso o adelanto gradual del reloj, para todo el período de la gráfica.

Las horas y el nivel escrito en las gráficas por los inspectores, tanto al inicio como al final de la gráfica, definen la magnitud de la corrección. Se debe poner especial atención para determinar si la corrección de tiempo se debe a la interrupción del reloj o si se puede distribuir razonablemente en el período del gráfico. Se debe hacer un control de las observaciones del observador ploteándolas sobre el gráfico. Esto también permite observar errores de los datos registrados, corregirlos si fuera necesario y detectar cuando se trata de inversiones del sistema de inscripción. Uno de los sistemas de validación de datos, por errores debidos a la entrada de datos es visualizar gráficamente en la pantalla los datos que se van codificando y compararlos con el gráfico original. También se puede comparar gráficamente los gráficos de estaciones cercanas para controlar la homogeneidad entre varias estaciones. La superposición de registros de niveles de agua, procedente de estaciones vecinas, es en general útil sobre todo si las estaciones están ubicadas sobre el mismo sistema fluvial. En el gráfico No. 4.1 se puede observar ejemplos de discontinuidades o errores que se pueden presentar en las actualizaciones anuales sucesivas de la base de datos principal.

C. Establecer los puntos de quiebre o cambios de pendiente de toda la gráfica, entre los cuales posteriormente el programa interpolará linealmente. Esta técnica reduce el tiempo dedicado a digitalizar, particularmente en gráficos donde hay un período prolongado con poco o ningún cambio del nivel.

D. Digitar los puntos en los cuales hay quiebres, utilizando una mesa digitalizadora. Si no se

cuenta con esta herramienta, los datos deben ser transcritos a un formato estándar de entrada, ver formato No. 4.1, en donde se debe tener presente los códigos que se han establecido para saber la procedencia del dato que puede ser de gráfica, de lectura directa de la mira, de maxímetro o de satélite. También se pueden tener códigos para calificar el dato, es decir que indique si el registro es considerado de buena calidad o no.

En esta etapa de entrada de datos se incluye una fase de validación que consiste en el control de los intervalos de variación comparando el dato respecto a los límites superior e inferior (límites de confianza estadística).


7

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Cuanto más completos son los datos, más útiles son, por esto en esta etapa se pueden reconstruir algunos registros faltantes, pues esta actividad posterior al procesamiento requiere de inversión y tiempo. A veces, los informes de las lecturas de la mira son incompletos, los cuales se pueden estimar o interpolar. Por ejemplo, durante la disminución del nivel de agua de un río en una temporada seca, la interpolación de datos de 10 a 30 días puede ser justificada si las observaciones de precipitación y la temperatura indican que no fue importante el aporte de lluvia. Estos valores interpolados o estimados se identifican claramente en la base de datos porque tienen un código específico. Gráfico No. 4.1: Series en función del tiempo para el control de datos de flujo

fluvial

Fuente: OMM/FAO, 1985: Guidelines for Computerized Data Processing in Operational Hydrology and Land Water Management. OMM-No. 634, Ginebra.

4.3.2 PROCEDIMIENTOS DE PROCESO El proceso primario está compuesto de procedimientos que son necesarios para transformar los datos de entrada a fin de almacenarlos, imprimirlos o visualizarlos en pantalla. Es importante anotar que dentro de sus componentes previos están el ajuste de datos por errores conocidos y la agregación e interpolación de datos.


8


DIA MES AÑO

Codificador Página TR

Revisor De

DIA

INST

15 17 23 29 35 41 47 53 59 65

NIV

EL

HO

RA

NIV

EL

NIV

EL

NIV

EL

NIV

EL

HO

RA

NIV

EL

FECHAH

OR

A

NIV

EL

HO

RA

HO

RA

HO

RA

HO

RA

HO

RA

REPUBLICA DE COLOMBIA MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTE

NIV

EL

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALESFORMATO Nº 4.1 - NIVELES HORARIOS

4

MESAÑOTICODIGO


9

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM Una vez editados todos los valores horarios de una estación, se calculan los valores medios diarios de los niveles mediante el promedio aritmético de las 2 lecturas de mira, si la estación no tiene registrador, o de los 24 valores horarios extraídos de la gráfica del limnígrafo. En el caso de que en una estación sin limnígrafo, se hayan producido avenidas entre las horas de observación de nivel, los valores medios diarios se calculan como promedio aritmético tanto de las dos lecturas normales como de las lecturas extraordinarias que pudiesen haber sido efectuadas durante las crecidas.

4.3.3 SALIDA DE DATOS Son los valores característicos de nivel de una estación. Estos pueden clasificarse en: Datos básicos fundamentales. Corresponden a los valores horarios de los niveles que fueron digitados y que no tienen ningún proceso más que el análisis de su calidad. De aquí se pueden extraer los valores máximo y mínimo instantáneo de toda la serie o del período que se desee. Valores Agregados o datos derivados principales. Son los datos que resultan de haber procesado los datos básicos. Ellos se pueden tener a nivel DIARIO, DECADAL, MENSUAL Y MULTIANUAL. Por ejemplo nivel medio diario/decadal/mensual/anual/multianual; Nivel máximo diario/decadal/mensual/anual/multianual y Nivel mínimo diario/decadal/mensual/anual/multianual.

4.4 CÁLCULO Y PROCESAMIENTO DE LOS DATOS DE CAUDALES LIQUIDOS Hay varias etapas requeridas para obtener datos de caudal líquido. La primera se refiere a la medición del caudal, la segunda incorpora los caudales medidos en las curvas de calibración, la tercera describe el cálculo de caudales a partir de datos de nivel y la última reseña algunos análisis estándar que utilizan estimaciones de caudal. Cuando se tiene una estación hidrológica nueva, se debe primero que todo elaborar la Curva de Gastos partiendo de los aforos líquidos que se han realizado en la sección, los cuales se encuentran en un formato estándar dentro de la base de datos, ver formato No. 4.2; si los caudales medidos no cubren toda la gama de variación de niveles, se hace necesario la extrapolación de la curva. Pero si la estación ya tiene una curva de gastos definida, se deben plotear los valores de los aforos líquidos (nivel y caudal) en la curva vigente para analizar la dispersión de ellos y poder determinar la continuidad o no-continuidad de la curva. Es importante tener presente que los aforos que se utilizan para elaborar las curvas de gastos deben tener previamente un control de calidad, es decir que se debe tener la certeza de que ellos son representativos de la sección. Algunos de los aspectos que involucran el control de calidad de los aforos líquidos son el verificar que se hayan tomado en campo los ángulos de arrastre en aquellos Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM secciones en donde se presenten; que si son aforos con solo mediciones de velocidades superficiales, se les haya hecho la corrección a la velocidad media; que la línea sobre la cual se hizo el aforo sea perpendicular al flujo de la corriente, de lo contrario debe hacersele corrección de los anchos para no sobrevalorar el cálculo del área.

4.4.1 CURVAS DE GASTOS Las curvas de gastos definen la relación que existe entre el nivel y el caudal. Esta relación se puede determinar después de realizar muchas mediciones de caudales que cubran una gran serie de caudales y usando los valores de niveles y caudales para definir una curva continua de gastos.

CODIGO ESTACION

ANCHO AREA PROFUND. VELOCID. METODO PERIMETRO RADIO SEDIMENT. TEMPER.Nº FECHA SECCION SECCION MEDIA MEDIA NIVEL CAUDAL DE MOJADO HIDRAUL. R2/3 DEL AGUA OBSERVACIONES

AFORO (m) (m²) (3):(2) (7):(3) MEDIO (m3/s) AFORO (2)+2(4) (3):(9) (10)2/3 (5):(11) ºC(m) (m/s) (m) (m) (m) (m)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

R = RADIO HIDRAULICO I = PENDIENTE HIDRAULICA n = COEFICIENTE DE RUGOSIDAD C = CONCENT. MEDIA DE SEDIMENT

REPUBLICA DE COLOMBIA MINISTERIO DEL MEDIO AMBIENTEINSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES

FORMATO Nº 4.2 - RESUMEN DE AFOROS

CORRIENTE DE AGUA

)/( 3mkgCn

1

4.4.1.1 CONSTRUCCIÓN La mayoría de corrientes y ríos, especialmente los no aluviales exhiben control permanente, por lo que la relación entre el nivel y el caudal se expresa como: Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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Q = a * (H-Ho)b (1) En donde Q es el caudal; H es el nivel; Ho es el nivel al cual el caudal es igual a 0 y a y b son las constantes de la curva de gastos. Esta expresión puede ser expresada gráficamente ploteando aritmética o logarítmicamente los valores de los aforos líquidos, es decir los niveles con su correspondiente caudal. Los mejores valores de a y b son obtenidos por el método de mínimos cuadrados. Sin embargo, de acuerdo a la geometría del cauce de la sección, la cual se conoce a través de perfiles transversales, estos coeficientes a y b no necesariamente son los mismos para todo el rango de niveles, por ejemplo existen cauces en donde a determinado nivel tienen un ensanchamiento brusco. Como se puede observar, la principal incógnita en la ecuación anteriormente planteada es el Ho, para la cual existen métodos alternativos disponibles para su determinación. En el anexo No. 4.1 se plantean algunos de dichos métodos. Vale la pena aclarar que existen algunas secciones de control no permanentes es decir que la relación que existe entre el nivel-caudal no es única, por lo tanto cambia con el tiempo. Esto se debe básicamente a cambios en las características de la sección por crecimiento de vegetación; a los fenómenos de agradación o degradación en cauces aluviales; a la influencia de las mareas en las secciones y a los efectos de flujo no estable que ocasiona cambios rápidos del nivel. En estos casos es imprescindible que se tengan aforos líquidos frecuentemente, que permitan por un lado actualizar las curvas de gastos y por otro lado analizar detalladamente los fenómenos que se presentan para establecer las correctas relaciones nivel-caudal. Todos los cauces de agua por naturaleza están sometidos a cambios continuos de sus características hidráulicas, salvo en contadas excepciones; por eso juega un papel muy importante el sitio donde se encuentra ubicada la estación hidrológica, el cual debe seleccionarse de acuerdo a criterios que garanticen la estabilidad de la sección y la mayor cercanía del flujo de la corriente al régimen uniforme. Cuando los cauces son inestables, varían las condiciones hidráulicas del mismo de tal forma que se hace presente el fenómeno de histéresis en la curva H=F(Q), por lo tanto el proceso de construcción de curvas de gasto, para cauces inestables, debe tomar en consideración la poliyectividad de esta función. Siguiendo los protocolos de selección de puntos para la instalación de estaciones hidrológicas, es fácil advertir, que uno de los requerimientos primordiales es la estabilidad de la sección; sin embargo, en la naturaleza, se presentan casos en los cuales esta condición no se cumple y aún así es necesario efectuar el seguimiento de los caudales. En este trabajo se presenta la rutina de construcción de curvas de gasto para cauces estables e inestables. La capacidad de transmisión hidráulica de un cauce se representa por su caudal, y por la relación que este guarda con un determinado nivel; cuando los cauces son estables, las curvas de gastos se caracterizan por una relación uno a uno entre caudal y nivel; la monoyectividad de esta relación se puede determinar por la dispersión entre la magnitud del caudal aforado y el valor de caudal obtenido por medio de la curva de gasto trazada. Desde el punto de vista criterial la dispersión entre estas magnitudes no debe superar el error sistemático del aforo, de acuerdo con evaluaciones, realizadas por los autores, el error sistemático de los aforos realizados en la red de observaciones


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM del IDEAM en promedio no supera el 10%, por lo tanto para considerar que una curva de gasto, en una determinada sección, presenta una relación estable o monoyectiva es necesario, que la dispersión entre los caudales aforados y los obtenidos a través de la curva de gasto, no supere ese 10%, que corresponde al promedio del error sistemático de las metodologías de aforo recomendadas por el IDEAM. Inicialmente no se tiene información acerca de la estabilidad del punto escogido para el aforo de caudales, por lo tanto es necesario, después de las primeras campañas de medición, evaluar la estabilidad de la sección. El proceso de construcción es tradicionalmente una rutina manual en la que la opinión del especialista es muy importante. Existen algunos aplicativos semiautomáticos para la construcción de curvas de gasto, pero estos por lo general carecen del elemento necesario para la evaluación de la estabilidad de la curva. El proceso de construcción contiene los siguientes pasos: A. Verificación del resumen de aforos. Consiste en un simple análisis de concordancia entre los valores que se presentan en el resumen de aforos, por lo general se realiza para evitar errores de transcripción de datos. Es un procedimiento manual. B. Ploteo de los puntos nivel - caudal, nivel - área, nivel - velocidad. Para contar con la posibilidad de analizar integralmente el comportamiento hidráulico de la sección se dibujan, en un mismo plano cartesiano, con referencia a un solo eje de ordenadas (H - nivel) y a varios ejes de abscisas (Q - Caudal, A - Area, V- Velocidad) tal como se muestra en la siguiente figura

V=F(H)

A=F(H) Q=F(H)


13

INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM C. Trazado de las curvas medias por los campos de puntos. Sí el paso anterior se realizó con ayuda de un paquete gráfico, existe la posibilidad de que ese mismo paquete aplique un proceso de aproximación por mínimos cuadrados, o por cualquier otro método, ajustando de este modo una ecuación analítica a cada campo de puntos. Este proceso también puede realizarse en forma manual sin perder precisión. Durante la construcción manual es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones: ♦ Las curvas se construyen en papel milimetrado de formato A2, utilizando el sistema de

coordenadas cartesianas. ♦ La escala de los diferentes ejes depende de la amplitud de oscilación de los caudales, áreas,

niveles y velocidades; estas escalas se escogen de tal forma que las curvas tengan las siguientes inclinaciones: H = f(Q)- 45 grados, H = f(A) y H = f(V) - 60 grados.

♦ Para que las curvas no se intercepten los orígenes de las abscisas de cada curva se trasladan hacia la derecha con respecto al origen de la curva que le antecede.

♦ Para facilitar el análisis, al lado de los puntos se puede subscribir el número del aforo. ♦ Si la amplitud de los caudales es muy grande, cuando el cociente entre el caudal máximo

aforado y el caudal mínimo aforado es igual o mayor que 20, la parte inferior de las curvas (primeros 20 - 30% de las curvas) se dibujan en una escala mayor (5-10 veces), esto permite definir con mayor exactitud los caudales de estiaje.

El trazado de las curvas se realiza con la ayuda de un curvígrafo, teniendo en cuenta que: ♦ Si la relación H = f(Q) es monovalente entonces la curva tiene una forma suavizada (sin quiebres

ni plegamientos) con una pequeña curvatura hacia la derecha. La mayor intensidad de curvatura se presenta en el área de los niveles medios.

♦ La relación H = f(A), si la sección tiene una configuración regular, tiene una forma muy parecida

a la descrita para la curva H=f(Q), con la particularidad de algunos puntos de quiebre allí donde la sección cambia de forma bruscamente.

♦ En condiciones de flujo uniforme, la forma de la curva H = f(V) presenta una ligera curvatura

hacia la izquierda, lo que refleja el aumento de rugosidad cuando los niveles alcanzan la altura de las orillas pobladas por vegetación.

D. Verificación del enlace entre las curvas H = f(Q), H = f(A), H = f(V). Como es de esperar las curvas H = f(Q), H = f(A), H = f(V) se encuentran íntimamente relacionadas entre sí, las curvas trazadas no deben contradecir este hecho y por lo tanto es necesario verificar el enlace que existe entre estas. El enlace de estas curvas se refleja a través de la relación Q=AV, para revisar la bondad del enlace es necesario comparar los caudales que se obtienen a través de la curva H =(Q) y los que se obtienen como producto de las áreas por las velocidades, obtenidas ambas por medio de las curvas H = f(A), H = f(V) y para los mismos niveles en que se tomaron caudales de la curva H = (Q). Con estos datos se puede construir la siguiente tabla: Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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1 2 3 4 5 6 H, cms Q m3/seg A, m2 V, m/seg Q=A*V DQ = ((2-5)/2))*100

El valor absoluto de DQ no puede superar el 1%, si esto sucede es necesario corregir el trazado de las curvas H = f(Q), H = f(A), H = f(V) en el tramo donde el valor absoluto de DQ supera el 1%. E. Evaluación de la estabilidad de la curva de gasto. La dispersión que se presenta entre los caudales aforados y los caudales definidos por la relación H= f(Q) es ocasionada por los siguientes factores: ♦ Error sistemático de la metodología de aforo. ♦ Factores Hidráulicos. ♦ Factores Morfológicos. La dispersión a causa del error sistemático de la metodología de aforo tiene un carácter aleatorio y por lo tanto su influencia es balanceada ya que se presenta, alternadamente, con signos positivos y negativos. La influencia de factores hidráulicos y morfológicos puede ocasionar una alta dispersión en la curva H= f(Q), esto se debe a que las condiciones hidráulicas y morfológicas, no acordes con el régimen de flujo uniforme, corrompen la monovalencia de la relación H = f(Q), y produce la aparición del fenómeno de histéresis en la curva, lo que ocasiona que para un mismo nivel se relacionen, como mínimo, dos caudales. Para determinar que factores producen la dispersión en la curva H = f(Q) es necesario obtener su magnitud y compararla contra el error sistemático de los aforos. La dispersión de la curva H = f(Q) se calcula como:

2

1

1~ ∑

=

−−

= N

i i

iiq

QQQ

kNσ

Donde: N - número de aforos utilizados para construir la curva k - grado de libertad de la ecuación de regresión H = f(Q) Qi - caudal aforado en el nivel Hi Qi - caudal obtenido de la curva H = f(Q) bajo nivel Hi Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM La curva H = f(Q) se considera estable sí:

qQ σσ ~~ ≥

Donde es el error de la metodología aplicada para aforar. Las metodologías de aforo recomendadas por el IDEAM tienen un error que no supera el 10% en promedio, por lo tanto si:

Qσ~

qσ~%10 ≥

Se considera que la curva H = f(Q) es estable y se puede usar, sin esfuerzos adicionales para generar caudales con base en los niveles diarios observados. F. Construcción de la tabla de calibración.

4.4.1.2 EXTRAPOLACIÓN Si se tienen aforos líquidos cubriendo toda la gama de variaciones de los niveles, medios, máximos y mínimos, elaborar la curva o curvas de gastos que controlan dicha sección estaría limitado a encontrar la ecuación ó ecuaciones, mencionadas arriba. Sin embargo, por diferentes motivos esto no ocurre en la mayoría de los casos en donde no se tienen una gama suficiente de aforos líquidos siendo necesario acudir a las extrapolaciones de las curvas de gastos. En el anexo No. 4.2 se explican dos de los métodos más utilizados para extrapolar curvas de gastos para niveles máximos.

4.4.1.3 ENTRADA DE DATOS Una vez se obtienen las curvas de gastos, estas se pueden almacenar de dos maneras: A. La forma tabulada. Se realiza la gráfica de la curva de gastos, de tal manera que se extraen los

puntos de la curva en forma de tabla. La extracción es hecha de forma que se puedan interpolar los puntos intermedios, lineal o exponencialmente, sin errores importantes en la estimación del caudal.

B. La forma funcional. Tiene uno de estos tres orígenes: ♦ Una ecuación teórica (o modificada) para una estructura de aforo. ♦ Una función ajustada por computador a los puntos aforados, que es una automatización del

proceso manual de ajuste de curvas. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM ♦ Una función ajustada a los puntos de una tabla preparada en la forma tabulada. Cuando se digita la curva en forma tabulada se tiene estandarizado el formato No. 4.3

4.4.2 CÁLCULO DE CAUDAL Para la evaluación de caudales, deben estar disponibles en el computador los siguientes conjuntos de datos: A. Los niveles horarios definitivos que se explicaron en la sección anterior, es decir controlados en

cuanto a su calidad, esto es en los que fueron corregidos los cambios de fecha, el nivel de referencia y de tiempo y que luego fueron validados.

B. Curvas de gastos correspondientes al período y a la gama de variaciones cubiertas por las

series de niveles. Las curvas deben tener establecidas claramente los rangos de extrapolación. Una vez se tienen estos datos el sistema identifica y aplica la curva de gastos a los niveles horarios de agua para obtener el valor del caudal correspondiente. Para obtener los promedios de caudal en la unidad de tiempo estándar requerida (día, mes, año) se compilan las series cronológicas horarias de caudal. Cuando se tienen curvas de gastos múltiples dentro del período que se está procesando, se deben analizar los cambios abruptos que se puedan producir en los caudales por los puntos de cambio de la curva. Estos problemas normalmente requieren un ajuste manual de los caudales pues existe una relación no lineal entre el nivel y el caudal. En el caso de que falten varios valores de niveles, generalmente no más de un 10% del total, los niveles correspondientes se pueden deducir indirectamente, a través de correlaciones con otras estaciones situadas en la misma cuenca o en sus cercanías, pero en condiciones de régimen hidrológico similar. También se utiliza correlacionar caudales para deducir los niveles.

4.4.3 SALIDA DE DATOS Son los caudales característicos: promedios diarios, mensuales y anual; máximos instantáneos mensuales y anual y promedios diarios mínimos mensuales y anual. Entendiéndose que el Caudal Medio Diario es el promedio aritmético de los valores horarios; el Caudal Medio Mensual es el promedio aritmético de los valores horarios de un determinado mes; el Caudal Medio Anual es el promedio aritmético de los 365 o 366 caudales medios diarios y el Caudal Diaria Mínimo Mensual se extrae de las series de caudales promedios diarios de cada mes. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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4.4.4 CONTROL DE CALIDAD DE LOS CAUDALES Existen varias herramientas para verificar la calidad del dato de caudal generado. A continuación se mencionan dos de ellas:

4.4.4.1 BALANCES DE CAUDALES Es una herramienta para el control de calidad (corregir datos erróneos) al dato de caudal que ha resultado después de convertir los niveles a caudales mediante la curva de gastos. Consiste en la comparación de los caudales medios diarios, mensuales ó anuales entre estaciones cercanas, los cuales deben guardar correlación, especialmente si están sobre una misma corriente. Este tipo de análisis se hace también volumétricamente, teniendo en cuenta los aporte de los afluentes y efluentes, es decir se establecen las relaciones que existen entre todas las estaciones, teniendo en cuenta los tiempos de propagación de ondas entre ellas. Otro control de calidad del dato de caudal es compararlo con las precipitaciones medidas en la cuenca hidrográfica correspondiente a la respectiva estación hidrológica. El primer control de los valores de caudales máximo instantáneos se realiza por comparación con los caudales medios diarios máximos. Los máximos instantáneos deben ser mayores que los promedios diarios correspondientes, salvo en los casos cuando el caudal permanezca constante durante todo el día.

4.4.4.2 TEST CAUDALES Otro control que se le hace a la calidad de las series de tiempo de los caudales diarios, mensuales ó anuales es aplicarle el Test Estadístico de la Media Móvil, el cual detecta los casos más críticos de aquella información que se está saliendo del comportamiento medio de la serie. Este test permite detectar información que por quedar fuera de una franja permisible (calculada a partir de algunas medidas de tendencia y de dispersión) debe ser analizada para concluir si realmente se dieron estos eventos ó si se le deben hacer correcciones a dichos datos. Tiene una franja de límites de acción que tiene en cuenta las variaciones bruscas que se puedan presentar en los caudales en períodos muy cortos de tiempo. El método de la Media Móvil calcula la zona límite con base en la media del dato del día y el del día anterior. Una vez se aplica este método se analiza la información que quedó por fuera del límite de acción revisando conjuntamente información de niveles horarios, tablas de calibración y perfiles transversales, para finalmente decidir si los caudales ameritan ser corregidos. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES - IDEAM En el gráfico No. 4.2 se muestra el test aplicado a una serie de tiempo de caudales mensuales

4.5 CALCULO Y PROCESAMIENTO DE LOS DATOS DE SEDIMENTOS EN SUSPENSION Hay varias etapas requeridas para obtener datos de transporte y concentración de los sedimentos en suspensión. La primera se refiere a la medición del caudal sólido o lo que comúnmente se denomina Aforos Sólidos, la segunda es tener disponible los resultados de los análisis de las muestras diarias de sedimentos (muestra superficial de sedimento tomada diariamente por el observador en la estación hidrológica), la tercera tener definitivos los valores de caudales líquidos medios diarios obtenidos según se explicó en el ítem anterior “4.4 Cálculo y procesamiento de los datos de caudales líquidos” y la cuarta elaborar las curvas de calibración de sedimentos ó ecuaciones que definen las relaciones caudal sólido (Qs) en función del caudal líquido (Ql) y concentración media (Cm) en función de la concentración superficial (Cs). Cuando en la estación no se tienen aún curvas de calibración de sedimentos, estas se deben elaborar de acuerdo a lo enunciado más adelante en el paso C. Pero si la estación ya tiene definidas estas curvas se deben plotear los valores de los aforos sólidos (caudal líquido, caudal sólido, concentración superficial y concentración media) en ellas y analizar su dispersión, para apreciar la bondad de los aforos sólidos y/o descartar valores erróneos. En forma detallada, los pasos a seguir para obtener los datos de sedimentos, asumiendo que la etapa de toma de las muestras ya se ha realizado son: A. Una vez los aforos sólidos son procesados, estos van a alimentar en la base de datos la sección

que se denomina el Resumen de Aforos Sólidos. Cuando no se dispone de los datos de campo del aforo sólido, de tal manera que procesándolos actualice automáticamente el Resumen, pero si se tienen los datos que van a alimentar el resumen, ellos deben ser codificados mediante un formato estándar de captura, ver formato No. 4.4.

B. Se codifica la información de las muestras diarias de sedimentos. A partir de estas se calcula la

concentración media superficial diaria como el promedio de las 3 muestras (según lo expuesto en el capítulo “Hidrometría”). En esta etapa el sistema tiene un control de calidad que consiste en no permitir el ingreso de datos de muestras en donde el valor de la tara (peso del crisol) sea mayor que el peso total (peso del crisol + peso del sedimento).


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21

Gráfica No. 4.2 : Test Estadístico de la Media Móvil



23


CODIGO ALTITUD m

ESTACION AREA DE DRENAJE Km²

CONCEN- CONCENTRACION TRANSPORTE

NIVEL LIQUIDO SOLIDO TRACION SUPERFICIAL TEMP EN METODO(m) (m3/Seg) (kg/seg) MEDIA TRES PUNTOS (ºC) SUSPENSION

(kg/m3) (kg/m3)(Ton/día)

Nº MES DIA

RESUMEN DE MEDICIONES DETALLADAS DE

CORRIENTE

FORMATO Nº 4.4 MATERIALES EN SUSPENSION

CUENCA

GASTOOBSERVACIONES


24


C. Cuando no se tienen las relaciones caudal sólido-caudal líquido y concentración media-concentración superifical continuamos con el numeral D., pero si ellas ya existen, se procede con el numeral E.

D. Con los aforos sólidos elaborados en una gama muy amplia de caudales líquidos que cubran

estados altos, medios y mínimos de la corriente, lo cual se consigue durante un período suficientemente largo (mayor a 3 años si se tiene un mínimo de 10 aforos sólidos por año), se elaboran las curvas de Qs vs Ql y Cm vs Cs. Del resumen de aforos sólidos se extraen los datos de caudal líquido y caudal sólido y se plotean en escala logarítmica log-log, eliminando puntos muy dispersos de la tendencia media y estableciendo por mínimos cuadrados las ecuaciones:

Ql = a * Qsb (1)

Cm = a * Csb (2)

En los gráficos Nos. 4.3 y 4.4 se observan un ejemplo de dichas curvas. E. A continuación se tiene la etapa del procesamiento de la información anterior para obtener los

datos a nivel diario tanto de la concentración media de sedimentos en suspensión como de la carga total, teniendo en cuenta lo siguiente:

♦ Cuando en la sección se realizan aforos sólidos y se toman muestras diarias de sedimentos, el

programa calcula en primera instancia la concentración media diaria de sedimentos en suspensión Cm, mediante la ecuación (2) tomando las concentraciones superficiales diarias de sedimentos Cs que se han calculado a partir de las muestras diarias. Seguidamente calcula el transporte total diario de sedimentos en suspensión con la relación:

Qs = Cm * Ql

Para los días en los cuales no se hayan tomado muestras diarias de sedimentos, es decir no se tenga un dato de concentración media diaria, el valor de la carga ó transporte total diario Qs a partir de la ecuación (1), leyendo directamente de la base de datos los caudales líquidos diarios Ql. ♦ Cuando en la estación sólo se realiza el programa de aforos sólidos, se calcula el transporte total

diario de acuerdo a lo enunciado en la última parte del párrafo anterior.

4.6 CONCLUSIONES El proceso de datos es a menudo rutinario por naturaleza y resulta apropiado para la aplicación de la automatización, por tal razón, es importante que se dé especial atención al cuidado de los recursos Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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humanos y que el sistema esté estructurado para infundir interés, compromiso profesionalidad y cierto sentido de realización. Al personal se le debe dar la oportunidad de aportar ideas que permitan aumentar la efectividad del sistema de proceso. Las técnicas de validación de datos nunca pueden ser hechas automáticamente en su totalidad. Mientras algunas variables tienen rangos estrictamente limitados de validez, que la computadora puede verificar, la mayoría de las variables de las series temporales tienen una distribución de probabilidad asintótica, que la computadora sólo reconoce si hay un valor sospechoso. A la mayoría de los valores extremos se les puede comprobar si son correctos, y de ser así son de vital importancia para la aplicación de todos los datos hidrológicos. En estas variables, por lo tanto, la computadora debe ser usada sólo para aceptar o indagar datos, pero no para rechazarlos. Los valores que parecen sospechosos para la computadora deben ser analizados por una persona competente. Cuando se ha aplicado el Test de la Media Móvil para el control de la calidad se ha encontrado que en algunos casos en que los datos de caudales que se quedan por fuera de la franja límite ó permisible es producto de extrapolaciones de las curvas de gastos muy altas, es decir que no están soportadas por aforos líquidos, siendo así muy alto el grado de incertidumbre de dicha extrapolación. También se ha encontrado que en algunas otras series de tiempo los puntos que quedan por fuera de la franja de acción si fueron eventos reales que están asociados con períodos de altas precipitaciones en la cuenca, estos caudales altos registrados tienen un período de retorno grande el cual dentro de toda la serie solamente se han presentado una sola vez.

BIBLIOGRAFIA WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION WMO-WORKING GROUP OF THE COMMISSION FOR HYDROMETEOROLOGY. Machine Processing Of Hydrometeorological Data, Technical Note No. 115. Geneva-Switzerland : WMO No. 275. 1971 ORGANIZACIÓN METEOROLÓGICA MUNDIAL OMM. Guía De Prácticas Hidrológicas: Adquisición y Proceso de Datos, Análisis, Predicción y Otras Aplicaciones. OMM No. 168, Quinta edición. 1994 STANESCU, Silviu. Apuntes de Clase para el Curso de Hidrología Práctica (Parte I). Publicación Aperiódica No. 24. Bogotá : HIMAT, 1987 SUBRAMANYA, K. Engineering Hydrology, Tata Mc Graw-Hill Publishing Company Limited, New Delhi : 1984 CONTRERAS T. Claudia Y. y CHAPARRO V. Nelson. Extrapolación Curvas de Gastos. Santafé de Bogotá, D.C., septiembre de 1992


26


GARCÍA, de Mejía Martha y SÁNCHEZ LANCHEROS, Felix Dario. Extrapolación de Curvas de Gastos. Santafé de Bogotá : HIMAT APARICIO MIJARES, Francisco Javier. Fundamentos de Hidrologia en Superficie. Noriega Editores. Editorial Limusa. 1989 V. D. BIKOB, A. B. VASILEV. Hidrometría. Guidroimeteoizdat Leningrado : 1972 F. KARASIEV, A. B. VASILEV. E. S. SUBBOTINA. Hidrometría. Guidrometeoizdat, Leningrado : 1991 SHAW, Elizabeth M. Hydrology in Practice. Chapman and Hall Third Edition. London : 1994 I. F. KARASIEV, V.V. KOVALENKO. Stojasticheskie Metodi Richnoy Guidravliki y Guidrometi. Guidrometeoizdat. Sant Petersburg : 1992 I.F. KARASIEV. Rechnaya Guidrometria y Uchiot Vodnij Resursov. Guidrometeoizdat. Leningrado : 1980 I.F. KARACEV. Trudi-Gosudartsvienny Guidrologuicheski Institut. Buipusk 164, Guidrometeoizdat. Leningrado : 1968 MUÑOZ H, Materon. Hidrología Básica II. Cali : 1985 Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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Gráfico No. 4.3 Anexo 4.1: CAUDAL SOLIDO Vs CAUDAL LIQUIDOESTACION ARRANCAPLUMAS

PERIODO 1974 - 1990

Qs = 1E-05 Ql 2,2636

1

10

100

1000

10000100 1000 10000

CAUDAL LIQUIDO (m3/s)

CA

UD

AL SO

LIDO

(kTn/d)


29



30

Gráfico No. 4.4 Anexo 4.1: CONCENTRACION MEDIA Vs CONCENTRACION SUPERFICIAL

ESTACION ARRANCAPLUMASPERIODO 1974 - 1990

Cm = 3,6616 Cs 0,8426

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000CONCENTRACION SUPERFICIAL (mg/l)

CO

NC

ENTR

AC

ION

MED

IA (m

g/l)


ANEXO NO. 4.1 : DETERMINACION DEL HO Ó EXTRAPOLACION DE NIVELES MINIMOS PARA CURVAS DE GASTOS

La relación que existe entre el nivel y el caudal, en condiciones estables esta dada por la ecuación Q = a * (H-Ho)b en donde el término Ho, que se define como el nivel del río o corriente en el cual se tiene un caudal igual a 0, es la única variable que no es conocida y su determinación posee algunas dificultades. Este valor puede ser negativo o positivo de acuerdo a sí el cero de la mira o limnímetro se encuentra por encima o por debajo del lecho del río. A continuación se mencionan algunos de los métodos más conocidos para la determinación del Ho:

1 MÉTODO LOGARÍTMICO Se grafica en escala logarítmica la relación Nivel-Caudal establecida previamente con los aforos líquidos que se tienen. Al graficar dicha relación se está asumiendo inicialmente que el Ho es igual a cero en la ecuación Q = a * (H-Ho)b . Si en este primer tanteo la gráfica es una línea recta, el Ho efectivamente es 0, pero si el resultado es una curva se debe seguir probando con diferentes valores de Ho hasta que la gráfica sea una línea recta. El primer valor de Ho que se asuma puede extraerse analizando perfiles transversales de la sección ó analizando los niveles horarios ó asumiendo el valor de Ho del método de Johnson en cuyo caso se esta utilizando el método logarítmico para validar el dato calculado por Johnson. Cuando se grafica la relación nivel-caudal con Ho=0 y el resultado es una curva con concavidad hacia arriba el Ho es positivo y si es hacia abajo es negativo, y conociendo ya el signo del Ho, por error y tanteo se halla su valor, ver gráfico No. 4.1 anexo 4.1. El computador es una herramienta valiosa para este método ya que mediante un programa se puede hallar el valor del Ho que tenga el mejor valor de coeficiente de correlación.

2 MÉTODO DE RUNNING Es un método para hallar el Ho gráficamente. Se plotean los valores de la relación nivel-caudal en escala aritmética con su respectiva curva. Tres puntos A, B y C son seleccionados de tal manera que sus caudales estén en progresión geométrica, ver gráfico No. 4.2 anexo 4.1.

QA/QB = QB/QC En los puntos A y B se trazan líneas verticales y después líneas horizontales hacia B y C para conseguir los puntos de intersección de verticales D y E. Se dibujan dos líneas rectas ED y BA Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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interceptadas en F. La ordenada de F es el valor requerido de Ho, nivel que corresponde a un caudal cero. Este método asume que la parte más baja de la curva nivel-caudal es una parábo la.

3 MÉTODO DE JOHNSON Consiste en extraer de la gráfica de Q vs H, dibujada en escala aritmética tres valores de caudales Q1, Q2 y Q3 tal que, Q1/Q2 = Q2/Q3 , extrayendo de la curva los correspondientes valores de niveles H1, H2 y H3.

De la ecuación

(H1-Ho) / (H2-Ho) = (H2-Ho) / (H3-Ho)

se despeja Ho

Ho = ( (H1* H3)-H2² ) / ( (H1+H3)-2H2 )

La mecánica que se sigue para la aplicación de dicho método es extraer de la parte inferior de la curva de gastos dos pares de valores H1, Q1 y H2,Q2 para determinar un Q3 mediante la ecuación

( )213 QQQ ×=y con dicho valor se lee de la curva de gastos el valor de H3 (valor de nivel correspondiente al Q3). Con estos tres valores se obtiene el valor del Ho con la ecuación:

( )321

2321

2HHHHHHHo

−+−×

=


32


reservados.

Grafico No. 4.1 Anexo 4.1: DETERMINACION DEL Ho, METODO LOGARITMICOESTACION: El Cincho CODIGO: 1604703 Curva de gastos No 6

Ql = 14.38(H-Ho)2.5343

R2 = 1Ho = 0.5 m

1

10

100

1000

0,1 1 10H N IVEL(M )

Ho= 0

Ho= 0.5

Potencial (Ho= 0.5)

Gráfico No 4.2 Anexo 4.1: Estimación de la constante Ho por el método de Running Fuente: K. Subramanya Engineering Hydrology 1984

Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos

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C

Curva de Gastos

0 2 4 6 8 10 161412 18

21.5

21.0

20.5

20.

19.5

19.0

18.5

18.0

17.5

17.0

16.5

Niv

el H

(m)

Caudal QL (x10³m³/s)

A

BD

E

F

a = 1.65 m


ANEXO NO. 4.2 : EXTRAPOLACION DE CURVAS DE GASTOS PARA NIVELES ALTOS

1 ANTECEDENTES En nuestro medio es muy difícil tener cubierta por aforos toda la gama de variación de niveles (Mínimos-Medios-Máximos) dado que se presentan problemas tanto de tipo técnico como por ejemplo que en los ríos de montañas las crecidas son muy instantáneas, etc., como de tipo administrativo, orden público, orden presupuestal, etc. Por esto es necesario acudir a aquellas metodologías que permiten calcular la curva de gastos para todos los niveles que alcance el río.

2 EXTRAPOLACION DE CURVAS DE GASTOS PARA NIVELES ALTOS La curva de gastos Q = f(H) ó curva niveles (elevaciones)- gastos es la relación que existe entre la elevación de la superficie libre del agua con el gasto líquido que pasa por la sección, y se construye con datos obtenidos de series de aforos. En general esta relación no es única es decir que a un mismo nivel se pueden presentar valores de caudales diferentes debido a que la pendiente hidráulica del flujo es mayor durante el ascenso de los hidrogramas que durante el descenso. Si se tiene un número de aforos que este cubriendo la gama de variaciones de niveles completa, es decir aforos en niveles mínimos, en niveles medios y en niveles máximos, no se tendría el problema de extrapolar ya que los puntos medidos se ajustarían a una curva media que tiene una ecuación del tipo:

Q a H Hob= −

Donde es el nivel ó elevación para el cual el caudal es nulo y y b son constantes que se determinan, por ejemplo, obteniendo logaritmos de la ecuación anteriormente expresada y luego aplicando el Método de Mínimos Cuadrados.

Ho a

Sin embargo esta no es la situación usual en nuestras estaciones en donde generalmente no tenemos aforos en niveles máximos y en algunos casos ni en niveles mínimos. Aunque existen muchas técnicas para extender las curvas de gastos, a continuación se plantean dos de los métodos más utilizados y conocidos para extrapolar curvas de gastos para niveles altos, los cuales están en función de las características geométricas de la sección del cauce.


34


2.1 METODO DE MANNING

2.1.1 Conceptualización Este método utiliza la relación sección-pendiente y se asume que el cauce corresponde a una corriente uniforme en donde la velocidad es según la fórmula de Manning igual a:

2

13

21 SRn=V

siendo

R Radio hidráulico S Pendiente de la línea de energía específica o pendiente hidráulica n Coeficiente de rugosidad del lecho ó resistencia que le ofrece el fondo y el talud al

paso del agua

Además de la ecuación de continuidad: Q A V=siendo

Q Caudal en la sección ó canal A Área de la sección

Como se puede observar, para la aplicación de este método se requiere contar con la topografía del tramo del cauce donde están instaladas las miras. Para estados altos en el río, la pendiente

hidráulica se aproxima a ser un valor constante y el coeficiente de rugosidad ( tiende a

tomar valores bajos indicando que la resistencia que le ofrece el fondo y el talud al paso del agua no es muy representativo. Es así como la premisa más importante de este método es considerar que la

expresión

S )n

21

1 Sn es constante para niveles, obteniendo la siguiente expresiónr:

21

1 SnK =


35


2.1.2 Pasos a seguir 1) Seleccionar el perfil transversal más representativo realizado en la sección de miras. Es

conveniente escoger aquel que nos dé el comportamiento general de la sección, algunas veces se observan perfiles que se elaboran cuando se están dando condiciones muy puntuales del comportamiento del río los cuales no son muy representativos ya que una vez pasan estos eventos, la sección tiende a estabilizarse nuevamente.

Para nuestro ejemplo se decidió presentar la extrapolación que se le hizo a la curva de gastos No. 14 de la estación Campo Dos, instalada en el río Sardinata, con código 1603702; el perfil topográfico seleccionado fue el del 11-mayo-95 (ver gráfico No. 4.1 anexo 4.2) 2- Calcular el área para cada nivel y graficar dicha relación ( )A f H( ) Esta área se puede hallar bien con planímetro o geométricamente. En cualquier hoja electrónica, por ejemplo EXCEL, o escribiendo un programa sencillo se puede sistematizar el proceso. En la tabla No. 4.1 anexo 4.2 se muestran los datos calculados de Area para cada nivel. En la parte superior aparece la descripción de la estación, los datos de nivel y área que corresponden al día en que se hizo el perfil. Las columnas se refieren a:

1 H Niveles en m. a los cuales se les hallará el área, el intervalo que se quiera tomar depende del criterio del analista

2 W Anchos de la sección en m. para cada nivel. Se mide directamente de la gráfica del perfil con un escalímetro

3 Delta H Diferencia de niveles en m. El nivel de referencia es el del aforo el cual se compara hacia arriba y hacia abajo. Por esto no se tiene delta H para el nivel aforado

4 W promedio Es el promedio de los anchos en m. Para dos secciones contiguas de niveles. El ancho base es siempre del aforo, por tanto no se tiene un ancho promedio en la casilla correspondiente al nivel aforado

5 A parcial Es el área en m2 que hay entre las secciones contiguas de niveles y es igual a Delta H W promedio∗

6 A acumulada Es el área total en mts2 que tiene la sección en cada uno de los niveles considerados. Para hallarla se toma como base el área que tiene el aforo siempre y cuando se haya hecho en la sección de miras; para niveles inferiores al nivel aforado se le resta al área del aforo el valor que fue encontrado en el área parcial, en forma acumulada, y para valores superiores se suman las áreas parciales igualmente en forma acumulada. De aquí en adelante se utilizan los valores obtenidos en esta columna para cuando se necesite el dato de Area.


36


El gráfico No. 4.2 anexo 4.2 muestra el resultado de la relación (A )f H para el ejemplo, la cual es dibujada con los valores de la columna de Area acumulada. 3- Se construye una gráfica de V ( )f H con los aforos que se tengan del período en el que se va a construir la curva de gastos, y se traza una curva por la tendencia media hasta el MAXIMO NIVEL AFORADO. En el gráfico No. 4.3 anexo 4.2 esta dibujada la relación V ( )f H 4- De la gráfica anterior es decir V ( )f H se extraen los valores de las velocidades en m/s. para cada uno de los niveles que han sido seleccionados en la columna No. 1 de la tabla No. 4.1 anexo 4.2. Estos valores aparecen en la columna 7 5) Mediante la formula se calcula el caudal para cada nivel y se consigna en la columna No. 8. Nótese que únicamente se puede calcular valores de caudal hasta el nivel en el cual se tiene velocidad. El valor de A se toma de la columna 6, Area Acumulada.

Q A= V

6) El siguiente paso es calcular el que se menciona en la parte de la conceptualización. KEn la misma tabla No. 4.1 anexo 4.2 se tiene sistematizado el procedimiento para encontrarlo, en las columnas:

11 D Profundidad media en m. y es igual a A

W

12 Per. Moj Perímetro Mojado en m., igual a 2D W+13 R

Radio Hidráulico en m., igual a APer Moj.

14 R2/3 Radio Hidráulico elevado a las 2/3 Como se puede observar, estos 4 parámetros se calculan a partir del perfil transversal, es decir que ellos se pueden calcular hasta el máximo nivel al cual se le puede calcular área de acuerdo al perfil.

También se puede plotear la curva de R f H23 ( ) como un control de los cálculos que se

están realizando.

La última columna, No. 15, es el cálculo de la constante que esta definida como K V

R23

Si se observan los valores de se nota que la variación de ellos para los niveles altos se hace muy pequeña y si dibujamos la relación

K( )K f H ,ver gráfico No. 4.4 anexo 4.2,

encontramos que es una curva que se vuelve asintótica con el eje de las Y.


37


En el ejemplo ilustrado, se observó que se vuelve constante a partir de 5 m. y su valor fue de 0.844.

K

7) Encontrar las velocidades para los niveles superiores al nivel aforado. Nótese que lo que se hace es devolvernos de acuerdo a los pasos planteados anteriormente, es decir ahora conocemos y con él calculamos la velocidad en m/s: K

V K R= ∗23

Los valores calculados aparecen consignados en la columna No. 9, Velo. Aj., de la tabla No. 4.1 anexo 4.2 10) El último paso es calcular el Caudal o Gasto en m3/s, los cuales aparecen en la columna No. 10, mediante la ecuación: Q A= V Los niveles extrapolados con sus respectivos valores de caudales son:

H (m) Q (m3/s) 5.50 518 6.00 658 6.50 812 7.00 980

En el gráfico No. 4.5 anexo 4.2 se muestra la Curva de Gastos definitiva para el ejemplo desarrollado la cual esta definida para todos los niveles incluido el que fue hallado por el método de Johnson explicado en el anexo 4.1.

Ho

2.2 METODO DE STEVENS

2.2.1 Conceptualización Su fundamento esta en la formula de Chezy para calcular la velocidad: V C D= ∗S

donde C = 1 y n D16 D A

W=


38Siendo la velocidad media para la sección en m/s. V


n es el coeficiente de rugosidad. D es la profundidad media de la sección. S es la pendiente hidráulica. es el área de la sección en m. A W es el ancho de la sección en m. En la bibliografía consultada se habla que para ríos amplios y poco profundos, en donde el valor del

Radio Hidráulico es casi igual a la Profundidad Media, es decir R D AW

= = , la expresión

C S se vuelve constante e igual a uno por lo que la expresión original de V C

quedaría :

D= ∗SV D=

Si reemplazamos este valor de V en la ecuación de continuidad ,

tendremos:

Q A= VDAQ =

Para efectos prácticos se utiliza la expresión D23 en lugar de D12 , ya que los resultados son representativos. De forma general se puede decir que el método de Stevens evidencia que el caudal que esta pasando por una sección depende de las características geométricas que presente dicha sección.

2.2.2 Pasos a seguir Los pasos Nos. 1 y 2 son iguales a los enunciados en el método de Manning. Para el ejemplo práctico se extrapoló la Curva de gastos No. 15 de la estación Peña de los Micos, río Margua, código 3702701, ver tabla No. 4.2 anexo 4.2. El perfil seleccionado fue el del 01-junio-95, ver gráfico No. 4.6 anexo 4.2, y la gráfica de

(A )f H se muestra en el gráfico No. 4.7 anexo 4.2. 3) Se plotean los valores de caudal y nivel de los aforos que se tengan y se traza una curva por la tendencia media de los puntos. De esta curva se leen los valores de los caudales que corresponden a cada uno de los niveles con los cuales se vienen trabajando en la columna No. 1 de la tabla No. 4.2 anexo 4.2. El caudal leído de la gráfica en m3/s. deberá escribirse en la columna No. 7 de la misma tabla. Nótese que hasta el momento se conoce la relación únicamente para el rango de niveles que se aforaron.

( )Q f H

4) Obtener el valor de A D∗2 3 .

De manera sistemática aparecen los cálculos necesarios para llegar a este valor:


39


D = Profundidad media en m. igual a: AW

D2 3 = Profundidad media elevada a la 2/3

y la última columna de la tabla No. 4.2 anexo 4.2 que corresponde al valor de

A D∗2 3

5) Plotear en una misma gráfica los valores de ( )A D f H∗2 3 y

( )A D f Q∗2 3 .

( )A D f H∗2 3 es una curva definida para todos los valores de nivel que se tengan en el

perfil topográfico de la sección.

(A D f Q∗2 3 ) es una gráfica definida por una línea recta, es decir que aun cuando no esta

definida sino hasta aquellos valores de caudales que fueron aforados, ella se puede extender por la tendencia de la línea recta, ver gráfico No. 4.8 anexo 4.2. 6) Leer de las 2 curvas anteriores los valores de caudal para los niveles altos que se requieren. Esto

se hace encontrando en la curva ( )A D f H∗2 3 el valor del nivel deseado; una vez

hallado se sigue en sentido horizontal hasta interceptar la curva (A D f Q∗2 3 ) y se lee

el valor de caudal que le corresponde en este punto. Para nuestro ejemplo, en la estación Peña de Los Micos se encontraron los siguientes valores, los cuales aparecen en la columna No. 7 de la tabla No. 4.2 anexo 4.2, lo que finalmente nos permite tener el gráfico No. 4.9 anexo 4.2 que es la curva de gastos extrapolada.

H (m) Q (m3/s) 3.40 145 3.60 170 4.00 226 4.50 306 5.00 394


40


3 CONCLUSIONES 1. El método de Manning ha demostrado muy buenos resultados cuando el lecho del río tiene

forma de vaso. 2. Si al calcula los valores de K, mencionados en el método de Manning, estos no muestran una

tendencia clara de volverse constantes para estados altos del río, no es recomendable utilizar esta metodología.

3. Cualquiera que sea el método utilizado, la confiabilidad de los datos extrapolados depende de la

estabilidad de las mediciones en las estaciones de control. En un río aluvial sometido a la agradación y degradación, se necesitan suficientes mediciones que detecten estas variaciones.


41



43

Corriente: Sardinata Perfil trans. 11-May-95Estación: Campo Dos Elaboró V. GalvisCódigo: 1603702 Curva No. 14

Nivel: 2,22 mts. Area: 53,735 mts2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Dato de entrada

H W DELTA H W PROM. A PARCIAL A ACUMU. V Q V extra Q extra D Per. Moj. R R2/3 K1,5 57 0,5 61,3 30,65 8,433 0,148 57,296 0,147 0,279

2 65,6 0,22 66,6 14,652 39,083 0,37 14,46 0,596 66,792 0,585 0,700 0,529

* 2,22 67,6 - - - 53,735 0,47 25,26 0,795 69,190 0,777 0,845 0,5562,5 68,8 0,28 68,2 19,096 72,831 0,6 43,70 1,059 70,917 1,027 1,018 0,589

3 70,6 0,5 69,7 34,85 107,681 0,83 89,38 1,525 73,650 1,462 1,288 0,6443,5 72,2 0,5 71,4 35,7 143,381 1,057 151,55 1,986 76,172 1,882 1,525 0,693

4 73,8 0,5 73 36,5 179,881 1,27 228,45 2,437 78,675 2,286 1,736 0,7324,4 75,4 0,4 74,6 29,84 209,721 1,465 307,24 2,781 80,963 2,590 1,886 0,777

5 87,6 0,6 81,5 48,9 258,621 1,66 429,31 2,952 93,505 2,766 1,970 0,8425,5 101,6 0,5 94,6 47,3 305,921 3,011 107,622 2,843 2,007

6 104 0,5 102,8 51,4 357,321 3,436 110,872 3,223 2,1826,5 106,2 0,5 105,1 52,55 409,871 3,859 113,919 3,598 2,348

7 108,2 0,5 107,2 53,6 463,471 4,283 116,767 3,969 2,507

NOTA: Los caudales en rojo son los extrapolados hallados a partir del valor constante de K

Tabla No. 4.1 Anexo 4.2: METDODO DE MANNING -EXTRAPOLACION CURVA DE GASTOS-

1,694 518,11 0,8441,841 658,00 0,8441,982 812,25 0,8442,116 980,62 0,844



44



45

G ráfico N o. 4.2 A nexo 4.2: C U R V A D E A R EA EN FU N C IO N D EL N IV EL PER FIL TR A N SV ER SA L

D EL 11-M A Y O -95

ESTA C IO N : C A M PO D O S C O D IG O : 1603702

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

A R EA (m 2)

Area Perfil

Aforos


Gráfico No. 4.3 Anexo 4.2: CURVA DE VELOCIDAD EN FUNCION DEL NIVEL ESTACION: CAMPO DOS CODIGO: 1603702

0

1

2

3

4

5

6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

V E LO C ID A D (m /s)

Linea de tendencia

Aforos


46



47

G ráfico N o. 4.4 A nexo 4.2: C U R V A D E K EN FU N C IO N D EL N IV EL ESTA C IO N : C A M PO D O S

C O D IG O : 1603702

0

1

2

3

4

5

6

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500

K


G ráfico N o. 4.5 A nexo 4.2: C U R V A D E G A STO S N o. 14, V IG EN TE D ESD E 95-01-01

ESTA C IO N : C A M PO D O S C O D IG O : 1603702

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 200 400 600 800 1000 1200

C A U D A L (m 3/s)

Curva de Gastos

Aforos


48



49

Corriente: Margua Perf il trans. 1-Jun-95Estación: Peña de los Micos ElaboróCódigo: 3702701 Curva No. 15

Nivel: 2,72 mts. A rea: 55,74 mts2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Dato de e ntrada

H W DELTA H W PROM . A PARCIAL A ACUM U. Q D D2/3 A*D2/31,8 30,9 0,2 32,7 6,54 21,67 0,701 0,789 17

2 34,5 0,2 35,54 7,108 28,21 22 0,818 0,874 252,2 36,58 0,2 37,39 7,478 35,318 33 0,966 0,977 352,4 38,2 0,2 39,55 7,91 42,796 46 1,120 1,079 462,6 40,9 0,12 41,95 5,034 50,706 61 1,240 1,154 59

* 2,72 43 - - - 55,74 70 1,296 1,189 662,8 43 0,08 43 3,44 59,18 78 1,376 1,237 73

3 43 0,2 43 8,6 67,78 97 1,576 1,354 923,2 43 0,2 43 8,6 76,38 117 1,776 1,467 1123,4 43 0,2 43 8,6 84,98 1,976 1,575 1343,6 43 0,2 43 8,6 93,58 2,176 1,679 157

4 43 0,4 43 17,2 110,78 2,576 1,879 2084,5 43 0,5 43 21,5 132,28 3,076 2,115 280

5 43 0,5 43 21,5 153,78 3,576 2,339 360

NOTA: Los caudale s e n rojo s on los e xtrapolados le ídos de la gráficas A*D2/3 f(H) y A*D2/3 f(Q)

Tabla No. 4.2 Ane xo 4.2: M ETDODO DE STEV ENS -EXTRAPOLACION CURV A DE GASTOS-

145170226306394



50



51

G ráfico N o. 4.7 A nexo 4.2: C U R V A D E A R EA EN FU N C IO N D EL N IV EL ESTA C IO N : PEÑ A D E

LO S M IC O S C O D IG O : 3702701

0

1

2

3

4

5

6

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

A R EA (m 2)

Area Perfil

Aforos



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Gráfico No. 4.8 Anexo 4.2: EXTRAPOLACION CURVA DE GASTOS No. 15 ESTACION PEÑA DE LOS MICOS CODIGO: 3702701 -METODO DE STEVENS-

y = 1.0973x - 4.1499

R 2 = 0.9986

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

A *D 2/3

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Q

H

Lineal (Q)


G ráfico N o. 4.9 A nexo 4.2: ESTA C IO N : PEÑ A D E LO S M IC O S C O D IG O : 3702701 C U R V A

D E G A STO S N o. 15, V IG EN TE D ESD E 95-01-01

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Q (m 3/s)

Curva de Gastos

Aforos


53


3.9 HIDROTOPOGRAFIA ..................................................................................... 2 3.9.1 EQUIPOS MÁS UTILIZADOS...................................................................... 2 3.9.2 ALTIMETRÍA................................................................................................ 2

3.9.2.1 EQUIPO .................................................................................................... 3 3.9.2.2 NIVELACION DE PRESICION .............................................................. 3 3.9.2.3 NIVELACIÓN TRIGONOMÉTRICA ..................................................... 6 3.9.2.4 NIVELACIÓN CON OTROS SISTEMAS .............................................. 6

3.9.3 PLANIMETRÍA.............................................................................................. 7 3.9.3.1 EQUIPO .................................................................................................... 7 3.9.3.2.SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO (SECCION DE AFOROS) ....... 7

3.9.4 LEVANTAMIENTOS BATIMÉTRICOS................................................... 12 3.9.4.1 SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO (CUERPOS DE AGUA)......... 12 3.9.4.2 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO (RÍOS)....................................... 17

3.9.5 APLICACIÓN............................................................................................... 19



3.9 HIDROTOPOGRAFIA Como la mayor parte del trabajo se desarrolla en el agua, además de los métodos convencionales utilizados en la topografía convencional, se utilizan otros sistemas y equipos, los cuales serán tratados de manera detallada en este manual.

3.9.1 EQUIPOS MÁS UTILIZADOS A continuación se hace una relación de equipos y elementos que son mas utilizados en los levantamientos hidrotopográficos, de manera general y mas adelante se hará referencia a ellos a medida en que se vayan discriminando las diferentes labores. • Niveles de precisión • Teodolitos • Sextantes • Niveles de mano Lock • Distanciómetros • Estaciones Totales de trabajo • Equipos de Geoposicionamiento (GPS´s) • También se consideran como un equipo ocasional las lanchas con motor fuera de borda • Cintas métricas • Miras topográficas

3.9.2 ALTIMETRÍA Hasta el momento hemos trabajado entre las dos orillas (Izquierda y derecha), de la sección para medir las distancias desde un Punto de Referencia hasta las correspondientes verticales, en cada una de las cuales se medirán los parámetros hidrométricos, uno de los cuales es la profundidad en la vertical, lo que nos determina el perfil transversal entre orillas :


2


Para tener una sección completa, es decir de Punto de Referencia a Punto de Referencia, se requiere completar la nivelación desde estos puntos hasta sus correspondientes orillas, partiendo de un BM con cota real o arbitraria. Esta nivelación se puede hacer preferiblemente de dos maneras :

3.9.2.1 EQUIPO • Con nivel de precisión • Con distanciómetro

3.9.2.2 NIVELACION DE PRESICION Con nivel de precisión : Como norma para la nivelación de secciones transversales se debe considerar lo siguiente : - Siempre se debe hacer de PR a PR , los cuales deben estar materializados en cada sección - Siempre se debe referenciar a un BM. En las lecturas de Vistas más y de Vistas menos se deben leer los tres hilos, de tal manera que en el mismo sitio se puedan calcular a manera de chequeo las diferencias entre hilos, a la vez que comprobar la igualdad : (Hilo superior - Hilo inferior) /2 = Hilo Medio , como garantía de que la lectura es buena.

MODELO DE CARTERA DE NIVELACION IDEAM CARTERA DE NIVELACION FECHA : CORRIENTE: ESTACION: CODIGO: DESCRIPCION DEL TRABAJO: LEVANTO: PUNTO DIS

(m) V + PROM. ALTURA. V - PROM. COTAS OBSEVACIONES

PRI h.s. B.M. h.m (hs+hi)/

2 COTAS+(V+)

Cota - BM

h.i h.s. h.m (hs+hi)/2 ALTURA-(V-) h.i NAOI NAOD PRD


3


Convenciones del modelo de cartera : PRI - Punto de Referencia Izquierdo BM - Mojón materializado al cual se le asigna una cota real ó arbitraria. NAOI - Nivel Agua Orilla Izquierda NAOD - Nivel Agua Orilla Derecha PRD - Punto de Referencia Derecho h.s. - Hilo superior de los hilos estadimétricos del nivel de precisión h.m. - Hilo medio del los hilos estadimétricos h.i. - Hilo inferior de los hilos estadimétricos h.s - h.m. - Diferencia de intervalos h.m. - h.i. - Diferencia de intervalos (h.s. - h.i.) / 2 = h.m. - COMPROBACION DE LECTURAS Esta cartera debe ser complementada con las profundidades de las verticales obtenidas de la cartera de aforos, entre las orillas izquierda y derecha, con el fín de complementar el perfil transversal de la sección de aforos.

3.9.2.2.1 Aplicación Analítica En razón de lo anterior las distancias anotadas en la columna DIS (m), de la cartera de nivelación, deben ser parciales par luego en correlación con la cartera de aforos formar un abscisado total desde el PR de origen hasta el otro.


4


Programa para cálculo de nivelación de la sección transversal incluida la sección de aforos

Programación Windows (Delphi) por Darío Ibañez Q. Elaborados los cálculos tendremos a nuestra disposición las columnas o campos ABSCISAS, COTAS para ser manipulados gráficamente por cualquier sistema CAD, como se muestra a continuación : ABSCISAS COTAS x1 y1 x2 y2 x3 y3 x4 y4


5


3.9.2.2.2 Aplicación Gráfica

Gráfico obtenido por sistema CAD

Con Distanciómetro : El proceso de nivelación con distanciómetro se hace en forma directa ya que nos da en el sitio tanto la distancia horizontal como la distancia vertical. Solo se debe tener en cuenta la diferencia entre la altura del instrumento (distanciómetro) y el prisma, datos que se deben introducir antes de hacer las mediciones para que los resultados (medidas), se den debidamente corregidos.

3.9.2.3 NIVELACIÓN TRIGONOMÉTRICA Con este sistema las diferencias de altura se miden a partir de una línea base, muy bien medida y ángulos verticales, a partir de los cuales se obtienen las alturas por cálculos trigonométricos.

3.9.2.4 NIVELACIÓN CON OTROS SISTEMAS a) Altímetros digitales. Actualmente se pueden tomar cotas con una aproximación hasta de 5 metros con este tipo de altímetro, previa calibración con un punto de cota conocida.

b) Nivel Locke: Con éste aparato se pueden hacer nivelaciones de poca; pero que en determinadas circunstancias pueden ser suficientes para obtener datos en terreno.


6


3.9.3 PLANIMETRÍA Como parte de los levantamientos Hidrotopográficos una de las labores mas comunes es en la Hidrometría como el procedimiento más usual para la ubicación de los puntos de medición (Verticales), en una sección de aforos cuyo ancho es tal que no es posible hacerlo de manera directa como podría se un puente o una tarabita.

3.9.3.1 EQUIPO 1. Un bote con motor fuera de borda 2. Un sextante 3. Un teodolito 4. Una estación total (Distanciómetro) 5. Equipo de GPS´s

3.9.3.2.SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO (SECCION DE AFOROS)

3.9.3.2.1 Con Sextante


7


Es recomendable que la base B1 - B2, en cuyos extremos van localizadas las balisas o señales sea medida con la mayor precisión posible y que además esa longitud sea aproximadamente un tercio del acho del río para evitar que el ángulo B1 - SEXTANTE - B2 sea muy agudo y en consecuencia disminuya la precisión de la localización de las verticales en donde se efectuarán las mediciones. Para la utilización de este sistema el triángulo debe ser rectángulo.

3.9.3.2.2.Con Teodolito


8


Con este método se trabaja también con un triángulo rectángulo de características similares al anterior y con la misma finalidad, pero los ángulos que nos van determinando el abscisado entre una orilla y otra se miden desde unos de los extremos de la línea base B1 - B2 como se puede apreciar en la gráfica correspondiente. Cabe anotar que con cualquiera de los métodos es necesario, para facilitar el trabajo, elaborar previamente una tabla con los ángulos que determinan las distancias que necesitamos para las mediciones.

3.9.3.2.3 Con Teodolito En Un Triángulo Obtusángulo


9


En este caso como el triángulo que se forma no es rectángulo, debemos acudir para resolverlo al teorema de los SENOS, habiendo hecho previamente el cálculo de la hipotenusa que forman los triángulos para cada vertical, por Pitágoras. También es recomendable, para este método, la elaboración de una tabla con los ángulos correspondientes para cada vertical.

3.9.3.2.4 Con Distanciómetro o Estación Total


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Con distanciómetro las mediciones se hacen de manera directa. Para nuestro ejemplo a partir del Punto de Referencia Izquierdo (PRI ), donde se arma el aparato, se miden las distancias horizontales para cada vertical, hasta llegar al Punto de Referencia Derecho (PRD). Con este sistema se presenta la dificultad del movimiento de la lancha en donde se encuentra la señal reflectora, por lo que es recomendable utilizar una ESTACION TOTAL ROBOTIZADA, la cuál de manera automática le hace seguimiento a la señal.

3.9.3.2.5 Por el sistema de GPS´s Por el sistema de GPS´s, este tipo de medición requiere de ciertas condiciones : • Trabajar con dos GPS (uno como BASE y otro como ROVER). • La precisión del equipo debe ser alta para evitar el traslape entre verticales. • Para lograr la precisión requerida se debe trabajar en TIEMPO REAL, ya que por obvias razones

no es posible lograr esta precisión por medio de post-procesos.

Los GPS con capacidad de Tiempo Real no requieren, como los GPS comunes, del tratamiento de post-proceso, que consiste en la posterior corrección de los datos obtenidos por el ROVER a partir de los datos simultáneos almacenados por el GPS BASE, ya que por un sistema de comunicación de Doble Frecuencia, el GPS BASE corrige en forma inmediata, es decir en tiempo real, al GPS ROVER de tal manera que los datos recibidos ya vienen con la precisión propia de los equipos y su referencia. • El GPS BASE debe ubicarse en uno de los puntos de referencia (PRI ó PRD), mientras el otro se

desplaza en la lancha hacia el otro punto de referencia, señalando la distancia en metros desde la BASE.


11


• En este caso solo son válidas las distancias horizontales, por lo tanto no debemos tener en cuenta las alturas o cotas que nos da el GPS para ningún procedimiento, debido a su escasa precisión.

3.9.4 LEVANTAMIENTOS BATIMÉTRICOS Los levantamientos batimétricos se pueden dividir en dos grupos principalmente : 1. Batimetrías de cuerpos de agua (lagos, lagunas, ciénagas, etc.) 2. Batimetrías de ríos.

3.9.4.1 SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO (CUERPOS DE AGUA) Para las batimetrías a que hace referencia el primer grupo podemos utilizar los siguientes equipos : • Tránsitos • Distanciómetos • GPS´s

3.9.4.1.1 Intersección De Visuales (Teodolito):


12


CALCULO DE DISTANCIAS

Cuadro de fórmulas para el cálculo de distancias a partir de T1


13


Cuadro de resultados de las distancias desde T1 a los puntos P1 y P2 CALCULO DE COORDENADAS

Cuadro de fórmulas para el cálculo de coordenadas de los puntos P1 y P2


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Cuadro de Resultados de las coordenadas de los puntos P1 y P2

Procedimiento • Levantamiento de una poligonal perimetral al lago, a la cual quedará amarrado éste tanto

planimétricamente como altimétricamente. • Dependiendo de la extensión, la forma y la visibilidad, se van materializando bases que en

nuestro ejemplo son T1 y T2 en donde irán armados Tránsito 1 y Tránsito 2, que a su vez forman la línea base de la serie de triángulos que se formarán con cada uno del los puntos en donde se medirán las profundidades (P1, P2 ....), ya sea directamente o por ecosondeo.

• Una manera de localizar los puntos de sondeo es gráficamente haciendo uso de los ángulos medidos en T1 y T2 hasta hallar su punto de intersección, de ahí el nombre del método “INTERSECCION DE VISUALES”.

• La otra manera es haciendo el cálculo de las coordenadas y cotas de fondo de cada uno de los puntos amarrándolos a la poligonal envolvente por medios trigonométricos y topográficos convencionales. Este sistema es el mas importante ya que nos generará un archivo con los campos NORTES, ESTES Y COTAS, de gran utilidad para el procesamiento sistematizado de curvas de nivel y elaboración de modelos digitales par la obtención de perfiles, volúmenes, etc.

• Un aspecto muy importante que se debe tener en cuenta para garantizar precisión de la batimetría es el control que se debe hacer, de la variación de niveles para evitar la alteración en la medición de las profundidades.


15


3.9.4.1.2 Con Distanciómetros

• Básicamente el tratamiento que se da a las batimetrías con distanciómetro es el mismo que para

Intersección de Visuales, en cuanto se refiere a la poligonal como base para la referenciación de los puntos de profundidad, pero el tratamiento de la información para la obtención de los campos NORTES, ESTES Y COTAS, se simplifica enormemente ya que vamos a tener en el sitio , si queremos, las coordenadas de cada uno de los puntos, lo que nos permite inclusive, con un computador portatil y el software apropiado, obtener gráficos preliminares en tiempo real.

3.9.4.1.3 Con GPS´s


16


Procedimiento • Instalar el GPS - BASE en un punto o placa con coordenadas conocidas. • Dentro de la programación de los equipos se debe tener en cuenta lo siguiente :

1. El tipo de datos leer debe ser STREAM, lo cual consiste en que las lecturas se hacen en forma continua a lo largo de los recorridos.

2. Se debe programar un intervalo de tiempo prudente para las lecturas (En nuestro ejemplo es de 10 segundos), teniendo en cuenta la velocidad promedio de la lancha que lleva el GPS - ROVER para que el área del lago quede cubierta de una manera regular.

• Los GPS´s tanto ROVER como BASE, se sincronizan automáticamente en el tiempo por medio de relojes atómicos que poseen los satélites, lo que permite la precisión de las observaciones.

• Para la medición de las profundidades se utiliza una ecosonda, preferiblemente digital, la que también se sincroniza en tiempo par que se haga un fix o señal en la grafica cada 10 segundos, los que nos permitirá tener cada 10 segundos las coordenadas NORTES, ESTES y la profundidad en este punto.

• Si los equipos GPS trabajan en tiempo real, las coordenadas almacenadas en la memoria son las verdaderas, es decir corregidas.

• Si los equipos no trabajan en tiempo real, las coordenadas se guardarán sin corregir y con proyección WGS84, por lo cual debemos con el software apropiado hacer el post-proceso y dar la proyección que necesitemos.

• Ya no es necesario el levantamiento de la poligonal perimetral.Para levantar el borde de la laguna, éste se debe levantar haciendo un recorrido con el ROVER graduando los intervalos de tiempo de tal manera que se capten los detalles con la precisión que se requiera.

• Después de organizada una tabla con las coordenadas x, y, z estamos listos para la interpolación de isolíneas y la generación de un modelo digital, del cual podremos obtener volúmenes, perfiles así como también una vista tridimensional del lago.

3.9.4.2 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO (RÍOS)


17


PROCEDIMIENTO En cuanto a los métodos para los levantamientos de campo y procedimientos para el procesamiento de la información, son los mismos que se describieron para los cuerpos de agua, aunque además se debe tener en cuenta lo siguiente: 1. La variación de los niveles se puede presentar en cualquier momento y con una magnitud

mayor, por lo tanto el control de los mismos debe ser mucho más estricto. 2. Una nueva variable de gran importancia en los ríos es la pendiente hidráulica, factor

determinante en el procesamiento de los datos y en la elaboración de los modelos digitales de terreno.

3. De los modelos digitales de terreno podemos obtener en forma directa las secciones o perfiles que necesitemos así como parámetros de medición tales como volumen, pendientes, distancias, etc.


18


3.9.5 APLICACIÓN


19



20


3. MEDICIONES HIDROMETRICAS 4

3.1 OBJETIVOS 4

3.2 ALCANCES 5

3.3 NIVEL 5

3.4 MEDIDORES DE NIVELES 5 3.4.1 DE OBSERVACIÓN DIRECTA 5 3.4.2 DE REGISTRO CONTINUO 6 3.4.3 CLASES DE LIMNÍMETRO. 6

3.4.3.1 TIPOS DE INSTALACIÓN DE LIMNÍMETROS 7 3.4.3.2 MANTENIMIENTO 8

3.4.4 TIPOS O CLASES DE MAXÍMETROS. 9 3.4.4.1 INSTALACIÓN DE MAXIMETROS 10 3.4.4.2 MANTENIMIENTO 10

3.4.5 LIMNÍMETROS DE CONTACTO. 10 3.4.5.1 INSTALACIÓN DE LIMNICONTACTOS 11 3.4.5.2 TIPOS DE LIMNICONTACTOS 11 3.4.5.2.1 Limnicontactos o Sonda Luminosa 12 3.4.5.2.2 Sonda de Presión con o sin Colector de Datos 12 3.4.5.3 MANTENIMIENTO 13

3.4.6 INSTRUMENTOS DE REGISTRO CONTINUÓ - LIMNÍGRAFOS 13 3.4.6.1 MANTENIMIENTO 15 3.4.6.2 TIPOS DE LIMNÍGRAFOS 16 3.4.6.2.1 Limnígrafo Seba Modelo Delta 16 3.4.6.2.2 Limnígrafo Stevens 20 3.4.6.2.3 Otros limnígrafos 22 3.4.6.4 INSTALACIÓN DE LIMNÍGRAFOS 23

3.4.7 OTRAS INSTALACIONES 24 3.4.7.1 PUENTES HIDROMETRICOS Y TARABITAS 24 3.4.7.2 CABLES E INSTALACIONES DE ORILLA 25

3.5 TOMA DE LOS DATOS DE NIVEL 25

3.6 VERIFICACION DE LA INFORMACION OBTENIDA EN CAMPO 27

3.7 AFOROS LIQUIDOS 27 3.7.1 SECCION DE AFOROS 28 3.7.2 TIPOS DE AFOROS 28 3.7.3 EQUIPO Y PERSONAL REQUERIDO EN CADA TIPO DE AFORO 29

3.7.3.1 AFORO POR SUSPENSION 29 3.7.3.2 AFORO ANGULAR 29 3.7.3.3 AFORO EN BOTE CAUTIVO 29 3.7.3.4 AFORO POR VADEO 29 3.7.3.5 AFORO VOLUMETRICO 30 3.7.3.6 AFORO POR TRAZADORES - DILUCION 30 3.7.3.7 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO 30 3.7.3.8 AFORO POR FLOTADORES 30

3.7.4 SELECCIÓN DEL NUMERO DE VERTICALES 31 3.7.5 MEDICION DEL ANCHO 31 3.7.6 MEDICION DE LA PROFUNDIDAD 32 3.7.7 CORRECCION POR ANGULO DE ARRASTRE 33


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3.7.7.1 PROCEDIMIENTO EN CAMPO 35 3.7.8 MEDIDORES DE LA VELOCIDAD DEL AGUA 37

3.7.8.1 MOLINETES 37 3.7.8.2 OTROS SENSORES 40 3.7.8.3 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL 41 3.7.8.3.1 Métodos de Puntos Reducidos 41 3.7.8.4 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA DE LA SECCION 47 3.7.8.5 MEDIDA DE LA PROFUNDIDAD 47 3.7.8.6 CALCULO DEL CAUDAL PARCIAL 48

3.7.9 AFOROS CON TRAZADORES 48 3.7.9.1 REQUERIMIENTOS DE LOS TRAZADORES. 49 3.7.9.2 TIPO DE TRAZADORES. 50

3.7.10 MEDICION DE CAUDAL POR EL METODO DE DILUCION 51 3.7.10.1 SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO. 51 3.7.10.2 PROCEDIMIENTO. 53 3.7.10.3 DETERMINACION DEL PESO DEL TRAZADOR. 54 3.7.10.4 DETERMINACION DE TIEMPO DE MEDICION. 55 3.7.10.5 CALCULO DEL CAUDAL 56 3.7.10.5.1 Método de Inyección Continua. 56 3.7.10.5.2 Método de Inyección Instantánea 57

3.7.11 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO 60 3.7.11.1 CONTROL DE CAMPO 61

3.7.12 AFORO VOLUMETRICO 62 3.7.13 AFORO CON FLOTADORES 62 3.7.14 ESTRUCTURAS AFORADORAS 62

3.8 AFOROS SOLIDOS 63 3.8.1 CONCENTRACIÓN 64 3.8.2 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. 64 3.8.3 CLASES DE SEDIMENTOS 65 3.8.4 MUESTRAS DIARIAS 65

3.8.4.1 METODOLOGÍA. 66 3.8.5. DEFINICION SITIOS DE MEDICION 67 3.8.6. EQUIPOS E INSTRUMENTAL 67

3.8.6.1.MUESTREADORES INTEGRADORES PUNTUALES. 67 3.8.6.2 MUESTREADORES INTEGRADORES EN PROFUNDIDAD 69

3.8.7 MÉTODOS DE AFORO 72 3.8.7.1 PUNTUAL 72

3.8.7.1.1 Aforo Puntual Con Muestreador U.S.P.-61 73 3.8.7.2 INTEGRADO 74

3.8.7.2.1 Procedimiento 75 3.8.7.3 MUESTRAS DE FONDO 76

3.8.7.3.1 Muestreador Tipo Almeja "Van Veen´s Grab" 76 3.8.7.3.2 Muestreador US-BMH-60 y US-BMH-54 77 3.8.7.3.3 Muestreador de Cono 78

3.8.7.4 BOLSA PLEGABLE 79 3.8.7.4.1 Ventajas 80 3.8.7.4.2 Desventajas 80 3.8.7.4.3 Componentes del Muestreador 80 3.8.7.4.4 Bolsas de Plástico 81 3.8.7.4.5 Pesa o Escandallo 81 3.8.7.4.6 Lastre de la Bolsa 81

3.8.9 ERRORES Y LIMITACIONES EN LAS MEDICIONES DE SEDIMENTOS 82 3.8.8.1 USO INCORRECTO DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS 82 3.8.8.2 EFICIENCIA Y LIMITACIONES DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS. 82


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3.8.9 MONTAJE Y USO DEL MUESTREADOR 83 3.8.9.1 TAMAÑO DE LA BOQUILLA, TASA DE TRÁNSITO Y CALIBRACIÓN DE CAMPO 84 3.8.9.2 CALIBRACION DE CAMPO 86

3.8.10 PROCESAMIENTO DE MUESTRAS EN EL SITIO 87 3.8.11 ANÁLISIS DE LABORATORIO 88

3.8.11.1 ACTIVIDADES 89 3.8.11.2 PROCEDIMIENTO 89

3.8.11.2.1 Procedimiento De Laboratorio Para Bolsa Plegable 91 3.8.11.3 PROCESOS Y CÁLCULOS 92

3.8.11.3.1 Cálculo de aforos puntuales 92


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3. MEDICIONES HIDROMETRICAS La hidrología es una parte de las ciencias ambientales que trata del origen y la distribución de las aguas superficiales y subterráneas, estudia la evolución de las masas de agua y cuantifica los volúmenes que se mueven dentro de las diferentes fases del ciclo hidrológico. En un sentido amplio, el objetivo fundamental de la hidrología y más precisamente de la hidrometría es proveer datos relacionados con la distribución espacial y temporal del agua sobre la tierra ; esta es la información que requieren los proyectos de planeamiento y manejo de los recursos hídricos, para los cuales es indispensable conocer las variaciones de cada una de las corrientes y cuerpos de agua. La base sobre la cual se apoyan los estudios hidrológicos son las mediciones de cada uno de los parámetros, y cualesquiera que sean los métodos de análisis, su precisión se verá limitada por dichas mediciones; las variaciones de los parámetros hidrológicos son grandes, y de allí la necesidad de realizar mediciones con una gran frecuencia y en muchas estaciones, por otra parte es también de gran importancia la oportunidad con que se hagan. Son muchos los factores que pueden involucrar inexactitudes en una medición hidrométrica, razón por la cual para el suministro de esta información se requiere del concurso de técnicos capacitados en cada uno de los diferentes procesos y actividades que forman parte del amplio campo de aplicación de la hidrología, la cual abarca ramas como la hidrometeorología, hidrometría y sedimentología, dentro de cada una de las cuales se ramifican y multiplican las labores que deben ejecutarse para producir, al final, la información hidrométrica veraz, adecuada, confiable y oportuna. La mayor parte de la información hidrológica directa se obtiene en puntos de observación y medición, ubicados en ríos y/o cuerpos de agua, denominados estaciones hidrométricas, el conjunto de estos puntos constituye la red de estaciones hidrométricas y ambiental. Para las mediciones el nivel de agua se utilizan dos tipos de instrumentos: los de lectura directa como lo son la mira hidrométrica o limnímetro, el limnicontacto y el maximétro, y los registradores que se conocen bajo el nombre de limnígrafos. Para la medición de las velocidades de las corrientes se emplean los correntómetros o molinetes que pedem ser de eje vertical u horizontal; en ciertos casos se usan flotadores y trazadores como sales, colorantes y radioisótopos entre otros. Durante la ejecución de aforos sean estos líquidos o sólidos se utilizan diversos equipos y accesorios como malacates, varillas de vadeo, contadores, escandallos o tocadores de fondo, muestreadores de sedimentos, molinetes, además de los instrumentos específicos de topografía.

3.1 OBJETIVOS Se ha creído conveniente iniciar la exposición de tan extenso y variado tema, con un capitulo denominado mediciones hidrométricas, entendiéndose como mediciones todas las actividades que permitan obtener datos observados o registrados en estaciones de medición y que tienen que ver específicamente con niveles, caudales y sedimentos. La importancia de la distribución del agua en la superficie terrestre es fácilmente comprensible cuando se considera su papel en la vida humana y en


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general de todas las especies, por ello el hombre se ha ingeniado a través de la historia formas para intentar cuantificarla. Pretendemos hacer una compilación detallada y profunda con ejemplos sencillos pero prácticos en los temas de medición de niveles y caudales.

3.2 ALCANCES El objeto de este manual, es el de suministrar a todos los interesados en las actividades hidrométricas, la información correspondiente a las prácticas y procedimientos necesarios para realizar mediciones confiables y oportunas de los diferentes elementos y parámetros hidrológicos. Se han utilizado las diferentes publicaciones que sobre estos aspectos ha realizado el SCMH, HIMAT e IDEAM y las ideas, conceptos y experiencias acumuladas o recopiladas por los ingenieros de la Subdirección de Hidrología, así como las especificaciones y normas técnicas impartidas por la Organización Meteorológica Mundial - OMM.

3.3 NIVEL Se denomina nivel del agua en una corriente (río, arroyo, caño, quebrada, etc.) o en un cuerpo de agua (ciénaga, embalses, lago, etc.), a la elevación o altura de la superficie del agua en un punto determinado, el cual está referido a un origen de referencia identificado con una cota arbitraria o al nivel medio del mar. En Colombia existen cerca de 1400 estaciones hidrométricas, de estas 900 son del IDEAM, en cada una se toman niveles diariamente, lecturas que realiza un observador quien reside generalmente cerca a la estación. El IDEAM, da entrenamiento e instrucción a estas personas para la toma adecuada y oportuna de datos y les asigna una tarifa mensual para la compra.

3.4 MEDIDORES DE NIVELES

3.4.1 DE OBSERVACIÓN DIRECTA Los medidores de niveles de agua, se pueden dividir principalmente en tres clases:

a) Miras o limnímetros

b) Maxímetro

c) De contacto o Limnicontacto.


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3.4.2 DE REGISTRO CONTINUO

a) Limnígrafos

3.4.3 CLASES DE LIMNÍMETRO. La mira o limnímetro es una regla graduada de un (1) metro, que se utiliza para medir las fluctuaciones de los niveles del agua en un punto determinado de una corriente o de un cuerpo de agua. (figura N° 3.1).

Figura N° 3.1 Río Atacuari - Estación Bocas. Henry Arturo Romero P. Las miras pueden ser construidas en varios materiales: • Hierro fundido. Es un tipo de mira, donde los caracteres están en alto relieve, esta mira tiene la

ventaja que dichos caracteres no se borran lo cual da a esta una mayor durabilidad. • Lámina esmaltada. Esta clase de miras están limitadas por la fragilidad del esmalte, se deben

usar únicamente en ríos que no tengan arrastre de rocas o palizadas que las puedan dañar. • Lámina pintada: Las miras de lámina pintada tienen poca duración, debido a que la pintura se

deteriora poco a poco con el tiempo. Estas miras tienen la ventaja de ser las más baratas y de fácil construcción.


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Las miras en general pueden ser fijadas en madera, rieles, acero, roca o concreto, (Figura N° 3.2 y 3.3), se ilustran la forma como se deben fijar e instalar dichos limnímetros.

Figuras N° 3.2 - 3.3 Río Chiticuy - Estación Las Vegas. Henry A. Romero Río Negro - Estación Tobia. Henry Arturo Romero P.

3.4.3.1 TIPOS DE INSTALACIÓN DE LIMNÍMETROS Las miras hidrométricas directas se instalan sobre la orilla más próxima al sector más profundo; el plano (0) debe quedar 0.5 metros por debajo de la profundidad mínima del nivel de agua para ríos pequeños, y en lo posible por debajo del nivel de aguas mínimas, en ríos grandes. El extremo superior del limnímetro debe sobrepasar por lo menos en un metro el nivel máximo de la creciente posible. Las miras se acoplan a listones de madera empotrados en concreto o atornillados a perfiles metálicos (T, U, I, etc.). El montaje se hará de tal forma que el plano (0) esté conveniente mente relacionado o empalmado por nivelación topográfica, y referirlo a un punto invariable de referencia localizado o BM en cercanías de la estación. • Miras verticales. Cuando las reglas se colocan en forma vertical, en uno o varios tramos. (Ver

Figuras N° 3.2 - 3.3)

Miras inclinadas. Esta clase de miras están colocadas de acuerdo a la inclinación del talud, también se usan en vertederos y su relación puede ser 1:10, es decir que 100 cm., leídos en la mira inclinada, equivalen realmente a 10 cm., en altura.(Figura 3.4)

•


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Figura N° 3.4 Estación Calamar - río Magdalena. Héctor Guzmán A.

En cuanto a la colocación de los limnímetros o miras se debe considerar los siguientes requerimientos técnicos: • Buena fijación. Garantiza que no se produzcan movimientos verticales que puedan alterar las

lecturas. Para ello se recomienda su instalación en sitios estables como en rocas, pilas de puentes, muelles, u otras estructuras resistentes.

En el caso que sea imposible encontrar una estructura estable, se recomienda fijar los limnímetros en rieles, listones de madera, perfiles de acero, o anclarlas en muros de concreto construidos para tal fin. • El limnímetro o mira deberá estar colocado de tal forma que puedan leerse fácilmente; deben

tener facilidad de acceso para que las lecturas se hagan con comodidad y seguridad. • Los limnímetros o miras deben estar relacionados a un punto de referencia (BM) a fin de verificar

periódicamente la cota del acero. Este punto o BM deberá estar colocado en un sitio seguro, arriba del nivel de aguas máximas y en un terreno estable que no sufra alteraciones.

3.4.3.2 MANTENIMIENTO Para mantener en funcionamiento una instalación limnimétrica es importante seguir las siguientes instrucciones:

Visitar la estación periódicamente para revisar su estado, (parte física y operativa). •

•

Revisar los empalmes de los tramos de limnímetro instalados en la estación, así como el cero de la mira.


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Cambiar los tramos que se encuentren averiados especialmente cuando la pintura o esmalte del tramo correspondiente se ha deteriorado.

•

•

Revisar los numeradores que indican los tramos cada metro.

3.4.4 TIPOS O CLASES DE MAXÍMETROS. Se puede llamar maxímetro a cualquier ingenio asociado a una mira limnimétrica que permita con posterioridad determinar el nivel alcanzado por las aguas. También se denominan instrumentos medidores de crecientes en los ríos, en el cual queda señalado el nivel alcanzado; según el tipo de maxímetro, ésta se deposita en una serie de recipientes que se encuentran colocados dentro de un tubo con perforaciones laterales que permiten la entrada del agua, o borra una señal previamente pintada o dejan una huella (corcho) adherida a las paredes interiores de un tubo. Existen otros sistemas para medir los niveles máximos, pero solamente se describe el instrumento convencional utilizado por el IDEAM. Los recipientes del maxímetro tienen 5 cm., de altura y pueden ser de vidrio, latón, tubo galvanizado o PVC colocados dentro de un soporte cilíndrico el cual es introducido en un tubo galvanizado, este a su vez es fijado mediante platinas en los extremos a una estructura firme (Figura N° 3.5)

Figura N° 3.5 Río Chiticuy - Estación Las Vegas. Henry Arturo Romero P.


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Las dimensiones más usuales son las siguientes: * Diámetro del tubo 2.5 pulgadas (6.35 cm.) puede ser de hierro galvanizado o PVC. * Longitud de 1.00 m. o 1.50 m. La operación de dicho instrumento se basa únicamente en hacer una inspección después de una creciente; se retira la tapa superior del maxímetro y se saca el soporte cilíndrico con los recipientes, identificando el frasco superior que contenga agua, y así se determina el nivel máximo que alcanzó dicha creciente. Otros maxímetros se construyen con una placa graduada que se pinta con tiza o cal; al subir las aguas, la tiza es lavada hasta el nivel más alto en donde se puede observar la altura alcanzada por las aguas. La placa se puede colocar dentro de un tubo perforado u otro recinto que admita el acceso de agua. Existen en el mercado otros tipos de instrumentos hidrométricos que han sido diseñados y construidos en fibra de vidrio, es un tubo de 1 metro de longitud, graduado en centímetros y decímetros, con cinta adhesiva, la cual en contacto con el agua cambia de color, indicando así al altura alcanzada.

3.4.4.1 INSTALACIÓN DE MAXIMETROS Los maxímetros deberán ser referenciados a un punto de nivelación que debe ser el mismo al cual se referencia las miras o limnímetros. Se instalan generalmente a continuación del penúltimo metro de mira, al igual que en el caso de los limitemos, para la instalación de estos, se deben seguir los mismos patrones y requerimientos técnicos que garanticen una buena fijación y comodidad para realizar las lecturas. El cero (0) del Maxímetro debe coincidir con un valor del limnímetro que sea múltiplo de 0, es decir 3.50, 4.00, 4.30, 470, 5.20, etc.

3.4.4.2 MANTENIMIENTO El mantenimiento de los maxímetros es muy sencillo solamente necesita que los recipientes estén en buen estado. Después de una crecida se debe lavar el tubo y los vasos, para evacuar el sedimento depositado, con los de tiza se vuelve a marcar la placa, en el caso de los cinta adhesiva se cambia y en los de huella se lavan y se aplica la sustancia molida.

3.4.5 LIMNÍMETROS DE CONTACTO. El limnicontacto o sonda indicadora de profundidad (nivel) es un dispositivo simple y elemental constituido esencialmente por una polea, un contrapeso y un flotador unidos por un cordel o cable


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abcisado, para facilitar la medición; su operación es sencilla, según el nivel de agua el cable se desplaza con relación a un punto de referencia, permitiendo así obtener la lectura de nivel. (Figura N° 3.6). La mira propiamente dicha, colocada sobre las estructuras superiores de los puentes, esta conformada por placas metálicas de 1 metro del tipo de las descritas en el numeral 3.4.3

3.4.5.1 INSTALACIÓN DE LIMNICONTACTOS Los limnicontactos se instalan generalmente sobre barandas de puentes en lugares que permitan medir toda la gama de variación de niveles. La parte fija de esta instalación es el punto de referencia, los demás elementos el observador los instala en el momento de la medida. El sitio elegido para el contacto del flotador con el agua debe estar alejado de la línea de velocidades máximas, para evitar la inclinación (ángulo) del cable por el arrastre del flotador. Polea Mira ⊕Punto Referencia Contrapeso Flotador

Figura N° 3.6 Esquema de Limnicontacto El limnicontacto también ha sido desarrollado además como una unidad portátil para la rápida observación de niveles de pozos en aguas subterráneas. igualmente pueden utilizarse en mediciones de niveles en aguas superficiales.

3.4.5.2 TIPOS DE LIMNICONTACTOS Existen varias clases de limnicontactos o sondas, las más usadas son : - Sonda Luminosa o eléctrica. - Sonda de Presión


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3.4.5.2.1 Limnicontactos o Sonda Luminosa Este instrumento consiste en una cinta graduada que tiene un dispositivo al final de esta, que al hacer contacto con el agua emite un impulso eléctrico que enciende una lámpara de señal instalada en la bobina en donde se enrolla la cinta (Figura N° 3.7), además este tipo de sondas pueden enviar señales acústicas. Son preferencialmente empleadas en profundidades menores de 100 metros; existen varias clases de sondas luminosas, las cuales varían su forma y tamaño según el constructor, pero el principio de funcionamiento es el mismo.

Figura N° 3.7 Sonda Luminosa

3.4.5.2.2 Sonda de Presión con o sin Colector de Datos Este instrumento tiene bastante utilidad en la medición de niveles en pozos, sondeos, tubos de agua subterránea, especialmente en pruebas de bombeo, es portátil a pesar de su construcción robusta. La medición de nivel de agua se efectúa mediante una célula capacitiva de cerámica, sin aceite, que mide la presión hidrostática de la columna de agua a través de una membrana de presión que la transforma en señal eléctrica. Los valores medidos pueden ser leídos en una pantalla (display) o


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almacenados en un colector de datos, que esta incorporado en el cuerpo de la sonda en este caso la forma de obtener la información se hace a través de una unidad lectora que se conecta a la sonda, para manipular la información requiere de un software especializado. Normalmente estas sondas, eléctricas y de presión se colocan en la parte superior de un punto de medición (pozo, tanque, tubo de observación, etc.) y con una sencilla manipulación se desciende el cable por medio de una manivela.

3.4.5.3 MANTENIMIENTO Para el buen funcionamiento y duración del instrumento, es importante la limpieza, especialmente el cable o la cinta graduada, después de cada medición. La revisión de los contactos eléctricos antes de cada medida, es determinante para el éxito de las mediciones, además las partes móviles necesitan lubricación permanente.

3.4.6 INSTRUMENTOS DE REGISTRO CONTINUÓ - LIMNÍGRAFOS El limnígrafo es un instrumento que registra continuamente los niveles de agua en el transcurso del tiempo. Los registradores del nivel o limnígrafo están compuestos fundamentalmente por tres partes o dispositivos: el primero corresponde al elemento sensible, que puede ser un flotador y contrapeso o un manómetro, el segundo que es el sistema que traduce a escala y registra los niveles del agua (eje helicoidal, poleas de escala y sistema inscriptor o de registro), y el tercero, basado en un mecanismo de relojería, alimentado mecánicamente (cuerda) o por medio de baterías (pilas de 6 voltios), que proporciona una escala de tiempo. El mecanismo o instrumental viene protegido contra la humedad y los animales, instalado en una caja hermética, resistente, en el terreno se alberga una caseta que protege el conjunto, contra las inclemencias del clima y la intervención de personas no autorizadas. (Figura N° 3.8).

Figura N° 3.8 Río Nrgro Estación - Charcolargo. Henry Arturo Romero P.


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En los limnígrafos de flotador, el contacto con la superficie del agua se establece por medio de un flotador a través de un cable provisto de contrapeso que acciona una polea, el flotador se encuentra en el tubo cono, cuando la instalación es directa y en el pozo aquietador, unido hidráulicamente a la corriente por el principio de los vasos comunicantes (tuberías de aguas máximas, medias y mínimas). En los limnígrafos manométricos, la presión del agua se transmite hasta un manómetro al que se acopla el mecanismo de inscripción. Para transmitir la presión sirve una tubería que contiene gas, en cuanto al sistema de funcionamiento, se distinguen los limnígrafos manométricos estáticos, en los cuales el gas permanece encerrado en la tubería, y los limnígrafos manométricos de burbujas, en los cuales la tubería es alimentada con un leve flujo de gas que burbujea lentamente por su extremo abierto. Los limnígrafos manométricos estáticos funcionan con base de aire y disponen de una bomba manual que sirve para reponer el aire que se pierde por fugas en la tubería. Al ser inyectado el aire a la tubería pasa por un medio disecante, tal como ácido sulfúrico; en cuanto al terminal de la tubería hacia el lado de la corriente, se puede encontrar abierto hacia abajo en una campana, o bien cerrado con una colchoneta o vejiga comprensible. Los limnígrafos manométricos de burbuja alimentados a presión con un gas, generalmente nitrógeno, que burbujea a través de la tubería, asegurándose así que permanezca libre de obstrucciones. Para asegurar el funcionamiento de éste tipo de limnígrafos se necesita en la estación, un cilindro del gas especificado por el fabricante. Entre los mecanismos de registro gráfico utilizados para limnígrafos de flotador o de manómetro se distinguen los de tambor o los de banda. Los limnígrafos de tambor tienen una duración de registro limitada por el tamaño del tambor y se fabrican habitualmente para una duración de 1 a 30 días. Los limnígrafos de banda tienen una cuerda o batería de larga duración mayor a 90 días y no exigen, dentro de este plazo, una fecha fija de inspección y cambio de papel; en cada inspección se recorta la parte registrada de la banda que transita de una bobina de alimentación a otra de recepción. En los limnígrafos de banda el avance del papel es generalmente del orden de 2 mm por hora, y la altura útil de registro de 250 mm, pero muchos modelos de éstos instrumentos contemplan la posibilidad de cambiar la velocidad de avance y la escala de medición por intercambio de engranajes y poleas; tanto los limnígrafos de tambor como los de banda suelen contar con un recurso que extiende indefinidamente el rango de niveles que el instrumento puede registrar y que se conoce con el nombre de inversión, consiste básicamente en que el registro no se detiene cuando esta ha llegado al máximo de la escala, sino que continúa registrando en sentido inverso. La inscripción se realiza con lápiz o tinta sobre el papel corriente o por medio de un estilete sobre papel encerado, los lápices o minas de grafito proporcionan un registro seguro pero poco nítido, por lo que generalmente se prefiere la inscripción con tinta; en los limnígrafos de tambor, de duración limitada se usa frecuentemente una plumilla en forma de tetraedro que se recarga en cada inspección; en cambio, los limnígrafos de larga duración vienen provistos de una plumilla de tipo capilar unida a un depósito de tinta. En ocasiones, el sistema inscriptor basado en tinta se convierte en fuente de perturbaciones por fallas de la plumilla; en estos casos se puede botar por un sistema


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inscriptor basado en un estilete que registra por presión sobre papel encerado, este último sistema tiene el inconveniente del mayor costo del papel encerado, exigiendo además manipulación cuidadosa debido a que el papel encerado continúa acogiendo cualquier tipo de marcas a la presión. En circunstancias especiales, cuando se necesita información continua en inmediata sobre los niveles de una corriente sea por razones de operación de obras hidráulicas o por alarma ante crecidas, se acopla a los instrumentos registradores un sistema automático (Figura N° 3.9), que consta de un decodificador, un panel de sensores y una antena todo este sistema es alimentado por una batería, la cual a su vez es recargada a través de un panel solar, el dato colectado es transmitido a intervalos de tiempo (cada 4 horas) al satélite y este envía a una plataforma central de recepción instalada convenientemente en oficinas. Los datos recibidos se puede manipular (graficar, hacer tratamiento estadístico).

Figura N° 3.9 Río Sogamoso - Pte La Paz. Guillermo Olaya T.

3.4.6.1 MANTENIMIENTO Siendo el limnígrafo un instrumento registrador automático, las intervenciones sobre él se limitan al servicio rutinario de verificar el buen funcionamiento y a ciertos ajustes de calibración en caso de necesidad. El inspector de estaciones hidrométricas se familiarizará a conciencia y llevará siempre


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consigo los elementos y materiales necesarios para la operación y buen mantenimiento de los mismos.

3.4.6.2 TIPOS DE LIMNÍGRAFOS Existen en el mercado nacional e internacional diferentes tipos de limnígrafos, pero todos se basan en el mismo principio mecánico de un flotador como sensor, un sistema de inscripción o registro y un mecanismo de reloj. En este documento se hará una descripción detallada de dos tipos de instrumentos usados tradicionalmente por el IDEAM y sobre los cuales tenemos una muy buena experiencia. Estos son:

3.4.6.2.1 Limnígrafo Seba Modelo Delta Fabricante : SEBA HYDROMETRIE GMBH 8951 Oberbeuren Rep. Federal de Alemania

a) Características El mecanismo del limnígrafo se aloja en una caja hermética de aluminio (Figura N° 3.10), la cual tiene una llave tipo Bristol, hexagonal, que gira un tornillo que asegura la puerta de dicha caja, al lado derecho exterior de la caja se encuentran una o dos poleas que son accionadas por el sistema de flotador y el contrapeso. La parte superior interna de la caja es ocupada a todo su ancho por un eje horizontal unido a la polea superior externa, está provisto de dos ranuras helicoidales contrarias, a medida que gira la polea y el eje, la ranura helicoidal obliga a desplazar el conjunto de inscripción sobre la banda de registro, al llegar el conjunto de inscripción a un extremo del eje, ingresan a la segunda ranura helicoidal invirtiendo el sentido de tránsito; En esta forma se obtiene un registro ilimitado de niveles de agua. El sistema de inscripción es de plumilla capilar con depósito de tinta de larga duración, a solicitud, el fabricante puede suministrar otros sistemas de inscripción. También en la parte superior, al centro un indicador de nivel de dígitos es accionado por la polea externa a través de un engranaje y un eje, horizontalmente se encuentran las bobinas de alimentación y de recepción entre las que transita la banda de papel, estando la bobina de alimentación arriba y la receptora abajo. Levantando la plumilla de inscripción, la varilla pisa papel y empujando hacia abajo los ganchos de fijación, el conjunto de bobinas y rodillos con el papel se basculan hacia adelante, quedando a la vista el mecanismo motriz que hace avanzar la banda de papel. El mecanismo motriz o de avance es accionado por un reloj de cuerda de resorte de larga duración (normalmente mayor a 90 días) situado abajo y a la izquierda de la caja, a solicitud, el fabricante puede suministrar mecanismos de poder tipo eléctrico o de batería (pilas). La caja de instrumento tiene cuatro patas, una de ellas provista de tornillo de nivelación, el cual se emplea para instalarlo totalmente horizontal con respecto al plano de referencia o base de la caseta.


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Figura N° 3.10 Limnígrafo SEBA

b) Instrucciones de instalación Desempacar cuidadosamente verificando la lista de piezas, antes de eliminar el material de empaque, la caja con el instrumento se atornilla a la base de montaje por medio de cuatro pernos, uno de nivelación permite dejar en posición horizontal el instrumento; el cable del flotador se recorta, de manera que su longitud comprenda la distancia desde el instrumento hasta el nivel de aguas mínimas, más un metro; subiendo el flotador hasta aguas máximas el contrapeso no debe tocar el fondo. Al manipular el cable, tener cuidado de no doblar produciendo quiebres y colocar los casquillos en los extremos cortados para que no se destroce, luego sujetar el flotador y el contrapeso con los ganchos proporcionados para tal efecto; el cable del flotador y el contrapeso se colocan sobre la polea de tal manera que el flotador quede por delante, por medio de la polea guía con tuerca de mariposa se separa el flotador del contrapeso para que en todo su recorrido, el flotador y el contrapeso no se toquen entre sí, ni rocen con las paredes del pozo o del tubo flanche. Cuando una vez instalado el instrumento, resulta necesario retirarlo para su transporte a otro lugar, se saca el cable con el flotador y el contrapeso, se desenganchan estos y se enrollan sin causar quiebres; sobre la polea se coloca una protección metálica y el reloj se frena bajando la palanca correspondiente hasta el punto rojo. El depósito con la plumilla capilar se retiran de su respectivo soporte, girándolo hacia arriba, se saca toda la tinta del estanque y se limpian, envolviendo las piezas. Todo el instrumento y sus partes y accesorios se guardan en un cajón, utilizando el material de empaque y relleno necesario para que no sufran daños durante el transporte.


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c) Operación • Colocación y extracción del papel de inscripción. Se utiliza papel de bordes perforados para registradores, cuyo ancho útil es de 25 Cm, cuadriculado a escala. Cada rollo tiene 15 m de longitud y alcanza para 10 meses a una velocidad de avance de 2 mm/hora. A solicitud, el fabricante puede proporcionar papel con revestimiento de tipo especial, el cual es particularmente inerte frente a los efectos de la humedad. Para colocar un nuevo rollo, se levantan las dos platinas de sujeción y la varilla situada sobre el papel entre la bobina abastecedora y el rodillo guía, y se empujan los ganchos hacia abajo, en esta forma se puede bascular hacia adelante el conjunto y sacar el papel, la bobina de abastecimiento se quita de sus descansos halando los retenes respectivos, luego se saca hacia la derecha la alina del cartón del rollo gastado y se introduce el nuevo rollo; la bobina cargada con un nuevo rollo se vuelve a colocar en sus descansos, cuidando de dejar el extremo más largo a la izquierda, a continuación se levanta el conjunto de rodillos y bobinas a su posición normal, verificando que los ganchos queden perfectamente encajados. La bobina receptora se saca de sus descansos halando las palancas, el extremo de la banda de papel se corta formando una punta que se introduce bajo la abrazadera de la bobina receptora, dando algunas vueltas hasta afirmarlas bien, luego la bobina receptora se vuelve a colocar en sus descansos, asegurando con las palancas y enrollando la banda hasta que el papel quede tenso; para tensionar más el papel, se baja la varilla situada sobre el papel entre la bobina abastecedora y el rodillo guía superior. Para comprobar que el papel corre adecuadamente, se gira hacia abajo el disco negro estriado situado a la derecha; nunca girar el disco negro en el sentido de retroceso del papel ni hacer avanzar el papel desde la bobina receptora hacia la abastecedora porque las perforaciones del papel se rompen o saltan de la rueda dentada. Finalmente se cierran las platinas y se baja la plumilla a su sitio, teniendo la precaución de dejar esta sobre la misma línea horizontal del papel. • Sistema de inscripción Normalmente el instrumento viene provisto de un sistema de plumilla capilar y depósito de tinta, para cargar el depósito, se saca hacia arriba de su soporte y se retira la tapa con la plumilla capilar llenando hasta la mitad con la tinta proporcionada para el instrumento, al volver a tapar el estanque se cierra con un dedo el respiradero de la tapa haciendo coincidir la ranura de la tapa con la vena del depósito de manera que la presión interior ayude a la tinta a subir por el capilar, si la tinta no llega al extremo de la plumilla al primer intento, se repite la operación. • Para poner en marcha el reloj. Para efectos del transporte el reloj del limnígrafo viene frenando con una palanca, el color rojo indica que está en stop, y el verde que está en condiciones de iniciar su funcionamiento, para dar cuerda se introduce la llave tipo mariposa sobre el vástago y se gira hacia la derecha hasta notar resistencia (74 medias vueltas aproximadamente).


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• Ajuste a la hora y regulación del reloj

Girando el disco estriado negro que se encuentra en la parte derecha del instrumento, se puede mover la banda de papel en sentido descendente (de avance), hasta que la plumilla se enfrente al tiempo correcto sobre la escala impresa en la banda. No girar el disco negro en el sentido del retroceso de la banda. Si el reloj que controla el avance de la banda adelanta o atrasa, se puede regular con una holgura de ± 60 minutos por día, para ello se levantan las platinas y la varilla pisa papel, inmediatamente se empujan hacia abajo los ganchos de fijación, en esta forma se puede bascular el conjunto, quedando a la vista el mecanismo de relojería; Sobre la cara izquierda de la caja del reloj se encuentra la palanca de regulación, si el reloj se atrasa, se mueve la palanca en dirección al ( + ) y si se adelanta, hacia el ( - ); cuando el desajuste del reloj excede los límites se requieren reparaciones de taller especializado. • Indicador del nivel de dígitos Para ajustar los dígitos al nivel del agua se desplaza hacia la derecha el disco negro, que está frente al indicador, y se le dan vueltas. Después se repone este disco a su posición normal a la izquierda. • Ajuste de las escalas de inscripción Para cambiar la escala, se afloja el tornillo pequeño de fijación del engranaje, en la parte superior izquierda del instrumento y se desplazan lateralmente las ruedas dentadas cuidando que los engranajes respectivos queden acoplados. Se pueden obtener las siguientes escalas de inscripción. Ruedas izquierdas 1:20 Ruedas centrales 1:10 Ruedas derechas 1: 5 El uso de estas depende de la magnitud de variación de los niveles, para una corriente en la cual la variación de los niveles es superior a 3 m., lo lógico es emplear la escala 1: 20 que nos da un rango de registro de 0 a 5 m., en un sólo sentido de desplazamiento, si por el contrario la variación es menor se emplearan las escalas 1:10 o 1:5 que permiten rangos de registro de 0 a 2.5 m., y 0 a 1.25m. • Ajuste de las escalas de tiempo El instrumento viene ajustado a un avance del papel de 2 mm/hora. Para modificar la escala de tiempo algunos modelos vienen provistos de una palanca con la indicación adecuada (2;5 y 10 mm/hora. En los modelos standard, hay que retirar las dos ruedas dentadas que hay en la parte central izquierda del instrumento e instalar otras diferentes que, a solicitud, proporciona el fabricante,


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en esta forma se puede obtener avances 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15 y 20 mm/hora. Este trabajo se recomienda realizarlo en el taller.

d) Mantenimiento • Accesorios para el mantenimiento de limnígrafos - Destornillador largo grande - Destornillador pequeño - Jeringa para limpieza de plumillas capilares, con su tubito de plástico para conexión. - Pincel para limpiar - Alcohol - Tetracloruro de Carbono - Aceite para instrumentos - Bayetilla o dulce abrigo - Pinza o Alicate • Limpieza de la plumilla Se recomienda limpiar la plumilla capilar a intervalos no mayores de seis meses, con este fin se saca el depósito de su soporte y se retira la tapa con la plumilla, al extremo sobresaliente inferior del capilar se conecta la manguera de plástico de la jeringa del equipo de limpieza y presionando con la jeringa se hace pasar alcohol por el capilar, cuando el capilar está completamente limpio aparece un chorrito fino de alcohol en el extremo de la plumilla, los restos de alcohol se expulsan del capilar utilizando una segunda jeringa seca. • Lubricación Una vez al año o según necesidad se lava todo residuo de aceite viejo y polvo utilizando un pincel con Tetracloruro de Carbono, una vez limpio, se aplica con un palillo una o dos gotas de aceite para instrumentos en todos los puntos de fricción. • Intercambio de la unidad motriz El reloj de los limnígrafos SEBA-DELTA es intercambiable, este trabajo preferentemente se realiza en el taller pero también se puede efectuar en el terreno, para cambiar el reloj es necesario antes sacar de la caja las otras unidades del instrumento.

3.4.6.2.2 Limnígrafo Stevens Fabricante : Leupol & Stevens, Inc. P. O. Box 688, Beaverton, Oregon 97005 Estados Unidos de Norte América


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a) Características

Es un registrador de banda, mecánico o eléctrico, de larga duración (figura N° 3.11), sus características son similares al descrito anteriormente, aunque ciertos detalles de construcción lo distinguen, las diferencias más notables se encuentran en la posición de las partes: la tapa de la caja está en la parte superior y tiene una ventada en material transparente vidrio o plástico, que permite sin quitar esta, ver el registro de los últimos días; el papel se mueve en sentido horizontal de atrás hacia adelante; el mecanismo de inscripción se encuentra en la parte delantera, al igual que las poleas que también están en la parte delantera, pero por fuera de la caja.

b) Instrucciones de instalación Las tres patas del instrumento se sujetan a la base, utilizando las tuercas de nivelación para dejarlo perfectamente horizontal, la polea o poleas se montan en la parte frontal del instrumento, apretando primero la tuerca central y luego los tornillos estriados, uno a la izquierda y otro a la derecha; el flotador que es de 20 cm., de diámetro y contrapeso de 570 gramos, se sujetan al cable por medio de tornillos fijadores proporcionados para tal efecto; el cable que tiene unas guías (bolitas) que se alojan en pequeños huecos en la ranura de la polea, su longitud se determina de la misma manera que se hace para el LG. SEBA. El cable con el flotador y contrapeso se colocan sobre la polea de manera que el flotador queda a la derecha.

Figura N° 3.11 Río Nrgro Estación - Charcolargo. Henry Arturo Romero

c) Operación y Mantenimiento • Colocación y extracción del rollo de papel de inscripción. El papel utilizado tiene un ancho de 25 cm., y una longitud de 23 m., trae un alma metálica, para facilitar su instalación, su desplazamiento por día es de 60 mm. Para colocar el nuevo rollo se


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levanta la plumilla, se corta el papel antiguo, se retira la plancheta que esta debajo del papel y se procede a retirar la bobina alimentadora; desenroscando el disco estriado del lado derecho, se puede sacar el alma metálica del rollo a cambiar, facilitando introducir el nuevo rollo, observando que la parte del alma metálica que está a ras del papel quede al lado izquierdo, se enrosca el disco estriado y se coloca la bobina en sus descansos nuevamente, al papel se le hace un doblez y se hace pasar entre el rodillo de fricción y el rodillo delantero, dando la vuelta sobre este, se coloca la plancheta y se aprisiona el papel sobre la bobina receptora con la presilla semicilindrica. • Sistemas de Inscripción y de Avance. Reciben el mismo tratamiento explicado para el caso del registrador anterior, el llenado y limpieza de la plumilla y el dar cuerda al reloj se hace de la misma manera, la cuerda alcanza para 135 días, siempre y cuando el avance de la gráfica sea de 60 mm. /día, si se cambia la rata de avance como es lógico, el número de días de registro igualmente variará. Sólo cambian las formas y tamaños de estos elementos. • Ajustes de las escalas de inscripción. El instrumento tiene por lo general dos poleas de 375 y 750 mm., de circunferencia, la menor se acopla a la mayor con tres pernos; Con la polea pequeña se obtiene la escala 1:5 y con la grande 1:10 y solamente cambiando el cable de polea, se establece la escala. Se pueden obtener además, al intercambiar los piñones internos escalas de 1:1, 1:2, 1:5, 1:20, 1:25 y 1:50, que equivalen para el primer caso una amplitud de registro de 1 m., y para el último 12.5 m.

3.4.6.2.3 Otros limnígrafos

Existe en el mercado otro tipo de limnígrafos de uso menos frecuente o común en Colombia, los cuales se mencionarán, para quienes estén interesados puedan obtener información a través de sus fabricantes.

Limnígrafo AOTT

Fabricante: A. OTT. 8960 Kempent Alemania Limnígrafo FUESS Fabricante: R. Fuess 1 Berlin 41 (Steglitz) Alemania


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3.4.6.4 INSTALACIÓN DE LIMNÍGRAFOS Los limnígrafos deben instalarse en la orilla más cercana a la profundidad máxima, para evitar que se queden en seco durante estiajes; cada Instalación limnigráfica estar acompañado de una instalación de mira para su control. Existen tres categorías o tipos principales de instalaciones limnigráficas: de tubo, de pozo y combinados. Los de tubo instalados directamente en el cauce del río se instalan sobre paredes verticales de roca, concreto, ladrillo, etc., para proteger estos limnígrafos de tubo generalmente hay necesidad de construir aletas de protección . (Figura N° 3.12).

Figura N° 3.12 Río Rucio Estación - Mundo nuevo. Henry Arturo Romero P.

Los limnígrafos de pozos se instalan sobre orillas inclinadas, constituidas por materiales fácilmente excavables; el extremo inferior del pozo debe quedar no menos de 1 m por encima del nivel máximo posible de las crecidas. (Figura N° 3.13). Las instalaciones para limnígrafos neumático se construyen para gamas muy grandes de variación de niveles en condiciones que hacen muy difíciles o costosa cualquier otra instalación. Consta de una caseta para albergar los instrumentos y un tubo de conexión entre el registrador y la corriente fluvial con un extremo empotrado en un bloque de concreto que descansa en el lecho del río, por debajo del nivel de aguas.


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Figura N° 3.13 Río Bajira - Estación Bajira. Henry Romero P.

3.4.7 OTRAS INSTALACIONES

3.4.7.1 PUENTES HIDROMETRICOS Y TARABITAS Son instalaciones necesarias para realizar aforos líquidos, sólidos y muestreos para calidad de agua, el puente hidrométrico debe quedar como mínimo 1 m., por encima del nivel máximo histórico, con el objeto de evitar daños durante avenidas; Para ofrecer condiciones óptimas de aforo, el puente debe quedar perpendicular a la corriente, estos pueden ser rígidos y colgantes o suspendidos; los primeros son adecuados para anchos hasta aproximadamente 10 m, más allá de las cuales se emplean puentes colgantes, diseñados siempre de manera que puedan sostener cargas móviles hasta de 1000 Kg. La construcción de cables y canastillas (Tarabitas - Figura N° 3.14) debe tener en cuenta ciertas condiciones entre las cuales se tienen las siguientes: Deben instalarse de tal manera que las canastillas no toquen la superficie del agua ni durante las más grandes crecientes. Los cables deben formar con la dirección de la corriente ángulos de 90°. El sistema constituido por cables, tensores, anclajes y canastilla debe poder soportar cargas móviles hasta de 500 Kg., y sus componentes deben estar convenientemente protegidas (con pintura y grasas) de la intemperie. En función del ancho de la sección de medición, las tarabitas pueden ser monofilares o bifilares, es decir uno o dos cables.


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3.4.7.2 CABLES E INSTALACIONES DE ORILLA La instalación de cables se hacen cuando se carece y además no es recomendable instalar estructuras (puentes hidrométricos y tarabitas) para aforar, no pueden ser fijos debido a que en corrientes navegables se convierten en un obstáculo, su instalación se hace en cauces cuyo ancho sea mayor de 100 m. También se construyen instalaciones de aforo desde la orilla en donde con un malacate se realizan los desplazamientos horizontales y verticales del equipo hidrométrico durante la medición, son menos costosos y de fácil traslado a otra sección. Para secciones de gran turbulencia y remolinos se recomienda construir instalaciones para aforos por Trazadores, usados también en zonas afectadas por grandes pérdidas de infiltración o por fenómenos cársticos.

3.5 TOMA DE LOS DATOS DE NIVEL La información de niveles se puede obtener por observaciones directas en forma sistemática de una manera relativamente fácil en corrientes (ríos, quebradas, arroyos) y cuerpos de agua (embalses, lagunas). En Colombia y por recomendación y estandarización mundial de la O.M.M., en las estaciones Hidrométricas se toma información diaria, realizando dos lecturas, a las 6 a.m. y 6 p.m., (06 y 18 horas). En la (Figura N° 3.15), se puede observar el formato utilizado por el IDEAM para la toma diaria de niveles. Es importante que el formato contenga la siguiente información:


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En la primera parte, que corresponde al encabezado o la identificación, se debe colocar el mes y el año, el código, la categoría y el nombre de la estación, el nombre de la corriente o río y el nombre del observador. Además el formato debe tener los espacios o casillas: en donde el observador pueda consignar las lecturas diarias de nivel a las 06 y 18 horas y las extraordinarias que son lecturas tomadas en horas diferentes a las establecidas, cuando hay una variación significativa de nivel, y las temperaturas observadas a esas mismas horas (06 y 18), finalmente debe existir un espacio para observaciones de carácter técnico e informativo.

D IA M E S A Ñ O

C od if icador P ág ina T R

R ev iso r D e

DIA

INST

15 17 23 29 35 41 47 53 59 65

NIV

EL

HO

RA

NIV

EL

NIV

EL

NIV

EL

NIV

EL

HO

RA

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EL

F E C H A

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EL

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R E P U B LIC A D E C O LO M B IA M IN IS T E R IO D E L M E D IO A M B IE N T E

NIV

EL

IN S T IT U T O D E H ID R O LO G IA , M E T E O R O LO G IA Y E S T U D IO S A M B IE N T A LE SN IV E LE S H O R A R IO S

4

M E SA Ñ OT IC O D IG O

Figura N° 3.15 Formato Niveles Horarios


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3.6 VERIFICACION DE LA INFORMACION OBTENIDA EN CAMPO Cuando el grupo de trabajo de campo (comisiones), visita la estación debe revisar cuidadosamente la información tomada por el observador haciendo el siguiente procedimiento: Expresarle un cordial saludo al observador y su familia. Este punto aunque pareciera insignificante es el más importante, por una parte somos la imagen de la entidad y por otra el observador merece todo el respeto y motivación. Seguidamente se le solicita la libreta de observaciones diarias. Esta primera revisión permite determinar si hay cumplimiento o no con la toma de datos; haciéndolo de esta manera evitamos que se consigne información que no corresponde a datos reales y que el observador en su afán de entregar datos al día, llena los faltantes de su libreta. Si la estación es limnimétrica se debe revisar la secuencia de variación de los niveles con respecto a la corriente o cuerpo de agua sobre la cual está ubicada la estación. Si es un río con régimen de montaña los niveles pueden presentar variaciones grandes durante el día, mientras que si es un río de régimen aluvial o un cuerpo de agua estancada las variaciones son menor y presentan una secuencia lógica; En ambos casos las variaciones serán mínimas cuando los datos corresponden al período seco o de estiaje. Si la estación es limnigráfica se debe retirar el registro y hacer una primera evaluación para determinar adelantos o atrasos y si hay coincidencia en el nivel registrado y observado en el momento del retiro de la gráfica; realizada esta actividad se procede en presencia del observador a plotear las lecturas de mira sobre la gráfica, ello permitirá determinar la calidad de las lecturas de mira y de no ser así, se tienen argumentos para hacer el respectivo llamado de atención. Si las lecturas falsas son muchas, no se le deben pagar, con el fín de que él sepa que sólo se le pagarán las lecturas que realmente tome a las horas indicadas. Cuando la comisión llega a su cede y habiendo realizado el procedimiento descrito, se le facilitará hacer la evaluación de los niveles observados o registrados; Proceden a hacer las correcciones necesarias en tiempo y nivel para el caso de los registros, seguidamente hacen los cortes de pendiente con el fin de reducir la gráfica que se presenta como un trazo curvo a la unión de segmentos de líneas rectas delimitadas por puntos de ploteo o de corte. Este proceso puede realizarse mediante una mesa digitalizadora o manualmente, a continuación se transcriben los datos, al formato de niveles horarios y a su captura, siguiendo las especificaciones técnicas para tal fin. Cuando se han grabado los datos de cada una de las estaciones se hace una impresión, la cual se confronta contra las codificaciones y así corregir posibles errores cometidos durante grabación.

3.7 AFOROS LIQUIDOS Este procedimiento que consiste en realizar una serie de mediciones en campo permite posterior e indirectamente calcular el caudal de un corriente, el cual esta referenciado a un nivel de agua. Se define aforo líquido como el volumen de agua que pasa a través de una sección transversal de una corriente en una unidad de tiempo, generalmente se expresa en m3/s o lt/s.


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El caudal puede medirse en un tiempo dado por varios métodos diferentes y la elección del método depende de las condiciones halladas en un emplazamiento en particular, la mayoría de estos métodos están basados en la medición de la velocidad y el área en una sección transversal determinada. Aún no son factibles las mediciones continuas de caudal, de modo que se efectúan mediciones periódicas para determinar la relación entre el nivel y el caudal en la estación de aforo, de estas mediciones periódicas se extraen los pares de valores que permiten construir la curva de gastos o curva de calibración o curva de descarga.

3.7.1 SECCION DE AFOROS Debe cumplir los siguientes requisitos: • Estar situada a un tramo recto de la corriente. En lo posible, la longitud del tramo tendrá un

mínimo equivalente a cinco (5) veces el ancho de la Sección. • Dirección de la corriente paralela, para diferentes estados del río; aguas bajas, medias y altas. • Márgenes con taludes naturales sobresalientes de manera que no se produzca desbordamiento

durante las crecidas. • Pendiente constante y distribución uniforme de velocidades, evitándose aquellas secciones en las

cuales existan sectores de altas velocidades, aguas muertas y contracorrientes o remolinos. • Lecho del río libre de obstáculos (troncos de árboles, grandes rocas, vegetación, etc.) • Evitar los lechos fangosos. • La geología del terreno deberá facilitar la construcción de las obras para medición como

tarabitas, puentes, pasarelas, etc.

3.7.2 TIPOS DE AFOROS

• Aforo por suspensión (puentes y tarabitas) • Angular (sextante o tránsito) • Bote cautivo • Vadeo • Volumétrico • Trazadores - Dilución • Lancha en movimiento • Flotadores


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3.7.3 EQUIPO Y PERSONAL REQUERIDO EN CADA TIPO DE AFORO

3.7.3.1 AFORO POR SUSPENSION Para este tipo de aforo se utiliza el siguiente equipo:

• Malacate y tabla con polea • Molinete completo incluido cola estabilizadora • Contador • Cartera de aforos y planillero • Escandallos 30, 60, 75 y 100 kilos • Personal Requerido: dos técnicos (Inspector y aforador)

3.7.3.2 AFORO ANGULAR

• Sección establecida con sus respectivos mojones • Jalones y banderolas colores vivos (roja, Naranja y blanca) • Sextante o tránsito • Lancha con motor fuera de borda • El mismo equipo para aforos por suspensión • Radios Portátiles • Personal Requerido: Cuatro técnicos (Inspector, aforador, auxiliar técnico y motorista)

3.7.3.3 AFORO EN BOTE CAUTIVO

• Establecer sección • Bote • Manila • El mismo equipo de los aforos anteriores • Personal Requerido: tres técnicos (inspector, aforador y motorista)

3.7.3.4 AFORO POR VADEO

• Cinta métrica • Varillas de vadeo • Contador • Molinete • Cartera de aforos y planillero • Personal Requerido: Dos técnicos (Inspector y aforador)


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3.7.3.5 AFORO VOLUMETRICO

• Definir y adecuar sección • Canaleta • Balde aforado en litros • Cronómetro • Cartera de aforos y planillero • Personal requerido: Un técnico (Aforador)

3.7.3.6 AFORO POR TRAZADORES - DILUCION

• Trazador o tintes • Conductimetro • Cronómetro • Botella de mariotte • Cinta métrica • Dos probetas • Baldes graduados • Frascos de 100 ml. • Agua destilada • Radios portátiles • Cartera de aforos y planillero • Personal requerido: Tres técnicos (Inspector, aforador y auxiliar).

3.7.3.7 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO

• Sección establecida con sus respectivos mojones • Jalones y banderolas colores vivos (roja, Naranja y blanca) • Lancha con motor fuera de borda • Molinete completo • Contador • Soporte para fijación del molinete • Ecosonda • Batería de 12 voltios • Cartera de aforos y planillero • Cronómetro • Personal Requerido: Cuatro técnicos (Inspector, aforador, auxiliar técnico y motorista)

3.7.3.8 AFORO POR FLOTADORES • Flotadores


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• Cinta métrica • Cronómetro • Cartera de aforos y planillero • Radios Portátiles

3.7.4 SELECCIÓN DEL NUMERO DE VERTICALES La precisión de las mediciones del caudal depende en gran parte del número de verticales en que se hagan mediciones de profundidad y velocidad, las verticales de observación deben identificarse de modo que se pueda definir debidamente la variación en elevación del lecho de la corriente y la variación horizontal en velocidad. En general, en el espacio entre verticales debe ser aquella distancia que permita que entre cada una de ellas no escurra más del 10 % del caudal total. (Figura N° 3.16)

Figura N° 3.16

Deberá aumentarse el número de verticales cuando por primera vez se realicen mediciones en un nuevo emplazamiento, de modo que se pueda determinar con precisión la distribución de las velocidades en la sección.

3.7.5 MEDICION DEL ANCHO Normalmente, la posición horizontal de los puntos de observación se determina con el auxilio de una cinta métrica que se tiende provisionalmente a través del río, o de marcas semipermanente


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pintadas en el pasamanos de un puente o en un cable de suspensión, y referidas a un punto fijo en la orilla (PR).

3.7.6 MEDICION DE LA PROFUNDIDAD Cuando se trata de aforos líquidos las profundidades de medición de velocidades se toman o hacen desde la superficie hacia el fondo; se puede realizar la medición de la profundidad directamente con una varilla graduada colocada en el lecho de la corriente, en caso de que la medición se realice mediante vadeo; si se utiliza el sistema de malacate de tambor con cable coaxial, escandallo y molinete ya incorporado para la medición, el equipo se hacen descender hasta que el eje del molinete, centro de la hélice, quede arras con la superficie del agua, se coloca el contador de profundidad en ceros, seguidamente se sumergirá el escandallo hasta que toque el lecho del río y se anotará la profundidad registrada por el respectivo contador. Es necesario cuidar que el cable de suspensión del equipo no pierda tensión para asegurarse que el escandallo efectivamente este arras del fondo. Para aumentar la precisión de las mediciones de la profundidad, el escandallo o sondeador podrá estar provisto de un dispositivo eléctrico que envíe directamente una señal tan pronto como la parte inferior del tocador de fondo haga contacto con el lecho del río. (Figura N° 3.17)

Figura N° 3.17 Tocador de Fondo tipo SEBA


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3.7.7 CORRECCION POR ANGULO DE ARRASTRE1 Si el escandallo no pesa lo suficiente para mantenerse perpendicular a la superficie del agua, el molinete es arrastrado por la corriente y, en tal situación, el cable se aleja de la posición vertical normal; las mediciones de profundidad deben corregirse. Los factores de corrección que se aplican tienen en cuenta, tanto ángulos de inclinación del cable en relación con la vertical, como la curvatura de la parte sumergida de este, debido a la presión de la masa de agua en movimiento; el procedimiento consiste en medir con un transportador el ángulo de arrastre (ϕ) y las correcciones se aplican cuando este sea superior a 8°, redondeando el resultado al grado más próximo, de ninguna manera este ángulo (ϕ) resultante debe ser superior a 30°. A continuación se expone el método que debe utilizarse para rectificar la profundidad registrada en función del ángulo de arrastre, no obstante, la precisión de las mediciones puede aumentarse lastrando la sonda con el peso necesario para mantenerla en una posición casi vertical. La relación entre la profundidad exacta (d) y la profundidad registrada (dob), basada en el ángulo (ϕ) medido y en la distancia entre la superficie del agua y el punto de suspensión de la línea de sondeo (x), (Figura N° 3.18), es la siguiente: d (1) ( )[ ] k11sec x dob −−−= φ [ ]

Los valores de k, que se dan en la tabla N° 3.1 están basados en el supuesto de que la presión de arrastre ejercida sobre el escandallo, en la capa de agua relativamente tranquilla próxima al fondo pueda despreciarse y de que la línea de suspensión y el escandallo están diseñados de modo que ofrezcan poca resistencia a la corriente. Las incertidumbres de esta estimación son tales que, si el ángulo que la línea de suspensión forma con la vertical es superior a 30°, pueden producirse errores importantes y en ese caso se debe emplear un escandallo de más peso

Tabla N° 3.1 Factor de corrección k para valores dados de (ϕ) ϕ ° k ϕ ° k ϕ ° k 4 0,0006 14 0,0098 24 0,0296 6 0,0016 16 0,0128 26 0,0350 8 0,0032 18 0,0164 28 0,0408

10 0,0050 20 0,0204 30 0,0472 12 0,0072 22 0,0248 32 0,0544

Fuente: Guía de prácticas hidrológicas OMM-N° 168

1 ORDOÑEZ S, Julio. Hidrología para Hidromensores. Partes I -II. SCMH. 1975 RODRIGUEZ B, Guillermo. Aforos por Suspensión con Angulo de Arrastre. SCMH. 1975


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Otra forma de calcular la profundidad exacta en función del ángulo ϕ°, la altura de suspensión x y línea sumergida PT, es calculando las correcciones C1 y C2.

A ϕ x + C1 x C1 = X(Sec ϕ - 1) C Nivel Agua S P dob d D R C2 T Figura N° 3.18

1 corregida C 1φ Cos

1x ó 1)x(SecφX

−−=

C2 se obtiene directamente de la tabla N° 3.2


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Tabla N° 3.2 CORRECCION POR LONGITUD DE CABLE SUMERGIDO-C2

ϕ 8° 10° 12° 14° 16° 18° 20° 22° 24° 26° 28° 30° PT

1 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.04 0.05 2 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.10 3 0.01 0.02 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.08 0.09 0.11 0.13 0.15 4 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 0.10 0.12 0.14 0.17 0.19 5 0.02 0.03 0.04 0.05 0.07 0.08 0.11 0.13 0.15 0.18 0.21 0.24 6 0.02 0.03 0.04 0.06 0.08 0.10 0.13 0.15 0.18 0.22 0.25 0.29 7 0.02 0.04 0.05 0.07 0.09 0.12 0.15 0.17 0.21 0.25 0.29 0.34 8 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.13 0.17 0.20 0.24 0.29 0.34 0.39 9 0.03 0.05 0.06 0.09 0.12 0.15 0.19 0.23 0.27 0.32 0.38 0.44

10 0.03 0.05 0.07 0.10 0.13 0.17 0.21 0.26 0.31 0.36 0.42 0.48 11 0.03 0.06 0.08 0.10 0.14 0.18 0.23 0.28 0.34 0.40 0.46 0.53 12 0.04 0.06 0.08 0.11 0.16 0.20 0.25 0.31 0.37 0.43 0.50 0.58 13 0.04 0.07 0.09 0.12 0.17 0.21 0.27 0.33 0.40 0.47 0.55 0.63 14 0.04 0.07 0.10 0.13 0.18 0.23 0.29 0.36 0.43 0.50 0.59 0.68 15 0.05 0.08 0.11 0.14 0.20 0.25 0.32 0.38 0.46 0.54 0.63 0.73 16 0.05 0.08 0.11 0.15 0.21 0.26 0.34 0.41 0.49 0.58 0.67 0.78 17 0.05 0.09 0.12 0.16 0.22 0.28 0.36 0.43 0.52 0.61 0.71 0.82 18 0.05 0.09 0.13 0.17 0.23 0.30 0.38 0.46 0.55 0.65 0.76 0.87 19 0.06 0.10 0.13 0.18 0.25 0.31 0.40 0.48 0.58 0.68 0.80 0.92 20 0.06 0.10 0.14 0.19 0.26 0.33 0.42 0.51 0.61 0.72 0.84 0.97

Fuente: Servicio Colombiano de Hidrología y meteorología. Las marcas agregadas al cable de sondeo a intervalos predeterminados, pueden utilizarse también para determinar la longitud de la línea de sondeo bajo el agua. Esto elimina la necesidad de calcular la parte seca de la línea de la ecuación de corrección citada anteriormente.

3.7.7.1 PROCEDIMIENTO EN CAMPO • Se coloca en "ceros" el contador del malacate. • Se hace descender el escandallo hasta tocar la superficie del agua y se anota la lectura del

contador del malacate, al anterior valor se le suma la constante - ∆H (distancia entre el eje del molinete y la base del escandallo), el nuevo valor corresponde a la altura de suspensión (x).

• Se coloca nuevamente en "ceros" el contador del malacate. • Se sumerge el conjunto hidrométrico hasta que el escandallo toque el lecho de la corriente, lo

cual se verifica con la pérdida de tensión del cable. Se anota la lectura (dob) observada en el contador del malacate más la constante - ∆H.


35


• En esta posición se mide el ángulo que forma el cable con respecto a la vertical, ángulo de

arrastre - ϕ. • Con los valores de altura de suspensión y ángulo de arrastre se calcula la corrección C1. • Se resta C1 al valor de (dob) y el resultado corresponde a la línea sumergida - PT • Las profundidades de aforo se calculan tomando los porcentajes correspondientes al método del

aforo, directamente de la línea sumergida - PT, ya que cualquier valor de porcentaje tomado sobre la hipotenusa PT, corresponde al mismo valor de la profundidad tomada en d. (Figura N° 3.19)

• Se toman las velocidades en los puntos calculados, profundidades de aforo, teniendo el cuidado

de sumar la corrección C1, para tomar correctamente las profundidades. Cuando se realizan mediciones superficiales, no se debe sumar la corrección C1, ya que el ángulo de arrastre se reduce notablemente.

Con los valores de PT y ϕ se calcula la corrección C2, longitud de cable sumergido, el cual se resta de la longitud PT, encontrando así la profundidad total d. Ejemplo. Calcular los valores de profundidad de aforo (PA) y profundidad total (PT) con los siguientes datos: Método Super. 0.2 0.8 Constante o ∆H 0.25 m. Altura de suspensión 20.80 m. Angulo de arrastre 25° (dob) 15.65 m. Reemplazando en la ecuación (1) tenemos la profundidad rectificada d: d = 15.65 - 20.8 x (Sec 25° -1)x(1- 0.0323) ⇒ d = (15.65 - 2.15026)x 0.9677 d = 13.06 m. Para hallar las profundidades de aforo (PA) se calcula C1 y para la profundidad real (d) C2

m. 152C125 Cos

1 20.8C 11 .=⇒

−

°=

⇒ PT = dob - C1 ⇒ 15.65 - 2.15 = 13..50 m


36


Entonces profundidad de aforo (PA) para: 0.2 = 13.50 m. x 0.2 = 2.70 m. 0.8 = 13.50 m. x 0.8 = 10.80 m. Los valores que se deben leer en el contador del malacate para tomar las velocidades son:

PA (0.2) + C1 = 4.85 m. PA (0.8) + C1 = 12.95 m.

NIVEL DE AGUA P 0.2 0.8 R T

Figura N° 3.19 Obsérvese que cualquier valor tomado sobre la hipotenusa PT corresponde al mismo valor de profundidad tomado sobre PR. Esta es la razón por la cual se suma la corrección C1. C2 se obtiene de la tabla N° 2. Para el caso ingresando con el ángulo (25°) y la longitud de la línea sumergida, tenemos que C2 es igual a 0.45 m. Entonces el valor de profundidad total d a codificar en el formato de campo es: d = 13.50 m. - 0.45 m. = 13.05 m.

3.7.8 MEDIDORES DE LA VELOCIDAD DEL AGUA

3.7.8.1 MOLINETES

La velocidad del flujo en un punto determinado se mide generalmente contando el número de revoluciones del rotor de un molinete durante un período de tiempo por lo general 50 segundos. Los molinetes generalmente utilizados son el de cazoletas, con eje vertical, y el de hélice, de eje horizontal (Figura N° 3.20), las revoluciones se registran en un contador, el cual por cada giro recibe un impulso eléctrico


37


Figura N° 3.20 Molinete de eje Horizontal Los molinetes se calibran a fin de cubrir la gama de velocidades de flujo a medirse, la relación entre velocidad del flujo y la velocidad de rotor se expresa generalmente en revoluciones por segundo. Los molinetes pueden calibrarse individualmente, o pueden ser calibrados en conjunto, para la primera opción un molinete puede tener una calibración individual en caso que la relación de velocidad - efecto esté basada en una calibración de ese molinete en particular; en caso contrario un fabricante puede suministrar una calibración en conjunto para un determinado tipo de molinete, a condición que la fabricación sea homogénea y se haya realizado un suficiente número de calibraciones individuales bajo condiciones controladas de modo de justificar una calibración standard. A los efectos de la confiabilidad en la curva de calibración o en las ecuaciones de conjuntos, el fabricante o las autoridades en calibración, deberán establecer los límites de tolerancia en el 95 % del nivel de confianza a velocidades de 0,15 m/s., 0,5 m/s, y superiores.


38


En los casos en que se realice un calibrado individual, se debe suministrar una tabla o curva de calibración y la fórmula correspondiente, junto con el molinete, debiéndose registrar para el mismo sus límites reales de calibración; los molinetes calibrados individualmente no deben ser recalibrados, así lo recomiendan fabricantes SEBA Hidrometrie y A.OOT Kempten quienes argumentan que cada hélice tiene una única ecuación y en caso de averiarse o deformarse y es mejor cambiar dicha hélice. En 1984 el HIMAT le solicitó al ingeniero Joachim Weiss asesor de la GTZ, realizar una investigación en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Nacional, su estudio concluyó que se debían suspender las recalibraciones de los correntómetros. La velocidad se determina en uno o más puntos de la vertical, contando en cada vertical las revoluciones del rotor en un lapso no inferior a los 50 segundos, si se sabe que la velocidad del agua está sujeta a pulsaciones periódicas, es recomendable que el molinete se exponga en cada punto de la nueva sección, durante un período mínimo de 3 minutos. El molinete debe sostenerse en la posición deseada, por medio de una varilla de vadeo en el caso de los canales de poca profundidad, o se debe suspender de una alambre o cable coaxial desde un puente o embarcación. Cuando se utiliza una embarcación, el molinete debe emplazarse de manera que no se vea afectado por las perturbaciones que sufre el flujo, las cuales son originadas por la obstrucción que causa esta embarcación; una vez que se haya colocado el molinete en el punto seleccionado de la vertical, se le orientará en dirección de la corriente antes de comenzar las mediciones, si no se puede evitar el flujo oblicuo, o el ángulo de la dirección del flujo normal y la sección transversal deben ser medidos y debe corregirse la velocidad medida. Se han diseñado instrumentos especiales para medir el ángulo y la velocidad en un punto simultáneamente, sin embargo, en los casos en que no pueden obtenerse tales instrumentos y el viento es insignificante, se debe considerar que el ángulo del flujo a través de la vertical es el mismo que el que se observa en la superficie. Si el ángulo medido con respecto a la normal es diferente a 90°, entonces la velocidad es:

α cosxmedidanormal VV =

El molinete debería sacarse del agua a intervalos para ser examinado, generalmente cuando se pasa de una vertical a otra; en la cercanía de la velocidad mínima de uso, el error en la determinación de la velocidad se incrementa apreciablemente, con molinetes corrientes, la velocidad mínima para velocidades confiables es 0,15 m/s. Los molinetes especiales que permiten la realización de mediciones confiables por debajo de la velocidad, pueden ser utilizados si han sido ensayados en esta escala de velocidades respecto a su repetición y precisión, antes de la medición. El eje horizontal del molinete no debe estar situado a una distancia menor que una vez o una vez y media la altura del rotor con respecto a la superficie del agua, ni deberá estar a una distancia menor que tres veces la altura del rotor desde la parte inferior del canal; además, ninguna parte del molinete deberá rozar la superficie del agua.


39


3.7.8.2 OTROS SENSORES1 Existen en el mercado sensores de medición directa basados en el principio de inducción magnética que se emplean para el rango desde velocidades cerca de 0 m/s., hasta 2.5 m/s., y para profundidades desde 3 cm. Es tos sensores se calibran individualmente en el laboratorio, para rangos distintos de velocidad (0 m/s. - 1.5 m/ s. y >1.5 m/s.). Es robusto a prueba de impactos, no tiene piezas móviles, es decir no presenta desgaste. (Figura N° 3.21).

Figura N° 3.21 Sensor de Medición Directa El valor medido se indica directamente en la pantalla del indicador de velocidades y es igualmente confiable independiente del las características físicas, químicas y biológicas del agua. Su principio de funcionamiento se basa en la ley de Faraday que dice que si un medio electroconductor se desplaza en un campo magnético, una tensión inducirá dicho conductor; por lo tanto la tensión de salida es proporcionalmente lineal a la velocidad del conductor eléctrico (corriente de agua)

1 OTT - Hydrometrie, Catalogo. sensores de medición


40


3.7.8.3 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA EN LA VERTICAL La velocidad media del agua en cada vertical puede determinarse mediante los siguientes métodos, dependiendo del tiempo disponible y teniendo en consideración el ancho, la profundidad del agua, las condiciones del lecho, los cambios de nivel, así como la precisión con que se desea operar:

3.7.8.3.1 Métodos de Puntos Reducidos1

a) Método de un punto Se deben realizar las observaciones de velocidad en cada vertical colocando el molinete a 0.6 de la profundidad total por debajo de la superficie.(Figura N° 3.22). El valor obtenido se considerará como la velocidad media de la vertical. Este método se emplea en secciones de poca profundidad.

Figura N° 3.22

1 OMM. Guía de Prácticas Hidrológicas. Volumen I. N° OMM - 168. 1984


41


b) Método de dos puntos Las observaciones de velocidad se deberán hacer en cada vertical colocando el molinete a 0.2 y 0.8 de la profundidad total por debajo de la superficie. (Figura N° 3.23), el promedio de los dos valores puede considerarse como velocidad media en la vertical, este método es el más empleado y se usa cuando ya se conoce el comportamiento de la velocidad en la sección.

( ) /2VVV 0.80.2media +=

Figura N° 3.23

c) Método de tres puntos Las observaciones de velocidad se realizan exponiendo el molinete en cada vertical a 0.2 , 0.6 y 0.8 de la profundidad total. (Figura N° 3.24), el promedio para este método se obtiene mediante la siguiente expresión:


42


( )0.80.60.2media V2VV0.25V ++=

Figura N° 3.24

d) Método de cinco puntos Cuando el cauce está libre de vegetación acuática y se quiere conocer el comportamiento de una sección transversal por velocidades se utiliza esta metodología. El método de los cinco puntos se aplica midiendo en cada vertical lo más cerca de la superficie, a 0.2, 0,6 y 0.8 de profundidad por debajo de la superficie y tan cerca como sea posible del fondo. (Figura N° 3.25) La velocidad media podrá determinarse utilizando un planímetro a partir de un gráfico que represente el perfil de velocidades o a partir de la ecuación:


43


( )fondo0.80.60.2supermedia V2V3V3VV0.1V ++++=

Figura N° 3.25

e) Método de seis puntos Este método puede ser utilizado en condiciones difíciles cuando hay vegetación acuática. Las observaciones de velocidad se realizan exponiendo el molinete en cada vertical a 0.2, 0.4, 0.6 y 0.8 de la profundidad total y tan cerca como sea posible de la superficie y el lecho (Figura N° 3.26). Las observaciones de la velocidad en cada posición se grafican y la velocidad media queda determinada mediante un planímetro, o mediante la siguiente ecuación:


44


( )fondo0.80.60.40.2supermedia V2V2V2V2VV0.1V +++++=

Figura N° 3.26

f) Método de los diez puntos Es recomendado utilizarlo cuando se afora por primera vez en una corriente ver brasil grandes ríos Siempre que se realice un aforo de líquidos deben tomarse las velocidades superficiales con el fin de conocer el comportamiento de la velocidad media total de la sección con respecto de la velocidad superficial, es decir la relación K= Vm/Vs. (Figura N° 3.27)


45


Figura N° 3.27

El método de dos puntos se emplea cuando la distribución de las velocidades es normal y la profundidad superior a 60 cm.; el método de un punto se emplea en aguas poco profundas; el método de tres puntos se puede utilizar en canales cubiertos por vegetación acuática y el método de los cinco puntos se utiliza cuando la distribución de la velocidad en la vertical es muy irregular. De ser posible, la precisión de cualquier método en particular deberá determinarse observando la velocidad en unos 6 a 10 puntos en cada vertical para las primeras mediciones de caudal efectuadas en una estación nueva.

g) Método superficial Se realizan mediciones de velocidad 20 cm por debajo de la superficie del agua, este método se utiliza para medir la velocidad en las crecientes, las cuales no permiten por efecto de las palizadas efectuar un aforo convencional, y en esta forma proteger los técnicas y el equipo hidrométrico. Este caso especifico se utiliza el factor de conversión K, para convertir la velocidad superficial a media en la vertical; cuando no se tiene aforos anteriores y por consiguiente no se han calculado factores de conversión para cada uno de los aforos, se emplea 0.85


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supermedia KVV =

h) Método de integración En este método el molinete es sumergido y elevado a lo largo de toda la vertical a una velocidad uniforme. La velocidad de descenso o ascenso del molinete no deberá ser superior al 5 % de la velocidad media del flujo en toda la sección transversal y en todo caso deberá estar comprendida entre 0.04 y 0.10 m/s. Se determina el número de revoluciones por segundo. En cada vertical se realizan dos ciclos completos y, si los resultados difieren de más de 10 %, se repite la medición.

3.7.8.4 DETERMINACION DE LA VELOCIDAD MEDIA DE LA SECCION Para determinar la velocidad media de la sección parcial se toma el valor de la velocidad de dos verticales adyacentes, obtenidas por cualesquiera de los métodos mencionados y se promedian.

+

=2

VVV 21media

3.7.8.5 MEDIDA DE LA PROFUNDIDAD La profundidad total es la distancia en metros que existe en cada una de las verticales de medición entre la superficie y el lecho de la corriente1(Figura N° 3.28). La sección se fracciona en un número de franjas, limitada cada una de ellas por dos verticales adyacentes, siendo p1, p2, las profundidades totales medidas en las verticales 1 y 2 respectivamente. La profundidad media de la sección es el promedio de las dos profundidades sucesivas y así para cada una de las secciones parciales. 1 KLOHN Wulf. Instrucciones para aforar con molinete. SCMH. 1973


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+

=2

PPP 21media

Se recomienda fraccionar la sección transversal en por lo menos 15 verticales de sondeo, la profundidad total se determina en las corrientes con niveles bajos (poca profundidad), con la varilla de vadeo, y en profundidades mayores a un (1) metro se utiliza una sonda hidrométrica con aleta direccional y un peso proporcional a la velocidad del flujo suspendida desde un malacate o torno hidrométrico desde un puente, un bote o una tarabita de aforos.

3.7.8.6 CALCULO DEL CAUDAL PARCIAL El producto de la profundidad media en la sección parcial multiplicado por el ancho parcial nos produce el área parcial entre verticales adyacentes y este valor multiplicado por la velocidad media de la sección parcial nos define el caudal parcial.

212121 b

2pp

2VVq −

+

+

=

El cálculo del caudal total y la velocidad media de la sección. De la sumatoria de los caudales parciales se obtiene el dato de caudal total y de la división de este por el área total de la sección aforada se obtiene la velocidad media de aforo, y de la sumatoria de los anchos parciales se obtiene el ancho total.

3.7.9 AFOROS CON TRAZADORES1

La existencia de corrientes con características especiales tales como: Régimen torrencial, alta pendiente, poca profundidad, lechos inestables y líneas de flujo desordenadas en las secciones de aforo, hacen poco aplicable el método convencional (con molinete); para suplir estos inconvenientes se han utilizado los aforos con trazadores también llamados aforos químicos; que permiten conocer el caudal a partir de la variación de concentración de una sustancia que es inyectada en el cauce, el procedimiento consiste en realizar aguas abajo, a una distancia lo suficientemente lejos del sitio de inyección, mediciones y muestreos que permiten una vez analizados en laboratorio, calcular el caudal, en todo este desarrollo no se requiere conocer el área de la sección de medición. 1 LUENGAS C. Belisario. Aforos por Dilución. HIMAT. 1990 KING y BRATER. Manual de Hidráulica. UTEHA.1965


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Puede definirse como trazador a toda sustancia que incorporada a un proceso físico o químico permita estudiar su comportamiento y evolución. Entre los trazadores empleados pueden citarse los sólidos en suspensión, los trazadores químicos solubles en el medio bajo estudio, los colorantes y los elementos radioactivos.

3.7.9.1 REQUERIMIENTOS DE LOS TRAZADORES.

Su comportamiento debe ser idéntico al del medio a medir, en este caso agua, siendo necesario que se desplace a igual velocidad, esto implica que no debe efectuar intercambio ionico y no debe tampoco sufrir absorción química o física, además de no alterar las propiedades y condiciones del agua; tales como densidad, viscosidad y temperatura.

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Si la sustancia trazadora se inyecta artificialmente al flujo, este no debe contener cantidades apreciables de la sustancia inyectada.

Es conveniente que sea fácilmente soluble en agua y no se precipite, permitiendo marcar grandes cantidades de fluido con una pequeña masa de trazador.

Es importante que pueda ser medido en "in situ ".

No debería, en general, contaminar el medio durante períodos prolongados ni afectar a seres vivos.

Es importante que su costo sea reducido.

Que se disuelva rápidamente en el río a una temperatura normal. Que no se encuentre en el agua del río o sí esta presente que lo este en cantidades mínimas.

Que no se descomponga, ni sea retenido o absorbida por sedimentos, plantas y organismos.

Que su concentración sea detectada por métodos sencillos.

Que sea inofensiva para el ser humano y los animales, en el grado de concentración que alcance en la corriente.

Solamente un trazador ideal puede cumplir con todos estos requerimientos por lo que se hace indispensable tener un conocimiento práctico de cada uno de estos, para utilizar el apropiado de acuerdo a la necesidad del estudio y a las características morfométricas, y físicas y químicas del cauce y el agua de la corriente. Los trazadores pueden ser utilizados indistintamente en aguas superficiales y subterráneas, en esta documento nos referiremos específicamente a su uso en aguas superficiales.


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3.7.9.2 TIPO DE TRAZADORES.

a) Cloruro de sodio. La sustancia trazadora más económica es la sal común (NaCl). El trazador se inyecta en la corriente, y su detección "in situ" por el método de conductividad es relativamente sencillo, el grado de disolución es de 600 gramos por litro.

b) Dicromato de Sodio. El dicromato de sodio se usa extensamente como trazador, en el método de aforo por dilución, por su alta solubilidad (600 gramos por litro). Esta sal satisface la mayor parte de los requerimientos indicados y su análisis colorimétrico realizado en el laboratorio permite medir concentraciones muy reducidas de dicromato.

c) Cloruro de litio. El cloruro de litio presenta una solubilidad de (600 gramos por litro), en laboratorio el análisis fotométrico de la llama puede detectar concentraciones de litio de 0.001 gramos por litro (espectrofometría de emisión). Otros trazadores químicos utilizados son el yoduro de sodio, nitrado de sodio y sulfato de manganeso.

d) La Rodamina W. El uso de la rodamina esta ampliamente difundido en los Estados Unidos de América, para el aforo por dilución, sus características de absorción son mejores que las de otras tintas, la concentración de la tinta se puede medir en la estación de aforos usando fluorimetros que puedan detectar concentraciones de 5 a 10 p.p.m.

e) Elementos radioactivos. Se han utilizado elementos radioactivos tales como la bromina 82, la yodina 131 y el sodio 24; las concentraciones de estos elementos del orden de 10-9, pueden determinarse exactamente con un contador o un dosímetro, cuya sonda detectora este suspendida sobre la corriente o en un tanque contador normalizado, aunque los elementos radioactivos constituyen trazadores ideales para el método de dilución, los peligros que presentan para la salud y en general para el medio natural limitan su utilización.


50


3.7.10 MEDICION DE CAUDAL POR EL METODO DE DILUCION La medición del caudal mediante este método esta basado en la determinación del grado de dilución en el agua del río de una solución trazadora. El empleo de este sistema se recomienda únicamente en los lugares (Figura N° 3.29), en los que no pueda recurrirse por las razones expuestas a emplear los métodos convencionales, para las mediciones del caudal se pueden emplear principalmente dos (2) métodos en los que intervengan sustancias trazadoras; el primero basado en la inyección de la sustancia a un ritmo constante y el segundo, aquel en que la solución se vierte en forma instantánea.

Figura N° 3.29 Río Surba - Estación las Vegas Municipio Duitama. Henry Arturo Romero P.

3.7.10.1 SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO. La condición fundamental de la selección de los emplazamientos para la medición del caudal mediante el método por dilución, es que se produzca una mezcla homogénea de la solución inyectada en el agua de la corriente en un tramo relativamente corto de un canal. La mezcla se ve mejorada por las rugosidades del canal y la presencia de cantos rodados que aumentan la turbulencia de la corriente, tal como cascadas y estrangulamientos abruptos del curso del agua. Seleccionado el sitio del emplazamiento o de medición, se debe determinar la distancia L aproximada en metros, requerida entre el sitio de inyección y el sitio de medición, la cual se puede calcular a partir de la siguiente expresión definida por:


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db g

6 C)70 C 0.13 L2

x x

x x

= +.(

En donde: b = Ancho medio del río. d = Profundidad media de la corriente. C = Coeficiente de Chezy para el tramo (15 < C < 50). g = Aceleración de la gravedad. Ejemplo: b = 2.9 metros d = 0.35 metros g = 9.81 m/s² C = 15.33

( )0.352.9

9.81615.33 0.7 15.33 0.13 L

2x

xx

=

+

L = 81.7 metros.

Según Kutter el coeficiente C se define a partir de la siguiente ecuación, en función de la rugosidad, la pendiente y el factor hidráulico.

++

++=

(1/2)Rn x

S00155023 1

n1

S(0.00155)23

C.

En donde: S = Pendiente del tramo en m/m R = Radio Hidráulico de la sección = A / P m/m A = Area en m² P = Perímetro mojado = Ancho sección + 2 ( profundidad media) n = Rugosidad del cauce


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En una corriente, en que el tramo de medición tiene una pendiente de 185 m/km. (0.185 m/m), una rugosidad de 0.045 y un radio hidráulico de 0.28194 m, calcular el coeficiente C, tomando como base los datos del ejemplo anterior; el coeficiente de Chezy resultante es:

28190

0450 1850

00155023 1

04501

185000155023

C

0.5x

++

++

=

..

..

...

C = 15.33 También puede definirse según otros autores como Manning que emplea una ecuación más sencilla:

= R x n1 C 6

1

Siendo: n = Rugosidad del cauce C = 17.99 R = Radio hidráulico de la sección

3.7.10.2 PROCEDIMIENTO. Para describir en forma detallada el procedimiento, se relaciona a continuación el instrumental, equipo y elementos de uso común, que garantizar el desarrollo apropiado de la medición; básicamente se requiere de:

Conductimetro Cronómetro Botella de Mariotte Cinta métrica Dos Probetas de 1 lt y 500 ml. Baldes graduados Mezclador que no altere la solución Agua destilada Trazador Frascos de 100 ml.


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Papelería. Ya en campo, se vierte en la corriente una solución de un elemento químico estable o radioactivo a un ritmo constante o instantáneamente. La solución se diluirá en la corriente por efecto de la mezcla. La relación entre el caudal constante de la solución inyectada y la determinación de la concentración resultante en la corriente en el sitio de medición, nos permite conocer el caudal de la corriente; la precisión del método depende principalmente de: a. Que la solución inyectada se diluya uniformemente en toda la sección transversal de la corriente, antes de llegar a la sección de muestreo. Si la solución trazadora se inyecta en forma continua, la concentración de esta solución deberá ser constante en toda la sección de medida. Si el elemento trazador se inyecta en forma instantánea se deberá cumplir con que la concentración sea la misma en todos los puntos de la sección y que:

∫=TCdtC

02

C2 = Concentración resultante T = Tiempo en el que toda la muestra pasa por determinado punto de la sección. b. Que los materiales, sedimentos, plantas u organismos depositados en el lecho del río no absorban la sustancia trazadora y que esta no se descomponga con el agua de la corriente, la concentración deberá determinarse en la sección de muestreo y como mínimo, en otra sección transversal situada aguas abajo, a fin de asegurar que no existe una diferencia sistemática en la concentración media entre una u otra sección de muestreo.

3.7.10.3 DETERMINACION DEL PESO DEL TRAZADOR. El peso (Pe) en gramos de trazador a emplear en una medición de caudal, esta definido por la siguiente expresión:

Pe = Qa * T * Co. Ejemplo : Caudal (Qa) aproximado = 300 lt/s. Tiempo (T) en segundos de muestreo = 200 s. Concentración esperada (Co) = 0.010 g / lt . Pe = 300 lt / s * 200 s * 0.010 g / lt Pe = 600 g


54


3.7.10.4 DETERMINACION DE TIEMPO DE MEDICION. Para el caso de disolución de sales y disponiendo en terreno de un Conductimetro, es posible graficar la conductividad contra el tiempo (Figuras N° 3.30 y 3.31), determinado así el comienzo y el final del aforo; las mediciones de conductividad se realizan desde el momento que se inicia la inyección continua o instantánea de la solución y el muestreo comienza cuando se registra el incremento de la conductividad, el cual se continúa a intervalos de tiempo (∆t), hasta que la conductividad se haga constante para el primer caso, mientras que en la inyección instantánea el aforo temida cuando la conductividad es igual al dato inicial, es decir que la corriente recupera su estado inicial. El tiempo (Ti), medido desde el momento de iniciarse de la inyección, hasta el instante en que comienza a pasar la onda, esta dado por la relación entre la distancia L y la velocidad (Ve) en m/seg. del agua, estimada previamente para el tramo definido:

Figura N° 3.30

VeL Ti =

Reemplazando tenemos que:


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Ti = 81.7 m. / 0.65 m/s. ⇒ T = 126 s. El tiempo de muestreo (T) esta dado por la sumatoria de los ∆t constantes, empleados para la extracción de cada una de las muestras, para las cuales se emplean recipientes con capacidad de 100 mililitros, Este tiempo va a depender, para el caso de inyección constante del tiempo que dure la inyección más el Ti y en el caso de inyección instantánea, del tiempo que tarde en pasar totalmente la onda de trazador, aunque no se conoce una norma que defina con precisión, los intervalos de tiempo (∆t), normalmente se utilizan 10 - 15 - 20 - 25 ó 30 segundos; lo importante es que se tomen el número de muestras necesarias para definir con precisión el comportamiento de las concentraciones durante el aforo.

Figura N° 3.31

3.7.10.5 CALCULO DEL CAUDAL

3.7.10.5.1 Método de Inyección Continua. El cálculo del caudal (Q) en lt/s, sin concentración inicial de trazador en la corriente, se determina a partir de la siguiente expresión


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21

tr CCQQ x=

Qtr = Caudal de inyección C1 = Concentración de la solución inyectada C2 = Concentración obtenida en la sección de muestreo El caudal (Q) en lt/s., con concentración inicial de trazador en la corriente se obtiene a partir de:

02

21 tr

C - CC - C Q Q x=

C0 = Concentración inicial de la corriente

3.7.10.5.2 Método de Inyección Instantánea Si la corriente no presenta conductividad inicial el caudal (Q) en lt/s., esta dado por:

∫

=t

0

x dt C

C1 V Q xtr

V = Volumen de la solución inyectada en litros ∫C x dt = Sumatoria de las concentraciones parciales por tiempo parcial. El caudal (Q), cuando la corriente tiene concentración inicial de trazador se obtiene mediante la fórmula de:

( )∫

=T0 T C - dt C

C - C V Qx0

01x

x

C0xT = Concentración inicial de la corriente por tiempo total T = Tiempo en que toda la solución cruza por el punto de muestreo.

3CTCodtC0

xx =−∫T


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Tabla N° 3.3 AFORO INYECCION CONSTANTE

ESTACION El puente CORRIENTE Guaza FECHA ABR-26-1990PESO TRAZ. en gr. 1500 VOLUMEN en l 20.0 CO en mg / l 2.0C1 en mg / l 75000 C2 en mg / l 14.2 C3

Q INYECCION l/s 0.045 NIVEL INIC. en m. 0.92 NIVEL FINAL en m 0.90VELOC. MEDIA m/s 0.21 CAUDAD en l/s 276.6 NIVEL MEDIO en m 0.91AREA en m² 1.3

INTERVALO DE t NUMERO DE CONCENTRACION CONCENTRACION OBSERVACIONES

EN SEGUNDOS MUESTRA mg / l CONSTANTE mg /l

15 1 2.115 2 2.515 3 2.715 4 3.515 5 6.215 6 5.415 7 8.315 8 7.815 9 9.315 10 9.915 11 10.715 12 11.615 13 12.315 14 12.615 15 12.815 16 13.115 17 13.515 18 13.715 19 13.815 20 14.015 21 14.115 22 14.315 23 14.315 24 14.3 14.215 25 14.115 26 14.315 27 14.315 28 14.115 29 13.515 30 12.315 31 11.615 32 10.815 33 9.815 34 9.1510

C2 = 14.2Q = QI((C1-C2)/(C2-Co)) Q = 276.6 l/s

Datos Obtenidos en campo Dato obtenido en laboratorio


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Tabla N° 3.4 AFORO INYECCION INSTANTANEA

ESTACION El puente CORRIENTE San Antonio FECHA May-17-1990PESO TRAZ. en gr. 300 VOLUMEN en l 6.0 CO en mg / l 0.05C1 en mg / l 50000 C2 en mg / l C3 (mg / l)xs 207.15NIVEL INICIAL en m. 0.77 NIVEL FINAL en m. 0.77 NIVEL MEDIO en m 0.77VELOC. MEDIA m/s 0.58 CAUDAD en l/s 1448 AREA en m² 2.50INTERVALO t en s 10

INTERVALO DE t NUMERO DE CONCENTRACION CONCENTRACION CxAt OBSERVAC.

EN SEGUNDOS MUESTRA mg / l CONSTANTE mg /l (mg / l)*s

10 1 0.05 0.025 0.2510 2 0.06 0.055 0.5510 3 0.07 0.065 0.6510 4 0.08 0.075 0.7510 5 0.08 0.080 0.8010 6 0.09 0.085 0.8510 7 0.15 0.120 1.2010 8 0.64 0.395 3.9510 9 1.89 1.265 12.6510 10 3.87 2.880 28.8010 11 6.94 5.405 54.0510 12 3.92 5.430 54.3010 13 1.73 2.825 28.2510 14 1.02 1.375 13.7510 15 0.63 0.825 8.2510 16 0.22 0.425 4.2510 17 0.10 0.160 1.6010 18 0.08 0.090 0.9010 19 0.07 0.075 0.7510 20 0.05 0.060 0.60200 217.15

C3 =

Q = Vx(C1 x C0)/c3 Q = 1448 lt/sDatos Obtenidos en campo Dato obtenido en laboratorio

)IntervalosNt(Co-∆tC xxx °∑−

∆

Tabla N° 3.5 CLASIFICACION DE LAS AGUAS SEGUN SALINIDAD

Clasificación C.E. micromhos/cm.

C1 Baja 0 - 250 C2 Media 251 - 750 C3 Alta 751 - 2250 C4 Muy alta > 2251


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3.7.11 AFORO CON LANCHA EN MOVIMIENTO1 Frecuentemente, en ríos muy anchos y caudalosos, la aplicación de los métodos convencionales de aforo, no es la más apropiada por el costo y el tiempo. El fundamento del método de la lancha móvil, es el mismo del procedimiento habitual de los aforos convencionales, se basa en la determinación de áreas parciales de secciones y las velocidades del agua para dichas secciones; la diferencia radica en la manera de recoger los datos, el hidromensor viaja en un bote que se traslada de una orilla a otra en forma continúa y a una velocidad constante (Figura N° 3.32). Sentido de desplazamiento del bote P A Sección de aforo (w) B C β α ✟ ✟ ✟ Base D ✟ Banderola de alineamiento motorista

Figura N° 3.32 En este método el bote está equipado con un molinete y un giro - compás especial que indica el ángulo de la posición de la embarcación con respecto a la normal de la corriente, las medidas se realizan atravesando el río a lo largo de una sección fija normal a la corriente; durante la travesía, efectuada una Ecosonda registra las profundidades de la sección transversal y el molinete en operación continua mide las velocidades combinadas de la corriente y el bote. Estas medidas se toman 30 o 40 puntos de observación (verticales) a través del recorrido, la velocidad registrada en cada punto de observación de la sección transversal es un vector que representa la velocidad relativa que pasa por el mecanismo del molinete. 1 SANCHEZ ORDOÑES J. Manual de hidrología para hidromensores.SCMH.1975 SANCHEZ L. Felix. Aforos con lancha movil.HIMAT.1987


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Toda la actividad se realiza alineándose con señales (Banderolas en colores vivos, para facilitar la ubicación y/o posicionamiento de la lancha) que se han colocado cuidadosamente en las orillas, generalmente se realizan alrededor de 6 travesías en direcciones opuestas y se hace el promedio para obtener el caudal.

3.7.11.1 CONTROL DE CAMPO Para la ejecución de aforos por el método de lancha móvil se requiere como ya se explico fijar puntos en ambas orillas, los cuales definen la sección de aforos, los puntos de alineamiento y la base. Ver Figura N° 3.32

a) Ancho de la sección Para determinar al ancho de la sección (w) es necesario realizar el siguiente procedimiento: Fijar los puntos P y C, tratando en lo posible que C este alejado de la orilla aproximadamente 20 m., con el objeto que el ángulo tomado (β) sea aproximadamente de 75°, para facilitar la observación de las banderolas, en las ultimas lecturas que se hagan con sextante cuando el aforo ha iniciado en la orilla opuesta o las primeras cuando el aforo se ha iniciado en la misma orilla V = velocidad de la corriente. Vc = velocidad resultante del agua que pasa por la paleta del molinete. Vb = velocidad del bote α = ángulo entre la paleta y la sección transversal de recorrido y siendo : Lb = distancia recorrida por el bote entre los puntos de observación en la sección transversal, a la velocidad del bote. Vb. Lc = distancia entre dos puntos de observación consecutivos (del indicador y contador), con la velocidad resultante o Vc. ∆t =Tiempo transcurrido entre dos puntos de observación de la corriente. Entonces la velocidad de la corriente requerida es V : V = Vc seno α


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además Lb = Vc coseno α ∆t y como ∆t = Lc Lb = Lc coseno α El caudal se calcula de manera similar al método convencional área - velocidad sumando los productos de las áreas de los segmentos por las velocidades medias en cada sección parcial. Como el molinete generalmente se sitúa un metro por debajo de la superficie, es necesario el uso de un coeficiente para ajustar la velocidad medida. En ríos grandes, el coeficiente es generalmente uniforme a través de la sección. Investigaciones efectuadas en varios ríos han mostrado que el coeficiente varía entre 0.9 y 0.92. El método de lancha en movimiento proporciona una única medida del caudal, es decir una observación en la relación nivel descarga con una aproximación de más o menos del 5% para un 95% de nivel de confianza .

3.7.12 AFORO VOLUMETRICO

3.7.13 AFORO CON FLOTADORES

3.7.14 ESTRUCTURAS AFORADORAS La medición detallada del agua en puntos clave de una red, caso un distrito de riego, bocatomas de acueductos, etc., es indispensable para lograr un uso eficaz


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3.8 AFOROS SOLIDOS En términos generales sedimento es cualquier fragmento de material transportado, suspendido o depositado por el agua o por el aire. El fenómeno de la erosión está íntimamente ligado al fenómeno de los sedimentos en los cursos de agua, el principal factor erosivo es el agua. La erosión producida por el agua es de tres tipos: ♦ Laminar, que consiste en la remoción de la capa superficial de suelo. ♦ Zanjas o cárcavas, es un estado en que los cauces van creciendo y profundizándose cada

vez más. ♦ Fluvial, es el fenómeno por el cuál un río socava su propio lecho y eroda el talud de sus

orillas. La mayoría de los ríos arrastran sedimentos de muy variadas características tanto en su origen mineralógico como en densidad y tamaño. Es lógico por consiguiente, esperar que los procesos de sedimentación presenten una diferencia de acuerdo con el tipo de material. Los sedimentos se clasifican según su tamaño, en gruesos, con diámetros en el rango de gravas y arenas y finos en rango de arenas finas, limos y arcillas. Esta clasificación no es simplemente estática sino que tienen implicaciones dinámicas relacionadas con la forma como estos materiales son transportados y depositados por el flujo. Los sedimentos gruesos se mueven preferencialmente por arrastre sobre el fondo de las corrientes y la intensidad de su movimiento depende fundamentalmente de las condiciones del flujo y de la turbulencia de las aguas en las vecindades del fondo. Estas partículas viajan parcialmente sustentadas por el lecho del río, y rara vez se encuentran en suspensión en cantidades apreciables; por esta razón, su transporte disminuye rápidamente en cualquier reducción de la intensidad del flujo, causada por ejemplo por aumento en la profundidad, o reducción de la pendiente y la velocidad. Es fácil prever entonces que en el caso de un embalse, en donde todas las fuentes que llegan al embalse depositarían la mayoría de las partículas gruesas que colmatan rápidamente los cauces. Los sedimentos finos, cuya velocidad de asentamiento es mucho menor que el orden de magnitud de las fluctuaciones turbulentas de la velocidad en el sentido vertical, viajan preferiblemente en suspensión en el agua y están totalmente sustentados por el flujo, aún para velocidades muy bajas. Por esta razón no responden inmediatamente a los cambios de velocidad del agua o de intensidad general del flujo. Estas partículas suelen por esto depositarse en forma más uniforme en el canal o en cualquier cuerpo de agua donde las aguas se embalsan como las ciénagas o reservorios. Las partículas cuyos diámetros son intermedios entre los anteriores, se depositan diferencialmente mostrando alguna preferencia por las zonas cercanas a los cambios de flujo. En ciertos casos, como ocurre por ejemplo en embalses con afluentes de alta pendiente, es posible que ocurran deslizamientos subacuáticos, a partir de los depósitos , formando masas de agua mezclada con


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materiales finos en forma de un líquido viscoso , más pesado que el agua , capaz de desplazarse a alta velocidad hacia el interior del embalse como una corriente de densidad.

3.8.1 CONCENTRACIÓN En general se denomina concentración a la cantidad de sólidos que se encuentran en una unidad de solución (sólido + líquido). Las concentraciones se expresan en partes por millón (PPM), o en peso de sólido por unidad de volumen líquido, es decir una parte por millón (1PPM) es igual a 1 mg/lt y a 0.001 kg/m3. Para este análisis se tiene en cuenta el mecanismo de las partículas en suspensión y su distribución debido al flujo turbulento. Teóricamente las mayores concentraciones se deben distribuir más en los estratos más bajos que en los más altos dentro de un cauce natural, pero este proceso no es así cuando existe un intercambio turbulento de las masas de agua que suben transportando más partículas hacia la superficie que las masas equivalentes de agua que transportan hacia abajo. De esta forma se establece un estado de equilibrio entre el transporte descendente promedio debido al intercambio turbulento y el asentamiento de las partículas y el transporte ascendente promedio debido al intercambio turbulento. Esto demuestra que una mayor turbulencia genera una mayor uniformidad en la distribución de los sedimentos mientras que mayores velocidades de asentamiento derivados por un flujo más lento y regulado resulta una distribución menos uniforme, con grandes concentraciones próximas al fondo y bajas concentraciones hacia la superficie de la corriente. Para determinar la carga sólida en suspensión de una corriente y para establecer tanto el transporte como la distribución de las diferentes partículas del material que la componen, normalmente se toman muestras a lo ancho de la sección de medida. La concentración media en una vertical es el promedio de las concentraciones de todos los puntos de la vertical. El propósito de realizar una campaña de mediciones es establecer un sistema adecuado para la selección de un número limitado de muestras que garanticen la representatividad de las concentraciones obtenidas, o sea un buen estimativo de la concentración media en la sección de medida. La concentración media en la sección resulta de dividir la carga de sedimentos (kg/s) entre el caudal líquido (m3/s), C = T / Q

3.8.2 TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. La obtención de muestras de sedimentos permite determinar la cantidad de sólidos que transporta una corriente en la unidad de tiempo. El transporte total comprende tanto el sedimento que se traslada suspendido en la corriente como el que viaja arrastrándose o rodando por el fondo. El transporte de arrastre de fondo se mide


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directamente con muestreadores y se expresa generalmente en m3/día. El transporte de sedimentos en suspensión se refiere a la cantidad de sólidos o sedimentos suspendidos que pasan por la sección de una corriente en una unidad de tiempo, se expresa generalmente en Ton/día o kg/s. El transporte de sedimento en suspensión es igual al producto de la concentración media por el caudal líquido que pasa por una sección, T = QC

3.8.3 CLASES DE SEDIMENTOS De acuerdo con la manera como se transportan los sedimentos en las corrientes, estos se clasifican en: De fondo; están compuestos por los materiales depositados por la corriente en el lecho del río

De arrastre de fondo; son aquellos materiales que se deslizan o ruedan por el lecho de un río

por acción de la velocidad de la corriente, formando rizos y dunas. En saltación; es el material procedente del fondo de la corriente constituido por las partículas

mas finas, que en un momento dado adquiere la suficiente energía para abandonar el lecho, mantenerse en suspensión durante algún tiempo y caer mas adelante.

En suspensión; el material es mantenido en suspensión por la turbulencia de la corriente y se

mueven a velocidad mas o menos igual a la de ésta. Es importante mencionar que el fenómeno del transporte de sedimentos en los cauces está gobernado por la turbulencia y las formas de los lechos de los ríos, lo cual imprime al proceso un carácter muy variable en el tiempo y el espacio. Aún en este momento, desafortunadamente, con los conocimientos y tecnologías actuales, no ha sido posible establecer una formula simple que determine realmente la cuantía exacta del transporte de los sedimentos en los cauces fluviales. Debido a este hecho hace imperiosa la necesidad de realizar mediciones específicas en los propios cauces para establecer, al menos en parte, la magnitud del transporte sólido y determine, con cierta aproximación, el comportamiento sedimentológico para una amplia gama de condiciones hidrológicas. En la medida que dicha gama sea más amplia, se obtendrá una mayor precisión en la estimación del transporte sólido anual típico de las corrientes. Esto quiere decir, que es necesario realizar mediciones mínimo en varios estados de la corriente que cubra todos los rangos de variación de caudales desde mínimos hasta máximos durante todo el transcurso del año hidrológico. Otro aspecto importante es la determinación de la carga de arrastre de fondo; claro está, que la determinación directa no se ha desarrollado debido a la dificultad para medir la carga sólida cerca del fondo, lo que hace que esta clase de muestreo sea poco frecuente en todo el mundo.

3.8.4 MUESTRAS DIARIAS La metodología y análisis de la información de sedimentos para reducir el número de muestras


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superficiales diarias a lo ancho de una sección sin que se altere la precisión o la calidad de la medición; y determinar la viabilidad de tomar una sola muestra en la orilla o en cualquier punto a lo largo de la sección, que sea lo suficientemente representativa para correlacionarla sin riesgo en la generación de los datos diarios de transporte de sedimentos. El conocimiento de la distribución de los sedimentos en cada una de las estaciones con programa de sedimentos es de gran importancia debido a que con ello se pueden tomar decisiones en cuanto a las técnicas de muestreo, optimización del número de muestras en la vertical, número de verticales de medición y toma de muestras superficiales.

3.8.4.1 METODOLOGÍA. La toma de muestras diarias de sedimentos se realiza fundamentalmente para obtener información diaria sobre transporte de sedimentos y concentración de cada una de las estaciones de medición y cuando las mediciones detalladas no son frecuentes.

El método está basado en la correlación directa entre la concentración media del material sólido de las muestras superficiales y la concentración media de la sección transversal de la estación de cada


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aforo realizado. Esta relación muchas veces presenta cierta dispersión lo que es frecuente en las determinaciones de sedimentos; por esta razón se esta estudiando una metodología para el análisis de consistencia mediante pruebas estadísticas de significancia.

3.8.5. DEFINICION SITIOS DE MEDICION No existe una forma única para efectuar medidas del transporte de sedimentos en las corrientes. Por otra parte, este es un fenómeno que depende de muchas circunstancias y varía fundamentalmente en el tiempo y en el espacio. La selección del sitio de medición o muestreo, depende de las características de la cuenca y de los requerimientos de la información. Previamente debe conocerse el caudal líquido, porque este dato es indispensable para el cálculo del transporte de sedimentos, por lo cuál el aforo de caudal líquido y sólido debe realizarse en la misma sección transversal.

3.8.6. EQUIPOS E INSTRUMENTAL Instrumental utilizado en un aforo de sedimentos:

Muestreadores tipo USDH-48, USD-49, USDH-59 Y US-P-61 Muestreadores con bolsa plegable. Tomamuestras superficiales con frascos de 470 ml. Tomamuestras de fondo, tipos, draga y US-BMH

Tipos de muestreadores.

Muestreadores integradores puntuales. (U.S.P-61) Muestreadores integradores en profundidad. (USDH-48, USD-49, USDH-59, bolsa

plegable) Medidores de acción continua (Bombeo) Muestreadores instantáneos. (tipo Van Dorn)

3.8.6.1.MUESTREADORES INTEGRADORES PUNTUALES. Consisten, en principio, en un recipiente provisto de una válvula accionada desde la superficie que permite abrir y cerrar a voluntad, el acceso del agua, y permite así tomar muestras en los puntos deseados. Conjuntamente con la válvula de acceso funciona un dispositivo de compensación de presiones que facilita la entrada del agua a la misma velocidad del flujo.


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Un modelo perfeccionado es el desarrollado por el Inter-Agency Committe on Water Resources (Comité inter-institucional de los E.U., sobre Recursos Hídricos), corresponden al tipo U.S.P.-61 el cual fue construido en forma original con características hidrodinámicas y consta de un cuerpo de bronce fundido y está provisto de aletas y cola direccional. En la parte anterior se aloja un frasco (en Colombia se utilizan botellas de 500 c.c) de 0.473 litros. La parte delantera del muestreador es rebatible para permitir el acceso a la cavidad donde se aloja el frasco de la muestra; al cerrarla se ajusta a la boca del frasco un empaque en forma de anillo dejando la botella solamente en comunicación con la válvula de acceso y el escape de aire. El muestreador tiene un peso de 46 kilogramos, (100 libras). Para el acceso del agua al frasco se utilizan tres tamaños de boquillas (de 1/4", 3/16" y 1/8"), para utilizar de acuerdo a la velocidad de agua y tiempo de llenado en el punto en donde se va a medir.


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3.8.6.2 MUESTREADORES INTEGRADORES EN PROFUNDIDAD Los más utilizados son los tipos USDH-48, USD-49 Y USDH-59. Tienen forma hidrodinámica y su peso de 2, 28 y 11 kilogramos respectivamente. Poseen una válvula reguladora de presión que permite la entrada del agua a la boquilla a la misma velocidad del flujo. La botella para la muestra es igual que para el U.S.P.-61, de 0.473 litros(en Colombia, botellas plásticas de 500 c.c). Se utilizan las mismas boquillas de diámetros de 1/4", 3/16" y 1/8".


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Los muestreadores USD-49 y USDH-59 se emplean para mediciones en profundidad hasta un máximo de 5 metros y velocidades máximas de 2.0 y 1.5 m/seg. Respectivamente.

El muestreador USDH-48 es el más pequeño de todos y está construido para operarlo con la mano por medio de una varilla en secciones en donde se afore por el sistema de vadeo. La bolsa plegable según experiencias alcanza hasta profundidades del orden de 75 metros.


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Estos no poseen válvula que controle el acceso del agua y se utilizan para obtener muestras representativas de toda una vertical de medición, haciendo descender el instrumento hasta el fondo y de vuelta a la superficie en una vertical de medición de tal manera que recorra dicha vertical a una velocidad de tránsito constante que está en función de la velocidad de la corriente, de la profundidad y diámetro de la boquilla del muestreador.


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3.8.7 MÉTODOS DE AFORO

3.8.7.1 PUNTUAL En secciones profundas mayores de 5.00 metros se utiliza el método de mediciones puntuales, el cual se práctica generalmente en grandes ríos.


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Los muestreadores de tipo puntual están diseñados de tal manera que la entrada del flujo por la boquilla hacia el recipiente está controlada por una válvula que puede ser abierta o cerrada eléctricamente desde la superficie. El tiempo de llenado depende de la velocidad del flujo y del tamaño de la boquilla; el instrumento más utilizado para esta clase de mediciones es el USP-61. Para la medición de los sedimentos en suspensión en la vertical con el método puntual existen varias formas de selección de puntos de muestreo: Una muestra única tomada a una distancia desde la superficie a 0.6 veces de la profundidad. Dos muestras, una a 0.2 y otra a 0.8 de la profundidad con igual factor de ponderación. Tres muestras tomadas una cerca de la superficie a 0.2, en la mitad a 0,6 y cerca del fondo a 0.8 de la profundidad, también con igual factor de ponderación. Muestras varias tomadas en diferentes puntos para establecer la distribución de la concentración en la vertical con el grado de precisión requerida, Generalmente se toman muestras al 10% de la profundidad, o sea 10 puntos repartidos equitativamente en la vertical. Otras variaciones de las anteriores formas.

Para estas mediciones se debe tener en cuenta la siguiente consideración según Vanoni: el problema en la estimación de la concentración media derivada de varias muestras puntuales conlleva a que pequeñas variaciones de la concentración con la profundidad son de esperarse que sean anormales para el sedimento fino (limo, arcilla), de tal suerte que unos cuantos muestreos darán la concentración media en la vertical. Sin embargo, las arenas tienden a estar localizadas cerca del fondo, de tal manera que las muestras puntuales pueden dar valores erróneos respecto a la concentración de arenas. También la distribución de arenas a lo largo de la profundidad varía con el tamaño de los granos. Así el error en concentración para diferentes tamaños podrá diferir, ocasionando errores en la distribución de tamaños en las arenas. Debido a esto, puede resultar un error apreciable en la concentración de las arenas y solamente un pequeño error en la concentración total. La relación de la concentración verdadera y aquella determinada por medio de una o más muestras puntuales, puede ser definida comparando las concentraciones provenientes de muestreos integrados y las resultantes de muestreos puntuales. Si las concentraciones y volúmenes de transporte se calculan por medio de muestras puntuales, está relación deberá determinarse tanto para la concentración total como para la concentración de arena.

3.8.7.1.1 Aforo Puntual Con Muestreador U.S.P.-61 USP-61: Profundidades no mayores de 15 metros. Fuente de energía 36 voltios. Aforo normal: Tomar un mínimo de 5 puntos en la vertical, superficial a 0.2, 0.6, 0.8 y fondo.


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Aforo detallado: al 10% de la profundidad. (mínimo 2 veces al año) En el aforo puntual hay que tener presente la distribución de la concentración tanto en la vertical como a lo ancho de la sección. Se considera que en una vertical no debe tomarse menos de seis muestras igualmente espaciadas para obtener una mejor distribución de la concentración. En cuanto al número de verticales, este no debe ser menor de seis.

a) Procedimiento Para todos los métodos de aforo de sedimentos, la medición del caudal líquido debe ser simultánea o antes del aforo sólido. Se requiere un malacate mínimo de 75 kilogramos de capacidad, una fuente de energía de 36 voltios (tres baterías de 12 voltios de alto amperaje conectadas en serie) y suficientes botellas para las muestras. Comprobar que las baterías tienen la carga requerida y que la válvula de rotación accione correctamente. Se dispondrá de las boquillas de 1/4", 1/8" y 3/16" y de las curvas de tiempo de llenado y velocidad del agua en el punto, en función del diámetro de la boquilla. - El número de verticales no debe ser menor de seis. - En el aforo líquido se medirán las velocidades del flujo en los mismos puntos de la vertical del aforo sólido. Se recomienda tomar muestras en por lo menos seis puntos repartidos igualmente en la vertical. El muestreador debe utilizarse en profundidades no mayores a 15 metros. Se recomienda tomar tres muestras por punto, en un mínimo de seis puntos en la vertical, o sea superficial, 0.2, 0.6, 0.8 y fondo, en profundidades entre 5 y 15 metros. El primer punto debe estar a 0.20 m por debajo de la superficie y el último punto a 0.20 m por encima del fondo. - La operación consiste en bajar y colocar el tomamuestras en el punto predeterminado en la vertical, abrir la válvula durante el tiempo calculado por medio de la gráfica de calibración. Pasado dicho tiempo cerrar la válvula y luego subir el instrumento; extraer la botella y observar si el llenado no ha sobrepasado los 4/5 de su capacidad, lo cual garantiza que el agua no ha recirculado y por lo tanto la muestra está inalterada. Muestras inferiores a los 2/3 de la capacidad de la botella se consideran pequeñas, las cuales se deben rechazar y repetir la medición correspondiente. - Los datos de campo se deben anotar en el formato "Aforo de Sedimentos en Suspensión" y remitir al laboratorio de sedimentos conjuntamente con las muestras debidamente identificadas.

3.8.7.2 INTEGRADO En las muestras integradas el muestreador recorre la vertical en ambas direcciones (superficie-fondo-superficie), de suerte que toma una cantidad de muestra a lo largo de la vertical y así la medida representa la concentración media en la vertical.


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El IDEAM utiliza para esta clase de muestreo los integradores USDH-49 y USDH.-59, los cuales no deben emplearse en profundidades mayores a cinco metros.

3.8.7.2.1 Procedimiento - Se requiere un malacate de mínimo 30 Kg de capacidad y suficiente botellas para el muestreo. - Del aforo líquido realizado anteriormente se toman las velocidades medias de las verticales para determinar por medio de un nomograma o ábaco, las velocidades de tránsito y tiempos necesarios para tomar una muestra adecuada. - Se selecciona la boquilla de acuerdo a las velocidades del flujo y se coloca la botella correspondiente en el instrumento. - El número de verticales no debe ser menor de seis. - Se coloca el tomamuestras de manera que la boquilla enfrente la corriente, se baja entonces hasta el fondo y se regresa nuevamente a la superficie a velocidad de tránsito constante. Se debe tener precaución de no demorar el muestreador en el fondo e impedir que toque el lecho del río, llevándolo a unos pocos centímetros del fondo y así evitar que el sedimento de fondo se levante y altere la muestra. Para esto es necesario conocer de antemano el valor de la profundidad en el sitio de medición. - La velocidad de desplazamiento Vt a la cual el muestreador se opera hacia el fondo y luego hacia la superficie no debe exceder de 0.4 Vm, donde Vm es la velocidad media del flujo en la vertical de muestreo. - La velocidad de desplazamiento hacia el fondo debe ser tal que la relación de compresión del volumen de aire en la botella, no debe exceder a la velocidad de llenado de la botella. - Se rechazarán las muestras que sobrepasen los 4/5 de la capacidad de la botella con lo cual se asegura que no hubo recirculación. Muestras con volumen inferior a los 2/3 de la capacidad de la botella se consideran pequeñas; se podrían admitir cuando estén muy cerca a este límite inferior. - Se empleará una botella en cada muestra y se evitará el trasvase. - Se tomarán por lo menos tres muestras integradas en cada vertical. - Las botellas que contienen las muestras se tapan en forma hermética (tapa y contratapa) para evitar pérdidas de líquido y se transportan al sitio donde se ha de efectuar el filtrado. - En forma simultanea a la medición, se consignarán los datos resultantes en el formato "Aforo de Sedimentos en Suspensión".


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Muestreo Con El U.S.D.H-48 Es el muestreador más pequeño del tipo U.S.D.H, está construido para operarlo con la mano por medio de una varilla de 1/2” de diámetro colocada en la parte superior del instrumento, la cual es normal a la horizontal de la boquilla. El instrumento se usa en secciones en donde se aforé por el sistema de vadeo. En la parte inferior tiene una cavidad en donde se aloja la botella, la cual se ajusta mediante un dispositivo que aprisiona la botella por medio de un resorte. El muestreador está calibrado para una boquilla de 1/4", sin embargo se puede utilizar con una boquilla de 3/16".

• Procedimiento La operación del muestreador es muy sencilla. Para tomar una muestra integrada, la operación de descenso y ascenso del instrumento se hace con la mano de acuerdo al nomograma que aparece en la figura 19, en donde se toma la velocidad de tránsito y los tiempos necesarios para obtener una muestra adecuada. El instrumento puede tomar una muestra hasta nueve centímetros por encima del fondo. Las normas sobre número de verticales, llenado de botellas, número de muestras y formato de campo son las mismas de los instrumentos antes descritos.

b) Utilización Del U.S.P-61 Como Integrador Para profundidades hasta de cinco metros se puede utilizar el instrumento como integrador, haciendo el recorrido de bajada y subida con la válvula abierta. Para profundidades mayores de cinco metros y menores de diez metros, el muestreador se lleva cerrado hasta el fondo, en este punto se abre la válvula e inmediatamente se inicia el recorrido hasta la superficie. Ahora, para profundidades mayores a diez metros pueden tomarse dos muestras integradas, una desde el fondo a la mitad de la vertical y otra sobre la mitad hasta la superficie del agua. La combinación de ambas dará la muestra integrada sobre toda la vertical.

3.8.7.3 MUESTRAS DE FONDO Para la toma de sedimentos de material de fondo, existe una variedad de instrumentos construidos de acuerdo a las condiciones, comportamiento de los cauces y clases de material a tomar. Muestreo: cada vez que se realice un aforo sólido. Debido a la dificultad que implica la toma de las muestras en algunas secciones de aforo, se debe realizar un inventario de aquellos sitios que físicamente no es posible realizarlo para analizar particularmente una solución.

3.8.7.3.1 Muestreador Tipo Almeja "Van Veen´s Grab"


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Es un muestreador tipo draga, de fácil manejo, permite tomar la muestra en forma manual. El instrumento está formado por un cucharón de quijadas (almejas) y un sistema de cierre automático que en el momento de lanzar el muestreador al agua, dichas quijadas van abiertas y al tocar el fondo, la palanca que mantiene el cucharón abierto, se desconecta y al halar el cable, se cierra y aprisiona la muestra del fondo, que después se saca a la superficie. Estos aparatos son de construcción sencilla y fuerte, la mayoría están construidos en acero; los más pequeños tienen adicionado un par de lastres o pesas que están localizadas encima de las quijadas.

3.8.7.3.2 Muestreador US-BMH-60 y US-BMH-54 Son muestreadores con pesos netos de 14 y 45 kilos respectivamente, se utilizan para tomar muestras de fondo en corrientes con fondo compuesto de material fino o arenas y velocidades máximas de 1,5 m/seg. , lagos o embalses. El instrumento fue diseñado por The Federal Inter Agency Project de los EEUU. El cuerpo de los muestreadores, está hecho de aluminio y está equipado con cola y aletas direccionales, con una longitud de 56 cm. Consiste en una cuchara o cubeta, colocada en la parte inferior del instrumento, la cuál se abre por medio de una llave bristol, quedando sujeta por un seguro o trinquete que a su vez se sostiene por el soporte de suspensión del instrumento. La cuchara o cubeta está conectada a un mecanismo de cierre automático que impulsa dicha cuchara por medio de la fuerza de torsión de un resorte, en el momento en que el instrumento toca el fondo, el soporte de suspensión suelta el seguro y se cierra la cubeta, capturando la muestra de fondo correspondiente. La capacidad de la cubeta es de 175 c.c. de material, y esta penetra en el sedimento de fondo 4.3 cm. La caja de la cubeta es completamente hermética cuando está cerrada. Posee empaques que evitan la penetración de agua y sedimento protegiendo la muestra de alteraciones.


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3.8.7.3.3 Muestreador de Cono Utilizado para muestras de fondo en ríos grandes con fondo de arenas y material fino; de planicie aluvial, bajas pendientes.


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3.8.7.4 BOLSA PLEGABLE El uso de muestreadores de sedimentos con bolsa plegable ha sido ensayado en países como los Estados Unidos, Canadá, Alemania, Francia y Holanda. En Colombia fue en el río Orinoco donde se desarrollaron las primeras experiencias con la participación del HIMAT, durante el desarrollo del “ Taller sobre hidrometría de grandes ríos”, organizado por Venezuela y patrocinado por la Organización Meteorológica Mundial - O.M.M. Con base en estas experiencias el HIMAT, implementó esta metodología para grandes ríos por primera vez en el río Putumayo, dentro del marco del convenio Colombo-Peruano, con resultados satisfactorios. En sí, el muestreador de bolsa plegable, diseñado por el Geological Survey de los E.E U.U, se utiliza para recoger muestras integradas de sedimentos en suspensión en corrientes con profundidades mayores a 5 m. También se puede emplear en forma horizontal, para recoger muestras integradas de una sección, a una misma profundidad (Embarcación a velocidad constante y uniforme).


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3.8.7.4.1 Ventajas Más económicos. Son más sencillos. Son más livianos. Sus partes y elementos se consiguen fácilmente en el mercado nacional o se pueden fabricar,

dada su sencillez. Recogen muestras integradas en una misma vertical. Recogen muestras integradas de una sección a una misma profundidad. Recogen muestras de gran volumen.

3.8.7.4.2 Desventajas • Las muestras recogidas en la bolsa plegable siempre deben ser depositadas en otro recipiente

para enviarlas al laboratorio. • Como los muestreadores van acoplados al escandallo existe una zona que queda sin muestrear

debido a la distancia H entre el escandallo y la botella. • Se deben usar tantos tamices como verticales tenga el aforo, para evitar que se retengan

partículas de menor tamaño por la acumulación del sedimento una vez se ha pasado por el mismo tamiz varias muestras.

3.8.7.4.3 Componentes del Muestreador Este consta de los siguientes elementos: ♦ Canastilla. Fundamentalmente se emplean dos tipos de canastillas, una para contener una botella de 3 o 4 litros (1 galón), y otra para contener una botella de 7 u 8 litros (2 galones). ♦ Botellas o garrafas Plásticas Perforadas. En el comercio local se consiguen estas botellas plásticas de uno o dos galones con el cuello y la boca localizadas lateralmente. Los huecos que debe tener la botella, sirven para evitar la presión a la que se somete cuando esta sumergida. ♦ Tapa Plástica Hidrodinámica. En el HIMAT se diseño una tapa especialmente adaptada a la garrafa, la cual soporta la boquilla; esta tapa puede ser de otro material. La tapa original que trae la botella no debe desecharse, ya que se utiliza mientras no se use la tapa con la boquilla y así evitar que se dañe la rosca de la botella.


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♦ Boquillas. Se usan las mismas boquillas que suelen emplearse en los muestreadores del tipo U.S.P o U.S.D.H y su material puede ser de aleación de bronce o teflon. Los diámetros son:

Boquilla N° 1 1

8 de pulgada o 3.18 mm

Boquilla N° 2 3


Boquilla N° 3 1


Boquilla N° 4 5


Las boquillas de teflon se emplean primordialmente cuando se requieren muestras no contaminadas por las boquillas de metal.

3.8.7.4.4 Bolsas de Plástico Las bolsas de plástico o polietileno utilizadas, tienen un calibre de 45 milésimas de milímetro y el tamaño de 25 por 40 cm. , sirve para botellas de un galón y el tamaño de 35 por 50 cm. , para las botellas de dos galones. Es importante que antes de usarse las bolsas se humedezcan preferiblemente con agua de la corriente objeto de la medición por lo general se llenan con agua hasta la mitad, para verificar que ésta no tenga escapes.

3.8.7.4.5 Pesa o Escandallo Dependiendo de la profundidad y la velocidad de la corriente se usan las pesas hidrodinámicas o escandallos convencionales de 50, 75 ó 100 kg, con sus respectivas platinas para sujetarlos a la canastilla y al molinete.

3.8.7.4.6 Lastre de la Bolsa Se usa un lastre de 30 a 50 gramos que debe ser colocado dentro de la bolsa plástica con el objeto de mantener el fondo de ésta en el fondo de la botella, también puede emplearse una esfera de vidrio (bola de cristal de 2 cm de diámetro).


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3.8.9 ERRORES Y LIMITACIONES EN LAS MEDICIONES DE SEDIMENTOS Se pueden considerar dos formas que originan errores frecuentes durante la actividad de muestreo de los sedimentos:

3.8.8.1 USO INCORRECTO DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS La velocidad de acceso en la boquilla del instrumento debe ser igual a la velocidad del flujo en el punto de muestreo. Cuando estas condiciones cambian los errores de medición que se producen pueden ser determinantes. Los errores de medición que se producen cuando la velocidad del agua en la boquilla es diferente de la velocidad de la corriente, estos son inapreciables en el rango de las partículas menores de 0.06 mm. Para partículas mayores de 0.06 mm. el error es tanto más pronunciado cuando mayor es el tamaño de partícula y la desviación de la velocidad de entrada respecto a la velocidad de la corriente en el punto de toma. Cuando la velocidad en la boquilla es menor que la velocidad de la corriente, las muestras contienen un exceso de sedimentos, mientras que las muestras recogidas a mayor velocidad que la que tiene la corriente arrojan valores por defecto de la concentración de sedimentos. La magnitud de los errores en la concentración para diferentes relaciones de velocidad de toma varía entre 0.25, 0.50, 3.0 veces la velocidad de flujo, para diferentes tamaños de partícula de suspensión. A medida que dichas partículas son de inferior diámetro, la magnitud del error decrece. Usualmente los fabricantes de estos equipos advierten que las boquillas están calibradas para cada instrumento individualmente. La incorrecta orientación del equipo respecto a la dirección del flujo reduce la concentración de la muestra. En ensayos en laboratorios de hidráulica se ha encontrado que una desviación angular menores de 20 grados no tiene un efecto apreciable en la precisión del muestreo mientras que una desviación de 30 grados resulta en un error de -7%. Es importante que la sección de la boquilla debe ser normal a las líneas de flujo. La pérdida de representatividad de la muestra por rebosamiento y recirculación del contenido de la botella. Se recomienda que el llenado de la botella se realice de acuerdo a las instrucciones de muestreo en cuanto a tiempos de llenado con relación a la velocidad del flujo, de tal forma que se garantice un volumen no superior al 75% de la capacidad de la botella. Ver instructivos de medición. La extrema aproximación del muestreador al lecho con la consecuente captación de partículas de arrastre o saltación que alteran el contenido de sólidos suspendidos de la muestra.

3.8.8.2 EFICIENCIA Y LIMITACIONES DE LOS MUESTREADORES DE SEDIMENTOS.

Representatividad de las muestras.

Dadas las características de variación temporal y espacial del proceso de difusión que gobierna el fenómeno de la suspensión, se puede requerir de un gran número de muestras para definir con


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exactitud la concentración media de la carga en un punto dado del campo de flujo. La experiencia demuestra que las máximas desviaciones de la concentración media se presentan en corrientes donde la carga suspendida consiste principalmente de partículas de arena, mientras que en la carga compuesta primordialmente por limos y arcillas estas desviaciones son menores. Tamaño óptimo de la muestra.

Debido a la limitada capacidad de los recipientes de los muestreadores especialmente de la serie US en donde se aprecia que cuando la muestra presenta baja concentración y las partículas son de variado tamaño puede resultar un peso relativamente mayor que el real, distorsionando la distribución de los tamaños de diámetros a la carga medida, para lo cual es necesario tomar varias muestras del mismo punto. Para obviar este problema se ha implementando el muestreador de la bolsa plegable el cual toma una muestra mucho más grande. Otros aspectos importantes.

Las mediciones que se realizan por verticales no muestrean la totalidad de los sedimentos debido a que el instrumento no llega hasta el lecho mismo de la corriente. La magnitud de esta distancia, entre el lecho y el instrumento, dependerá de la forma y tamaño del equipo, del método de operación, de la consistencia o firmeza del fondo y de la presencia de formas del lecho. Como consecuencia, no todos los sedimentos de la vertical tienen la posibilidad de ser captados por el muestreador Para analizar en forma teórica la cantidad de sedimentos no medida, Chien (1952), definió el concepto de eficiencia de una medición integrada en profundidad como la relación entre la cantidad de sedimentos representada en la muestra ( desde la superficie la distancia sobre el fondo) y la cantidad total de sedimentos en suspensión y de arrastre presentes en la vertical, para un cierto tamaño de partículas del material del lecho. Se deduce que cuanto menor es la profundidad, menor es la eficiencia del muestreo, dado que en la zona no medida es proporcionalmente mayor.

3.8.9 MONTAJE Y USO DEL MUESTREADOR Dependiendo de los muestreos a realizar; es decir, si se requieren tomar solamente muestras integradas se usa el muestreador y el escandallo, si adicionalmente se desea medir la velocidad de la corriente, se adiciona el correntómetro. El orden de colocación de los mismos depende de los medios y facilidades de trabajo en el sitio, de tal forma que se podrá instalar de arriba hacia abajo, el muestreador, el correntómetro y el escandallo o arreglar este orden como convenga, siempre y cuando el escandallo esté por debajo como se observa en la figura, definido esto se procede a introducir la bolsa dentro de la botella, dejando 5 cm. , que se doblan sobre la boca del recipiente, procurando que los pliegues queden uniformemente distribuidos al enroscar la tapa con la boquilla, a continuación la botella se coloca dentro de la canastilla y se asegura con una cuerda, dando una vuelta completa alrededor del cuello.


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Luego se baja el muestreador al nivel de agua, permitiendo que la botella perforada se llene de agua, teniendo cuidado que no entre agua por la boquilla. Al iniciar el muestreo se pone en funcionamiento el cronómetro, el contador de revoluciones del molinete y se inicia el tránsito vertical el cual debe ser contante, aproximadamente entre 0.2 y 0.4 veces la velocidad de la corriente. Al recuperar la muestra es importante verificar que al salir la boquilla del agua, no salga agua por la misma, si esto ocurre, se ha presentado recirculación, y el muestreo debe realizarse nuevamente; a continuación se toma la botella por el cuello y se inclina ligeramente hacia adelante, se suelta el cordel y se retira la muestra de la canastilla, se desenrosca la tapa de la botella, cuidando que la bolsa no resbale dentro de la misma y se pierda la muestra, después que se haya medido con la probeta y se haya pasado por el microtamiz, parte del sedimento queda pegado a la bolsa y es necesario lavarla con un atomizador, esta agua de lavado debe desecharse ya que no forma parte de la muestra.

3.8.9.1 TAMAÑO DE LA BOQUILLA, TASA DE TRÁNSITO Y CALIBRACIÓN DE CAMPO

Para determinar el tamaño de la boquilla y la tasa de tránsito, con el fin de evitar el sobrellenado o recirculación se debe tener en cuenta la figura: Tiempo requerido para recoger un litro de muestra.


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Ejemplo: Profundidad = 20 mt.


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Recorrido superficie - fondo - superficie = 40 mt. Velocidad media de la corriente = 1.2 mt/seg. 0.2 de ∇ ≤ tasa de tránsito ≤ 0.4 de ∇ sí se asume 0.3 de ∇ entonces la tasa de tránsito es = 0.3x∇ = 0.3 x 1.2 mt/seg. = 0.36 mt/seg. Tiempo de tránsito 40 mt / 0.36 mt/seg. = 111 Seg. De la figura anterior y si la velocidad media ∇, es igual a 1 mt/seg. , obtenemos que para recoger un (1) litro de muestra, empleando las 4 boquillas se requiere un tiempo determinado como se observa en la siguiente tabla: BOQUILLA MUESTRA TIEMPO N°. 1 1 Lt 130 2 1 Lt 57 3 1 Lt 32 4 1 Lt 20 La capacidad máxima de los muestreadores, para evitar el sobrellenado y la recirculación es de 2.65 litros en la botella de 1 galón (3.785 lt), y 5.30 litros para las botellas de 2 galones.

3.8.9.2 CALIBRACION DE CAMPO El muestreador deberá calibrarse en el campo antes de usarlo y chequear esta calibración tantas veces como se pueda. El procedimiento consiste en medir la velocidad de la corriente vc en un punto y recoger una muestra de t segundos en el mismo punto. La velocidad de desplazamiento de la boquilla vb, es:

vb = V(cm)3

A(cm)2 xT(seg, )

cm

seg=

En donde: V = Volumen de la muestra en cm3

A = Area de la boquilla en cm² T = Tiempo en segundos El área de cada una de las boquillas es: BOQUILLA N° AREA CM² 1 0.079173 2 0.178139


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3 0.316692 4 0.494832 La eficiencia hidráulica eh es:

eh = vbvc

Si la eficiencia hidráulica está por debajo de 0.90, es necesario verificar si la boquilla tiene protuberancias o irregularidades a la entrada, Esta debe ser hidrodinámica y el orificio perfectamente uniforme. La calibración de campo debe mostrar una eficiencia promedio de 0.95 para velocidades entre 1 y 3 mt/seg.

3.8.10 PROCESAMIENTO DE MUESTRAS EN EL SITIO Siempre ha sido un inconveniente transportar numerosas botellas al campo y regresarlas al laboratorio, por ello se debe disponer de los siguientes elementos: Dos (2) baldes graduados con tapa para mezclar las muestras. Dos (2) probetas graduadas de 500 ó 1000 mililitros. Dos (2) frascos con atomizador. Dos (2) embudos de 20 cm de diámetro superior para colocar el tamiz. Doce (12) microtamices de 3 pulg. de diámetro con malla de 0.063 mm. , es decir 63 micras

con base y tapa. Botellas plásticas de 100 y 500 mililitros para muestras. Rótulos para identificar las muestras. Cada una de las muestras se debe analizar por separado, una vez que se ha tomado la muestra, se retira la muestra de la canastilla, se vierte la muestra en el tamiz, pasando ésta por el embudo y quedando en la probeta. Se registra el volumen y se vierte el contenido de la probeta en el balde, que debe permanecer tapado, hasta tanto no se procese otra muestra. Se lava la bolsa plástica, vaciando el agua en el otro tamiz, para rescatar el sedimento que ha quedado adherido en sus paredes interiores, el agua de lavado se desecha. Se continúa con el muestreo de las demás verticales definidas a lo largo de la sección, usando en toda medición la misma tasa de tránsito, las muestras sacadas de cada una de las verticales, se recomienda pasarlas por diferentes tamices, aunque se puede pasar por un único tamiz, corriendo el riesgo acarrear imprecisiones por la retención de partículas de menor tamaño que ocurre en las últimas muestras. Las partículas de lavado que retuvo el otro tamiz se recogen lavando éste en la botella de 100 ml, utilizando para ello el embudo y el atomizador, igualmente se rotula.


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Se pasa la muestra por un microtamiz de 63 micras, el agua se almacena en un balde una vez tomado el volumen. Se determina el volumen del filtrado con una probeta y posteriormente del volumen total almacenado se toma una alicuota representativa en un frasco de 500 ml, partículas menores de 63 micras. Posteriormente se pasan las partículas mayores de 63 micras a un frasco plástico pequeño. Luego se llevan al Laboratorio donde se toma el volumen de la muestra líquida es decir de las partículas menores de 63 micras, en una probeta graduada.

3.8.11 ANÁLISIS DE LABORATORIO Para el procesamiento de las muestras de sedimentos es necesario contar con un laboratorio con el fin de determinar las concentraciones de sedimentos en suspensión y la distribución del tamaño de la partículas de sedimentos en suspensión y el material del lecho. Además se incluyen otros tipos de análisis asociados con estas dos formas como son: las determinaciones cuantitativas y remoción de materia orgánica y sólidos disueltos, el peso específico de partículas de sedimentos, el peso unitario de los suelos y depósitos de sedimentos, determinación de la forma de las partículas y análisis mineralógicos asociados con la geoquímica. Las funciones de un laboratorio de sedimentos es determinar la concentración de sedimentos en suspensión en las muestras tomadas por medio de las mediciones en los ríos; determinar la distribución del tamaño de las partículas de sedimentos en suspensión, material de fondo y depósitos en embalses; y analizar la forma de las partículas, el peso específico, la materia orgánica, la densidad, la mineralogía y la composición petrográfica de los materiales. Los datos de la concentración y tamaño de las partículas se emplean para determinar los volúmenes de sedimentos en suspensión y de arrastre de fondo, así como el transporte total de sedimentos de los ríos, como también calcular los volúmenes probables y pesos específicos de depósitos en embalses, canales de riego, dársenas, etc. El carácter muy diverso de los sedimentos fluviales hace que la escogencia de los análisis de laboratorio sea algo difícil, así como el mismo procesamiento de los datos. En general los métodos utilizados son los recomendados por varios investigadores y que han sido desarrollados y usados rutinariamente por científicos y técnicos de laboratorios de sedimentos en todo el mundo. Estos se resumen en los siguientes: métodos de filtración y evaporación para el análisis de la concentración de sedimentos; métodos usados para el análisis del tamaño de las partículas de muestras de sedimentos en suspensión que incluyen el tamizado, pipeteado, el pipeteado-tubo VA, dependiendo del equipo disponible, la concentración y tamaño aproximado del sedimento de la muestra y el medio de asentamiento usado. Para el material del lecho se utiliza generalmente el tamizado usado para el análisis de arenas u otro método de tipo visual para tamaño mayores; los métodos para el análisis de la fracción de limo y arcilla; y los métodos petrográficos que son de gran importancia en los estudios del origen geológico de las partículas.


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3.8.11.1 ACTIVIDADES Determinar las concentraciones de sedimentos en suspensión por medio del método más adecuado que puede ser por filtración o evaporación. Sin embargo el método de filtración tiene ventajas obvias sobre el de evaporación. Se deben utilizar filtros de fibra de vidrio; el secado se debe realizar a 110° C para efectos de análisis de concentración y unificar dicha medida con los demás países. La calcinación a 600° C se debe hacer cuando el material posee porcentajes muy bajos de calcio. Realizar el análisis con los procedimientos propios de cada método. Determinar la distribución del tamaño de sedimentos en suspensión. Este análisis depende del tamaño de las muestras que suministren un volumen suficiente y representativo. Los métodos utilizados son los siguientes: tamizado húmedo y filtrado; tamizado-pipeteado con divisiones de tamaños entre 0.002 y 2.00 mm y si está en rango de limos entre 0.008 y 0.031 mm.; el tubo de acumulación visual VAT; y el tubo granulométrico BWT (Botton Withdrawal Tube). Elaborar las curvas granulométricas correspondientes. Analizar las fracciones de limos y arcillas de las muestras de sedimentos. Separación de la arena de los finos. Utilizar los métodos descritos en el aparte anterior. Determinar las granulometrías de los sedimentos de fondo. Análisis del material grueso (arenas y gravas) por el método de tamizado. Se debe utilizar una serie de tamices normalizados con rangos entre los 76 y 0.037 mm. con mínimo de 15 tamices distribuidos de acuerdo al tamaño máximo y mínimo con el fin de lograr una distribución bien graduada de las arenas, que pueda ajustarse a una recta en un gráfico granulométrico logarítmico de probabilidad o una ese en un gráfico semilogarítmico. Seguir los procedimientos correspondientes a este método. Analizar la composición petrográfica de los sedimentos según tipos de rocas que permita obtener información en relación a las zonas de las cuales es originaria las partículas de acuerdo a las zonas críticas y activas de las cuencas y de los cauces.(geoquímica). El laboratorio de sedimentos debe estar dotado con los equipos completos necesarios para obtener una información precisa y confiable. No se debe escatimar esfuerzos en cuanto el análisis de muestras provenientes del campo, donde el gran número de ellas hace dispendioso y monótono el trabajo de análisis, esta labor seguramente redundará en obtener una información necesaria para el conocimiento del comportamiento morfológico de nuestros ríos y así mismo en el desarrollo del país. Para determinar la concentración de sedimentos, se toman muestras superficiales a, ½ y ¾ de la sección transversal, en botellas plásticas especiales de 500 ml, para luego tomar los volúmenes de muestra y registrarlos en formatos adecuados en el sitio de muestreo.

3.8.11.2 PROCEDIMIENTO La determinación del volumen se realiza utilizando una probeta.


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Se filtra al vacío utilizando un embudo Buchner, empleando un frasco lavador para asegurar que no queden sedimentos en la botella. El filtro ligeramente húmedo se deja secar evitando que se pierda sedimento. Se empaca adecuadamente en sobres de polietileno. 1. Una vez recibidos los filtros de papel que contienen los sedimentos, se procede a realizar la respectiva radicación de las muestras.


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2. Se almacenan en el cuarto de muestras, clasificando por áreas operativas. 3. Se taran los crisoles, calcinándolos a 600 °C por 30 minutos. Se enfrían a temperatura ambiente en desecadores que contienen cloruro de calcio (Cl2Ca), se pesan en balanza analítica de precisión con 5 cifras decimales. 4. Se asigna y se coloca cada papel de filtro en un crisol tarado, registrando cada dato en el formato correspondiente. 5. Las muestras se introducen en la mufla a 350 °C durante 15 minutos para carbonización del papel sin que ocurra combustión, posteriormente se sube la temperatura a 600 °C durante 30 minutos. 6. Se deja enfriar en desecador. 7. Se pesan las muestras, manejando los crisoles con pinzas, en balanza analítica de precisión de 5 cifras decimales. 8. Se registra el peso en el formato y se envía al área operativa.

3.8.11.2.1 Procedimiento De Laboratorio Para Bolsa Plegable Se pasa la muestra a través de un filtro de membrana de Acetato de Celulosa de 0.45 micras y de 47 mm de diámetro. Se elimina la humedad sometiéndola a temperatura de 105 °C para su posterior calcinación durante 1 hora a 600 °C, temperatura que se alcanza progresivamente. Se determina su peso en una balanza analítica de precisión de 3 cifras decimales. El sedimento que quedó en el microtamíz o sea las partículas mayores de 63 micras se colocaron en crisoles previamente marcados y tarados secaron en la estufa a 105 °C durante 1 hora y se pesaron. Posteriormente se tapan y se pasan a la mufla para calcinarlas a 600 °C por media hora con el fin de eliminar la materia orgánica, posteriormente se pesan y se determina el peso neto de las partículas y su concentración de acuerdo al volumen total del aforo líquido. Los resultados se reportan como: Peso neto a 105°C y Peso neto a 600 °C


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3.8.11.3 PROCESOS Y CÁLCULOS

3.8.11.3.1 Cálculo de aforos puntuales Con la información obtenida en campo (muestras) y el formato de "Medición Detallada de Materiales en Suspensión", debidamente diligenciado en sus columnas 1- 2- 3 y 6, se envía a laboratorio para allí iniciar el proceso de cálculo; éste obtiene el volumen, identifica el crisol y determina la tara, el peso (columnas 7 - 8 - 9 y 10). La columna 5 de velocidad debe llenarse una vez calculado el aforo líquido, el dato de velocidad allí consignado para el caso de aforos integrados es la velocidad media en la vertical y para el caso de aforos puntuales es la velocidad en el punto (0.2 - 0.6 -0.8). La columna 4 solo se llena cuando en el campo se hace un aforo sólido, sin haber realizado el aforo líquido, entonces como es lógico el aforador debe medir velocidades por cualquiera de los métodos conocidos. El calculo se continua utilizando para ello el formato adjunto en donde la columna 11 - concentración, se calcula siguiendo el siguiente procedimiento, formato de "Medición Detallada de Materiales en Suspensión", se toman los valores de las columnas 7 - 9 y 10 y se realiza la siguiente operación:

Cm Peso TaraVolumen

=−

Cm 10 97

=− las unidades mg

ml 1 lt1000 ml

mgltx

=

La columna 12 concentración media - Cm, se calcula a partir de la columna 11, para aforos puntuales es igual al valor obtenido en cada punto, si se ha tomado más de una muestra, el valor consignado será el promedio. Se agrega además dos concentraciones una para la profundidad cero (superficie) igual a la concentración en el punto de medición más próximo a la superficie y otra para la profundidad total (fondo) igual a la concentración en el punto de medición más próximo al fondo. La columna 13 gasto sólido puntual - GSP, es igual a la concentración media (columna 12) multiplicada por la velocidad calculada del aforo líquido, columna 5 del formato 32-06-83.

GSP 12 5X= las unidades

GSP mglt

x mseg

x 1g1000mg

x 1000lt

m3= =g

m2xseg


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La columna 14 son los valores medios del gasto sólido puntual - GSP de puntos sucesivos de la vertical, considerando también los puntos ficticios de la superficie y fondo, tiene las mismas unidades de la columna 13. La columna 15 profundidad del aforo ∆y en metros es igual a la distancia vertical entre puntos sucesivos de medición, que se deducen de las profundidades de medición puntual columna 3 del formato 32 - 06 - 83. La columna 16 gasto sólido puntual por vertical - GSPV, es el resultado de multiplicar la distancia vertical por el gasto sólido puntual. GSPV GSP YX= ∧

Las unidades gm2 seg

m = gm segx

xx

La columna 17 gasto sólido en la vertical - GSV, se obtiene de la suma de los gastos sólidos parciales por vertical de la columna 16 y conserva las mismas unidades. La columna 18 gasto sólido medio entre verticales - GSV , es igual al promedio de los valores de la columna 17, asumiendo para la primera y última sección ½ de primera y última vertical y para las restantes el promedio de dos verticales sucesivas. La columna 19 distancias parciales Dx, entre verticales referenciadas al PR, viene dadas en metros m La columna 20 transporte - S, es igual al producto de los datos de la columna 18 por los de la 19. S Dx * GSV=

Las unidades g m seg

m = gseg

1kg1000g

kgsegx

x x =

Como el transporte se da en unidades de kilotonelada / día, entonces se hace la respectiva conversión de unidades,

kg

m3 x m3

Segkg

Segx ton

1000kgx kiloton

1000ton86400Seg

diakiloton

dia= =x

Para calcular la concentración superficial del aforo, a las tres muestras se les hace el mismo procedimiento de laboratorio y posterior cálculo, es decir peso menos tara dividido entre el volumen


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de la muestra, los tres valores obtenidos se promedian y se expresan en unidades de mg/lt y dividiendo directamente por 1000, obtengo kg/m3. A través de una correlación entre concentración media -Cm y Concentración Superficial - Cs, se obtiene una ecuación del tipo: Cm AxXB= A = Constante X = Concentración Superficial B = Exponente conversión de unidades

mglt

x 1kg1000000mg

x 1000lt1m

kgm3 3=

Como no es posible estar aforando diariamente, entonces el observador toma 3 muestras diarias (¼ - ½ - ¾ del ancho), A estas muestras diarias se les hace el mismo tratamiento de laboratorio hasta obtener la concentración superficial, la cual a través de la ecuación se convierten en concentración media. El transporte diario se calcula multiplicando CmxQ.

IDEAM MEDICION DETALLADA DE MATERIALES EN SUSPENSION

INSPECTOR : ................................................................. ESTACION : ................................................. CODIGO : ..............................................LABORATORISTA : ...................................................... CORRIENTE : ................................................. FECHA : ..............................................HORA INICIAL : ................... HORA FINAL : ................. NIVEL INICIAL : ................ NIVEL FINAL : ................... NIVEL PROM EDIO : ..............EQUIPO : ............................. CAUDAL : ................. INTEGRADO : ................ PUNTUAL : ................... PAGINA : .......... DE ........

DISTANCIA PROFUNDIDAD VELOCIDAD M UESTRA VOLUM EN CRISOL TARA PESODESDE PR TOTAL PUNTUAL AFORADOR PROCESO N° ml gr N° mg mg

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101/41/23/4

32 - 06 - 83


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IDEAM CALCULO MEDICION DETALLADA DE MATERIALES EN SUSPENSION

INSPECTOR : ................................................................. ESTACION : ................................................. CODIGO : ..............................................LABORATORISTA : ...................................................... CORRIENTE : ................................................. FECHA : ..............................................HORA INICIAL : ................... HORA FINAL : ................. NIVEL INICIAL : ................ NIVEL FINAL : ................... NIVEL PROMEDIO : ..............EQUIPO : ............................. CAUDAL : ................. INTEGRADO : ................ PUNTUAL : ................... PAGINA : .......... DE ........

C Cm GSP GSP Y GSPV GSV GSV Dx Smg/lt mg/lt g/m²xseg g/m²xseg m g/mxseg g/mxseg g/mxseg m kg/seg11 12 13 14 15 16 17 18 19 20


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BIBLIOGRAFIA

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2. DISEÑO Y OPTIMIZACION DE LA RED DE ESTACIONES HIDROLOGICAS19

2.1 PROBLEMÁTICA DEL DISEÑO Y OPTIMIZACION DE REDES ________________________ 19

2.2. ANTECEDENTES Y EVOLUCION DE LA RED ACTUAL ______________________________ 21 2.2.1. DESARROLLO DE LAS REDES DE OBSERVACIONES Y MEDICIONES EN EL MUNDO__ 21 2.2.2 DESARROLLO DE LA RED DE OBSERVACIONES Y MEDICIONES EN EL AMBITO NACIONAL ________________________________________________________________________ 22

2.3. CRITERIOS PARA LA INSTALACION OPTIMA DE ESTACIONES _____________________ 23 2.3.1 CLASIFICACIÓN DE LA RED ____________________________________________________ 23 2.3.2 FORMULACIÓN DE CRITERIOS PARA ESTACIONES DE RÉGIMEN GENERAL _________ 24

2.3.2.1 CRITERIO DEL GRADIENTE _________________________________________________ 26 2.3.2.2 CRITERIO CORRELATIVO ___________________________________________________ 27 2.3.2.3 CRITERIO DE REPRESENTATIVIDAD _________________________________________ 28

2.3.3 RELACIÓN GENERAL DE LOS CRITERIOS DE OPTIMIZACIÓN PARA ESTACIONES DE RÉGIMEN GENERAL ________________________________________________________________ 29 2.3.4 FORMULACIÓN DE CRITERIOS PARA ESTACIONES DE RÉGIMEN ESPECÍFICO _______ 30

2.4. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DEL PUNTO DE OBSERVACION __________________ 31

2.5 EJERCICIO PRACTICO: "DISEÑO DE UNA RED HIDROLÓGICA"_____________________ 33 2.5.1 ESTACIONES DE RÉGIMEN GENERAL____________________________________________ 33

2.5.2 ESTACIONES DE RÉGIMEN ESPECÍFICO ________________________________________ 34

2.6 CONCLUSIONES __________________________________________________________________ 36

BIBLIOGRAFIA______________________________________________________________________ 37


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2. DISEÑO Y OPTIMIZACION DE LA RED DE ESTACIONES HIDROLOGICAS Los fenómenos hidrometeorológicos se estudian mediante el análisis de la series de datos obtenidas en sitios o estaciones de medición distribuidos sobre el área de la región en estudio. Este grupo de puntos de medición en conjunto con el instrumental, los protocolos, estándares de medición y el equipo técnico administrativo de operación conforman lo que se denomina la "red hidrometeorológica", la cual debe ser un sistema organizado, dinámico y operable bajo las condiciones específicas en que puede trabajar el organismo que la administra. El tema de diseño y optimización de redes plantea un problema que se debe abordar desde un punto de vista integral que interrelacione aspectos técnicos, físicos, socio - económicos y culturales. La presente nota técnica se propone ocuparse en describir un breve marco teórico, necesario, para emprender el diseño e implementación de redes hidrológicas, sin perder de vista la necesidad que existe en la práctica de formular criterios tangibles para el diseño de redes, y las directrices necesarias para su correcta aplicación.

2.1 PROBLEMÁTICA DEL DISEÑO Y OPTIMIZACION DE REDES El diseño y optimización de redes hidrometeorológicas es una tarea compleja que regularmente comienza con las siguientes preguntas: ¿Cuál es el objetivo de la red? ; ¿Qué variables se deben observar? ; ¿Dónde se deben observar las variables definidas? ; ¿Cómo debe ser el programa de observaciones? ; ¿Cuan exactas deben ser las mediciones? ; ¿Por cuánto tiempo debe trabajar la red? ; ¿Cuántos puntos de medición deben ser instalados? ; ¿Cuál debe ser la frecuencia de medición? ¿Qué tratamiento analítico debe aplicarse a los datos obtenidos a través de la red? Este juego de preguntas, que aparenta ser sencillo, es la clave para el desarrollo del diseño teórico y preliminar de la red. Las respuestas de estos interrogantes no son nada triviales y en un proceso de planificación normal deben tomar un buen porcentaje de tiempo de proyecto para ser finalmente respondidas. En realidad no existe un manual paso a paso para realizar el diseño de redes y si bien el objetivo de la red resulta ser clave importante en su diseño, se puede decir que cada diseño debe ser observado como particular. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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La presente nota técnica no pretende desarrollar en su totalidad todo el tema, pero si puede ofrecer respuesta a algunas de las preguntas planteadas. En parte este cuestionario se responde al poner en juicio la importancia del recurso que se quiere administrar. A su vez la precisión con que se quiere administrar nos señala a que nivel protocolario se debe ascender el programa de observaciones y con cual estándar de mediciones trabajar. No se puede olvidar que la forma como se mide depende del nivel de conocimiento que se tenga del medio físico y de los procesos que en el ocurren y que los medios económicos disponibles son el factor que obliga a limitar la cantidad de puntos y la frecuencia de medición en cada uno de ellos, sin olvidar que el fondo la necesidad de medir es reproducir un proceso que es continuo y dinámico. Todos estos factores permiten formular el diseño de la red hidrológica como una pirámide en la cual interactúan los elementos necesarios para obtener un diseño que permita implementar una red de observaciones que permita cumplir los objetivos planteados al comienzo del diseño y que permita lograrlo con la disponibilidad económica y en el entorno social existente. Estos planteamientos nos permiten entrelazar los componentes del diseño de la red en una pirámide del siguiente tipo:

HIDROLOGIA

ANAL

ISIS

S O

CIO

EC

ONO

MIC

O

TEO

RIA

DE O

PTIM

IZAC

ION ANALISIS

BAYESIANO

TEO

RIA

DE

MU

ESTR

E O

COR

REL

ACI

ON

Y RE

GRE

SIO

N

PROBABILIDAD

TEORIA DE DESICIONES

Tomado de WMO

Gráfico 2.1

Como se observa, la base de toda la infraestructura de diseño es la Hidrología, en la cual reposa todo el conocimiento que se tiene del medio físico y de los procesos que en el ocurren. Del lado derecho de la pirámide se observa todo el aparato matemático en el que se apoya el diseño y del lado izquierdo presiona el ambiente socio económico en el que transcurre la actividad de diseño. Como eje central actúa el aporte de la teoría de optimización, el cual sirve de puente de enlace entre el diseño teórico y la realidad del entorno socioeconómico en el que se desarrolla el diseño. La parte superior, "teoría de decisión", representa un mecanismo formal para la integración de todos los componentes subyacentes, aunque en la mayoría de los casos es imposible aplicar todo el conocimiento de esta teoría en el diseño de redes. Es importante subrayar, que dada la complejidad del tema, los conceptos que se presentan a continuación no pueden abarcar todo el contexto de la pirámide, sin embargo si reflejan una parte Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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importante de ella (hidrología, probabilidad, teoría de optimización, correlación y regresión), los elementos restantes se pueden añadir para cada caso particular de diseño de redes y no se tocan en este documento debido a que es imposible generalizar los criterios aquí presentados hacia todas las necesidades de diseño que pueden existir.

2.2. ANTECEDENTES Y EVOLUCION DE LA RED ACTUAL

Reseña Histórica del Desarrollo de las Redes de Observación en el Ambito Mundial y Nacional, presentado en el documento (Pabón J.D. García, M, Collantes E.)

Antes de entrar en detalle a hablar de una red básica nacional, es conveniente conocer como se desarrollaron las redes a nivel nacional y mundial, que criterios se tomaron en cuenta en cada época.

2.2.1. DESARROLLO DE LAS REDES DE OBSERVACIONES Y MEDICIONES EN EL MUNDO El inicio de las redes de observaciones y mediciones sobre los procesos atmosféricos está relacionado con la invención de instrumentos como el termómetro, el barómetro, el higrómetro y el anemómetro entre mediados del siglo XVII y mediados del XVIII. Según Daley (1991) observatorios como el Observatorio de París comenzaron las observaciones regulares a finales del siglo XVII; redes de observaciones meteorológicas de corta duración existieron en Gran Bretaña (Royal Society, 1724-1735) y en Rusia (La Gran Expedición al Norte, 1730-1745); la Academia Palatina de Ciencias y Letras de Manheim, Alemania organizó la primera red internacional de observaciones regulares que obtuvo información en el periodo de los 80s y 90s del siglo XVIII desde los Urales hasta Cambridge. Desde un comienzo, se buscaba tener información necesaria para analizar y predecir el estado del tiempo describir el clima de las localidades y regiones para atender las necesidades del sector de la defensa de los países de esa época. Es en el siglo XIX cuando se desarrolla mejor el concepto de las redes de observaciones y mediciones en meteorología. A esto contribuyó el desarrollo tecnológico y organizacional ocurrido por esa época. Influyó de manera importante el mejoramiento de los instrumentos meteorológicos y, en gran medida, la invención del telégrafo. En 1873 se celebró en Viena la Conferencia Meteorológica Internacional que dio la base formal para el inicio de una red mundial. A través de la Organización Meteorológica Internacional (OMI)se llevó a cabo la estandarización de las observaciones y mediciones meorológicas a escala mundial. En la época de la segunda guerra mundial aparece el componente de mediciones en diferentes capas de la atmósfera.


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Con el tiempo se fue consolidando una red meteorológica internacional en superficie aunque una distribución arbitraria solo sobre los continentes La OMI, que posteriormente se transformó en la Organización Meteorológica Mundial (OMM) desempeñó un papel importante en el establecimiento de redes de estaciones meteorológicas en diferentes partes del mundo. La OMM continuó esta tarea y actualmente coordina los sistemas globales de mediciones y observaciones COMO la Vigilancia Meteorológica Mundial (VMM), la Vigilancia de la Atmósfera Global (VAG), el Sistema Mundial de


Observación del Clima (SMOC), el Sistema Mundial de Observación del Ciclo Hidrológico (WHYCOS). En la época de la segunda guerra mundial aparece el componente de observaciones y mediciones de las diferentes capas de la atmósfera. Cada país con base en sus características y circunstancias específicas ha desarrollado su propio esquema de observación y muestreo, teniendo siempre como referencia las guías y las experiencias de los otros países transmitidas a través de la OMM y otros organismos internacionales. Aunque no todas las redes de observación han tenido una forma sistemática de diseño e implementación la mayoría se han basado en las recomendaciones de la OMM para la organización de redes hidrometeorológicas: mínimas básicas y óptima nacional.

2.2.2 DESARROLLO DE LA RED DE OBSERVACIONES Y MEDICIONES EN EL AMBITO NACIONAL Una revisión histórica del desarrollo de la red hidrometeorológica en el país la presenta Pabón y otros (1996). En resumen, esta red comenzó a desarrollarse por necesidades de diferentes sectores como el de suministro de agua, de energía y por el sector agrícola. Si se analiza desde el punto de vista de una red básica nacional, este desarrollo inicial fue un tanto aleatorio. En 1969, con la organización del Servicio Colombiano de Meteorología e Hidrología, se inició el proceso de establecer en forma sistemática la red de observación hidrometeorológica, con el diseño de una red mínima básica y de empezar la red óptima necesaria. Aparecen algunos criterios, como los de la OMM, para la definición de la densidad de la red y la instalación de nuevas estaciones. Así, se logra establecer una red que podía representar procesos de escala sinóptica y el clima en diferentes regiones del territorio nacional. Posteriormente, aunque se continuó incrementando el número de estaciones en el territorio colombiano, principalmente en la región andina, no se ha logrado la red que represente satisfactoriamente los procesos menores de la escala sinóptica. En el caso de la conformación de la red hidrométrica nacional los objetivos iniciales fueron los de suministrar información para:

Evaluar globalmente el potencial hídrico nacional, determinar la variación espacio temporal de las características hidrológicas;

•

• • • •

•

Reconstruir el régimen hidrológico natural en regiones donde está alterado; Para determinar datos en sitios de aprovechamiento de agua de importancia nacional; Organizar un sistema nacional de predicción y alertas hidrológicas; Determinar los parámetros hidrológicos necesarios para coordinar los usos de agua, para la explotación racional y el establecimiento de prioridad en los aprovechamiento; Determinar las características hidrológicas de los principales ríos de las fronteras (Stanescu, 1972).

La red mínima consideró además de las recomendaciones de la OMM sobre densidad mínima de redes: la variación de las características físico geográficas del país; la distribución territorial de las


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estaciones de manera que conformen redes locales representativas que permitieran determinar relaciones de generalización y variación espacio temporal del régimen hidrológico; la necesidad de tener tanto estaciones principales o de referencia como las secundarias; y la prioridad sobre cuencas en las cuales el aprovechamiento es más intensivo. Con base en esto se estableció inicialmente que en Colombia se requería una red optima de aproximadamente 1700 estaciones hidrométricas y de una mínima de 700 estaciones, estas últimas distribuidas de la siguiente forma: 390 en la Cuenca Magdalena Cauca, 100 en las cuencas de la Orinoquia, 80 en las de la Amazonia, 50 en el Pacífico y 60 en el Atrato, Sinú y resto de ríos que drenan al Caribe. Progresivamente desde entonces se inició el diseño de las redes para las diferentes cuencas específicas, diseños consignados en publicaciones técnicas aperiódicas. Se estableció la red mínima básica hasta tener actualmente 581 estaciones. Adicionalmente, se fueron conformando redes para satisfacer necesidades específicas de sectores como el hidroenergético y agrícola, entre otros. Completando así una red hidrométrica de estaciones. Recientemente se realizó una evaluación técnica destinada a detectar las estaciones de muy poco rendimiento dentro de la red de referencia del IDEAM. En esta análisis, para catalogar una estación como poco eficiente se tomaron en cuenta las siguientes características:

Estabilidad de la sección; • • •

• • • •

Descontinuidad del programa de mediciones debido a problemas de orden público; Estaciones que ya cumplieron los programas de medición y los objetivos para los cuales estas se plantearon necesarias;

También se planteó la necesidad de instalar nuevas estaciones teniendo en cuenta los siguientes factores:

Ausencia de datos para el Balance hídrico Nacional; Cuencas hidrográficas constituidas en polos de desarrollo nacional; Cuencas Internacionales Cuencas de características especiales.

Como es de esperar, el proceso de evaluación continua y es una tarea dinámica donde se da mucha importancia al factor de retroalimentación en el proceso de evaluación del recurso hídrico nacional.

2.3. CRITERIOS PARA LA INSTALACION OPTIMA DE ESTACIONES

2.3.1 CLASIFICACIÓN DE LA RED


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No existe un patrón estándar de clasificación de las redes, éstas se clasifican siguiendo diversos sistemas, ya sea de acuerdo al periodo de operación, al tipo de parámetros observados o al uso que se le darán a los datos. Normalmente el periodo de observación (permanente o temporal) y el tipo de parámetros que observados categorizan al punto de medición dentro de un sistema de protocolos de observación en tanto que el uso que se le da a los datos es un rasgo que por lo general caracteriza a toda la red, esto quiere decir que según la finalidad misma de la red las estaciones se pueden clasificar en:

a) Estaciones de Régimen General Destinadas a suministra la información básica para el estudio, al nivel regional, de las variables en observación (elementos del Balance Hídrico) y sustentan la aplicación de los principios de generalización a zonas con características hidroclimáticas homogéneas, pueden ser de carácter permanente y proporcionan la base para estudios estadísticos, de regionalización y caracterización.

b) Estaciones de Régimen Específico Se utilizan para obtener información que permita describir el comportamiento específico de zonas que cuentan con características anómalas al régimen general o en las cuales es necesaria una administración mas detallada del recurso. Por ejemplo, zonas donde existe alta presión sobre el recurso, con condiciones fisiográficas especiales y/o características geológicas o hidrogeológicas particulares. Estas estaciones pueden ser permanentes o temporales y ocasionalmente pueden ser utilizadas para establecer relaciones validas entre los datos de ellas y los datos de las estaciones de régimen general. Los criterios de optimización para una red de referencia de régimen general y otra de régimen especifico difieren y por ende siempre es necesario definir con claridad el propósito de la optimización. Es necesario aclarar que los dos tipos de estaciones no discrepan entre sí y que en la mayoría de los casos una red de administración integral del recurso hídrico debe contener los dos tipos de estaciones.

2.3.2 FORMULACIÓN DE CRITERIOS PARA ESTACIONES DE RÉGIMEN GENERAL En principio, la localización óptima de las estaciones de la “red de referencia” consiste en la definición de la densidad de nodos de observación, necesaria para reflejar en forma confiable la realidad, invirtiendo adecuadamente los recursos económicos disponibles para la instalación y operación de la red. De acuerdo a lo expuesto, una red integral debe contener estaciones de régimen general y de régimen específico, a continuación se formulan los criterios para determinar la densidad y ubicación para ambos tipos de estaciones.


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La respuesta unívoca a la pregunta sobre las dimensiones óptimas de la red de referencia sólo se puede obtener a través de criterios físico - económicos que incorporen el margen de error con el cual se quiera reflejar la realidad. Este reflejo debe describir el campo de variación de la variable hidroclimática y su relación con los factores físico geográficos. Cualquier campo físico tiene como características principales su potencial y su tensión; el potencial representa la capacidad para trasladar masa o energía de un punto a otro y la tensión es un índice del desequilibrio existente entre las fuerzas externas que influyen sobre el campo físico. Dado que el potencial varía de un punto a otro en el espacio y además está relacionado con la tensión del campo, se produce un gradiente variable en el espacio. Una variable definida a través de la noción de campo físico se puede describir como un funcional del siguiente tipo:

(2.1))),(,grad,,( σξ lrYCvfY = Donde: Y: Variable en estudio grad Y: Gradiente de Y ξ: Dirección del gradiente Cv: Coeficiente de variación de Y r (l): Correlograma espacial de Y σ: Error de definición de la norma de Y Teniendo en cuenta que la descripción del campo "Y" se formula en función de su variación espacial, el proceso en estudio se puede representar a través de la conjugación de dos componentes uno de cambio suave (deriva) y otro de cambio rápido (componente estocástico), por ende la optimización de la red de referencia debe considerar estos dos elementos. La deriva representa el cambio suave por gradiente y la componente estocástica el cambio rápido o variación local (instantánea) del proceso; además la deriva corresponde a la esperanza matemática de "Y" (Norma del proceso) mientras que la componente estocástica se refleja en el coeficiente de variación. Apoyándose en lo expuesto, se establece la base conceptual para definir los dos primeros criterios para optimizar la red: el criterio del gradiente y el criterio correlativo. Como en el desarrollo de todo proceso existen anomalías de génesis que marcan diferencias locales en su evolución es necesario definir umbrales críticos que limitan la zona representativa del marco general del proceso; esta es la premisa que permite formular el criterio de representatividad. Los tres criterios mencionados, de gradiente, correlativo y de representatividad son la base para calcular la densidad optima de estaciones de régimen general a continuación se expone, sin entrar en detalles de demostración analítica, su formulación matemática Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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2.3.2.1 CRITERIO DEL GRADIENTE El incremento de la norma de "Y" en la dirección "ξ" es igual a:

∆Y(ξ): Incremento de la norma de "Y" ∆ξ : Incremento de la coordenada espacial gradY: Razón del incremento de la norma de "Y" por el incremento de la coordenada

espacial Las mediciones que se realizan para reflejar el régimen general de un proceso natural, capturan en realidad el gradiente de la magnitud en estudio; este precepto es el axioma base del criterio de gradiente. Al fijar una red de referencia se cuenta con una número discreto de nodos de observación separados unos de otros por una distancia "l" o por una diferencia de áreas de cobertura "∆A". Teniendo en cuenta que ningún método de observación (medición, estimación) está libre de error sistemático, es necesario que los nodos de observación estén distanciados de una forma tal que el gradiente capturado por las mediciones en nodos vecinos supere en magnitud el margen de error de las mediciones. Tomando como ejemplo la escorrentía, si en un primer nodo de observación se mide una magnitud Y1, el nodo vecino debe ubicarse de manera que las mediciones capturen un incremento ∆Y(ξ) con magnitud superior al error sistemático "σ" de la medición de la escorrentía. En el gráfico 2.2 se observa una red de referencia donde se aplica una tecnología de medición con un error sistemático σ = ± 15 %; teniendo en cuenta los principios del criterio de gradiente se puede concluir que el segundo nodo es innecesario porque el incremento de "Y" a esa distancia es de 10 mm y está dentro del margen de error de la medición (±15%). De esta manera el nodo 2 captura la misma información que el nodo 1 y por ende lo está duplicando.

Nodo 1

Nodo 3

σ= ±15 %

σ= ±15 %

σ= ±15 %

G ráfico 2.2

Nodo 2

Y=100 m m

Y=110 m m

Y=130 m m


26


La formulación matemática del criterio del gradiente se desprende de la definición de este mismo (formula 1.1) y tiene en cuenta que para dos nodos vecinos el incremento de "Y" debe superar dos veces el error sistemático de su medición; así, el incremento "∆Y" entre dos nodos de observación separados por una distancia "l" (entre centroides) debe ser:

(2.3) 2grad)( σ≥=∆ YllY Según la teoría de errores:

N

Cvo =σ

N: Número de observaciones Cv: Coeficiente de variación Teniendo en cuenta lo anterior se obtiene que el área de gradiente debe ser:

( ) (2.4) 2grad

228grad

Y

YA ooσ

≥

Donde: Yo - Norma de Escorrentía Agrad - Area aferente necesaria para que el incremento de "Y" garantice que el gradiente esta fuera del margen de error de la medición gradY - gradiente de Y

2.3.2.2 CRITERIO CORRELATIVO Hasta el momento se ha definido la distancia (área) mínima que debe existir entre dos nodos de observación, pero es necesario determinar, también, que tanto se pueden alejar los puntos de observación uno del otro para mantener gradualmente y en forma discreta la continuidad del proceso. Es la aplicación del criterio correlativo la que define la distancia máxima que puede existir entre nodos de observación para que no se pierda la memoria (continuidad) del proceso. El criterio correlativo se apoya en el correlograma, del cual se obtiene el radio correlativo “Lo” que representa la distancia a la cual se pierde todo tipo de comunicación entre las estaciones y también considera el error máximo de interpolación entre dos puntos de observación. Teniendo en cuenta esos dos factores la expresión para el cálculo del área correlativa es la siguiente: Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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(2.5) 42

40

vCavacoorrelatiA

σ≤

Donde: Acorrelativa - Area correlativa después de la cual se pierde la conexión estadística entre estaciones Cv - Coeficiente de Variación d "Y" a=1/Lo; Lo- Radio Correlativo (distancia a la cual la correlación entre estaciones tiende a "0") σO -Desviación estándar de "Y"

2.3.2.3 CRITERIO DE REPRESENTATIVIDAD La estaciones de régimen general se ocupan de el seguimiento de variables que dependen solo del régimen hidroclimático y que no se ven afectados por factores locales; la escorrentía de cuencas pequeñas, por lo regular presenta anomalías locales debido a la falta de una profundidad de disección completa que les permita drenar completamente el acuífero subyacente y a otros factores microclimáticos y orográficos. La determinación del área representativa, depende de la variable en estudio. Para el caso de la escorrentía se debe considerar la variación de ésta con respecto al área; esta dependencia Y=f(A) formula una primera aproximación de los umbrales de representatividad que se ven por medio de la construcción del gráfico 2.3:

Gráfico 2.3

En este gráfico se establece un umbral de A1 hasta A2, en esta zona se ubican los nodos de medición que realmente están reflejando el régimen general, las estaciones que tienen áreas aferentes menores que A1 reflejan realmente anomalías locales y por lo tanto para la representación del régimen general no son de utilidad. Esto nos indica que el área representativa debe ser mayor Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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que A1, pero no basta con este análisis, es necesario, convocar el conocimiento a priori de las condiciones hidroclimáticas, geológicas, hidrogeologicas, de cobertura vegetal y suelos para corregir este umbral. Como vemos establecer el área representativa se convierte en una tarea que exige un buen conocimiento de campo y donde resulta muy conveniente vincular profesionales locales que realmente conozcan las particularidades de su región.

2.3.3 RELACIÓN GENERAL DE LOS CRITERIOS DE OPTIMIZACIÓN PARA ESTACIONES DE RÉGIMEN GENERAL Después de obtener el desarrollo criterial es necesario establecer las reglas para la designación del área optima, con su correspondiente densidad de estaciones de régimen general. El área optima que debe cubrir cada estación de régimen general, en la mayoría de los casos se determina por la siguiente relación:

(2.6) grasen vaAcorrelatioptimadientetativarepre AAA ≤≤≤ De aquí se obtiene que el número optimo de nodos N será igual a:

(2.7) cuenca la de Área

optimaNnodos A=

En la práctica también pueden presentarse los siguientes casos:

a) Caso 1 Acorrelativa>Agradiente>Arepresentativa Agradiente>Acorrelativa>Arepresentativa Acorrelativa>Arepresentativa>Agradiente Agradiente>Arepresentativa>Acorrelativa En esta situación el área optima es igual a: Aoptima=(Acorrelativa+Agradiente)/2

b) Caso 2 Arepresentativa>Acorrelativa>Agradiente Arepresentetiva>Agradiente>Acorrelativa En esta situación se debe tomar: Aoptima=Arepresentativa Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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2.3.4 FORMULACIÓN DE CRITERIOS PARA ESTACIONES DE RÉGIMEN ESPECÍFICO Una red integral debe contener estaciones de régimen especifico, orientadas a suministrar información de régimen particular de alta resolución. Esto plantea la necesidad de un seguimiento espacial más denso. La particularidad de los objetivos que se persigue alcanzar con una red de referencia específica obliga a diseñar, para cada caso en especial, una estrategia de optimización muy puntual y dependiente de la investigación en curso. A continuación se presenta un esquema de diseño para redes específicas basado en la teoría de cuenca Hortoniana. Sin querer postular estos criterios como axiomas generales, es muy clara su objetividad en cuanto al diseño de redes especificas orientadas a obtener información para estudios de balances hídricos de alta resolución, que suministran la base para una administración del recurso hídrico con mayor detalle. El esquema propuesto, permite, definir el número de afluentes a considerar en los nodos de observación, a partir del número de orden de la cuenca en estudio y tomando en consideración grado de precisión con que se quiere estudiar el proceso. Esto quiere decir que a partir de la configuración espacial de la cuenca y del error sistemático de la tecnología de medición es posible definir una densidad adecuada para que la red hidrológica de soporte a estudios de alta resolución o de administración detallada. Teniendo en cuenta la configuración espacial de la red hidrográfica a través de la primera ley de Horton se puede obtener el número de la cuenca que se expresa como:

n=2.2log(Qn)+6.35 (2.8) donde: n – número de orden de la cuenca Qn – Caudal promedio de la cuenca Dado que sería imposible ubicar estaciones en absolutamente todos los afluentes de un río es necesario limitar las estaciones a aquellas corrientes que aportan al cauce principal de la cuenca un determinado porcentaje de su caudal. Usualmente ese porcentaje debe ser mayor que el porcentaje de error sistemático de la tecnología de aforo. Para este efecto es necesario combinar la primera ley de Horton con su segunda ley que se define por la expresión: Sk= rbn-k-1(rb-1) (2.9) Donde Sk es el número de afluentes de orden “k” que aportan un flujo al cauce principal mayor que el error de medición del caudal y rb es la relación de bifurcación


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Como se puede observar, este par de formulaciones nos señalan cuantos afluentes de orden "k" que aportan al río principal un porcentaje de caudal mayor que el porcentaje de error sistemático σ con


que se realizan los aforos. Realmente estos indicadores no nos señalan en cual corriente colocar o no la estación, pero esa decisión depende de la importancia de una u otra corriente en el consumo de los asentamientos aledaños. Si observamos el numero total de puestos de medición en la red como compuesto por estaciones de régimen general y de régimen específico entonces tendremos que el numero total de estaciones "NT" debe ser igual a:

NT=NRG+NRE +NP ≈(ΝRG+ΝRE)∗(1+ α) (2.10)

Donde: NT - Número total de estaciones NRG - Número optimo de estaciones de régimen general NRE- Número de estaciones de régimen específico NP - Número de estaciones en pequeñas corrientes de interés prioritario α - Porcentaje de estaciones en pequeñas corrientes de interés prioritario (α=0.15...0.30).

2.4. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DEL PUNTO DE OBSERVACION La decisión final sobre cual punto físico escoger para la instalación de estaciones hidrológicas debe tomarse teniendo en cuenta: Las especificaciones del programa de medición y sus objetivos; La metodología de reconstrucción de hidrogramas anuales a partir de curvas de gasto; Las condiciones de accesibilidad y la disponibilidad de observadores de campo; El acceso a medios de comunicación; El primer item es intuitivo, el puesto de la estación debe ser adecuado para el programa de mediciones diseñado y para cumplir los objetivos planteados por la organización que instala la estación. Los factores siguientes son obvia consecuencia del primero, a su vez, el cumplimiento del segundo es de alta prioridad ya que de este depende que los hidrogramas anuales, construidos con base en la información de la estación sean lo suficientemente exactos para cumplir los objetivos de este punto de medición y su programa. Para darle cumplimiento al segundo item es necesario que el punto de medición cumpla con las siguientes especificaciones:


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El régimen de niveles del punto de medición debe ser característico para el tramo en que se ubicará la estación;

•

•

• •

• •

•

•

• •

•

•

El tramo de río, donde se ubicará la estación, debe ser recto. La longitud del tramo debe ser equivalente a cinco veces el ancho de la sección en periodo de estiaje, el ancho de la sección, y en lo posible su forma, deben ser uniformes a lo largo del trayecto seleccionado; El tramo y la sección donde se ubicara la estación deben ser estables; En lo posible la sección debe ser de forma regular, sin planicie de inundación (o que el flujo de la corriente no se salga del lecho principal) y estar libre de vegetación acuática; El punto de medición no puede estar afectado por fenómenos de remanso; En el trayecto donde se ubicará la estación no deben existir bocatomas ni vertimientos (a menos que el objetivo de la estación sea controlar a la magnitud de los mismos); En zonas montañosas es necesario, además, que la estación se ubique en el sector con menor turbulencia y donde no exista la presencia o transporte de rocas o fragmentos de rocas grandes. Si aguas abajo del tramo seleccionado para la instalación de una estación existe una obra hidráulica o circunstancias naturales que generen remanso es necesario verificar que la ubicación del punto de medición se encuentre fuera del radio de influencia del remanso.

Si se incumple con alguna o algunas de estas condiciones, es necesario tener en cuenta cual/cuales y tomarlas en consideración al elegir los métodos de construcción de las curvas H=f(Q) y de su respectiva metodología de generación de caudales. La selección del punto de medición debe estar documentada con los criterios que se tomen en consideración para su elección así como con los materiales de la prospección de campo para la selección del punto más adecuado. Entre los materiales de campo se debe contar con:

Planos topográficos del tramo de corriente seleccionado y de su respectivo entorno; Georeferenciación del punto de instalación con coordenadas X,Y,Z" dentro del Sistema Geodésico Nacional; Batimetría del tramo seleccionado y perfiles (nivelados con alta precisión) de sus secciones características; Fotografías de las secciones características del tramo.

Los factores tres y cuatro garantizan la continuidad del registro y de las acciones de operación y mantenimiento de la nueva estación. En caso de que estos no se cumplan, pero aún así la estación sea necesaria, se debe buscar alternativas como la instalación de estaciones automáticas con sistema de almacenamiento de datos y/o transmisión de los mismos por canales de comunicación no convencionales (vía satélite, Telemetría terrestre (VHF), Transmisión radial por reflexión en la ionosfera, radio, etc.) a la central de acopio de datos más cercana.


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2.5 EJERCICIO PRACTICO: "DISEÑO DE UNA RED HIDROLÓGICA"

2.5.1 ESTACIONES DE RÉGIMEN GENERAL a) Criterio del gradiente

Expresión de cálculo:

)(gradY)

8 202

20gradiente ( YA σ≥

gradY=1600 mm/150 Kms2 =10.7 mm/Kms2

Promedio multianual de escorrentía Yo= 1200 mm Error:

10.0200.3/ 0 ===NCvσ

Aplicación:

( ) ( ) 222

2

202

20 ms 1006)1200(

(10.7)

)10.0(*8

(gradY)8

gradiente kYA =≥≥σ

Resultado: Agradiente = 1006 Kms2

b) Criterio correlativo Expresión de cálculo:

42

40

vCavacoorrelatiA

σ≤


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a=1/Lo; Lo=160 Kms entonces a=1/160 Kms Aplicación:

42

40

vCavacoorrelatiA

σ≤ 2kms 310

4)3.0(2)0063.0(

4)10.0(=≤

Resultado: Acorrelativa= 310 Kms2

c) Criterio de Representatividad El área representativa según la la relación Y=f(A) es igual a 700 Kms2

Pero según las características fisiográficas de la cuenca se puede considerar que esta es en realidad de 500 kms2 Arepresentativa=500 Kms2

d) Relación General de los Criterios de Optimización Para el caso en estudio se cumple la siguiente relación: Agradiente>Arepresentativa>Acorrelativa 1006 Kms2 > 500 Kms2 > 310 Kms2 ⇒ Aoptima=(Acorrelativa+Agradiente)/2=658 kms2 Para finalizar el cálculo, encontramos el número óptimo de nodos de observación:

optima

cuenca la de reanodos

AA

N =

Para nuestro caso:

odos 8658

5176 NNnodos ≅=

2.5.2 ESTACIONES DE RÉGIMEN ESPECÍFICO El objetivo directo de esta parte del ejercicio es determinar el número optimo de nodos de observación para establecer una red de referencia para estudios de alta resolución. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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El primer paso consiste en definir el número de orden de la cuenca para la zona en estudio; para lograr este objetivo utilizamos la primera ley de Horton: n = 2.2log(Qn)+6.35 Para este ejemplo el caudal promedio multianual Qn es igual 200 m3/s; de esta manera aplicando la primera ley de Horton se obtiene: n = 2.2log(200)+6.35 ≈12 n ≈ 12 Utilizando ahora la segunda ley de Horton se establece el número de orden de los afluentes que presentan interés para el análisis en curso. Para estudios de alta resolución, es necesario considerar aquellos afluentes que aportan al cauce principal caudales de magnitud mayor que el error de medición sistemático. Para nuestro ejemplo se supone que la tecnología de medición cuenta con una precisión "�" del ±10 %. Esto quiere decir que se debe tener en cuenta afluentes que aporten más de 20 m3/s al cause principal. De lo contrario obtendremos una red sobredimensionada, costosa y poco eficiente. De acuerdo con lo anterior es necesario considerar los afluentes del orden: k = 2.2log(Qσ)+6.35 =2.2log(20)+6.35 = 9 k = 9 El número final de nodos de observación según la segunda ley de Horton es: Sk= rbn-k-1(rb-1) = 312-9-1(3) = 18 Resultado final:

NT=NRG+NRE +NP ≈(ΝRG+ΝRE)∗(1+ α)

NRG = Nnodos= 8 NRE=SK=18 α=0.15

NT=(8+18)(1+0.15) ≈ 30 Densidad final de diseño ≈ 173 kms2/estación


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2.6 CONCLUSIONES El diseño de redes hidrológicas es una tarea integral donde se combinan muchos elementos del conocimiento teorico y práctico. Cada diseño tiene sus particularidades y por ende es imposible generar un manual de diseño para todos los posibles casos. El primer ladrillo para el diseño de redes hidrológicas es el conocimiento del medio físico en que se desarrollan los procesos que nos interesa estudiar, lo que inevitablemente debe ir ligado al entorno socio económico en el que se quiere desarrollar el diseño. Las bases criteriales presentadas son tangibles y cuentan con la base informática necesaria para ser aplicados en el territorio colombiano, usando como base la red de referencia del IDEAM, se puede emprender el diseño de redes regionales que generen información de alta resolución para una administración detallada del recurso hídrico. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.

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BIBLIOGRAFIA DOMINGUEZ CALLE, Efraín y NIÑO ROMERO, Raúl. Criterios Fisico Economicos para la Optimizacion de la Red de Referencia. Santa Fe de Bogotá: IDEAM, 1998. GUEVARA PEREZ, Edilberto. Diseño de Redes Hidrometeorológicas Aplicación a la Cuenca del río Caura. COPLANARNH:Caracas, SF.SP. KARASIOV I., F.. Trudi GGI - Voprosi Pazmishenia Sieti y Obosnovania Metodiki Guidrometricheskij Rabot. Leningrado: Guidrometeoizdat, 1968. Vol 164, pp. 164. En ruso. KARASIOV I., F.. Richnaya Guidrometria y Uchiot Vodnij Resursov. Leningrado: Guidrometeoizdat, 1980. pp. 310. En ruso. MOSS M.,E.. Concepts and Techniques in Hydrological Network Design. Ginebra: WMO. 1982, Operational Hydrology Report No 19, 30p. OVCHAROV E.,E. y ZAJAROVSKAYA N.. Guidrologuia y Guidrometria. Leningrado: Guidrometeoizdat, 1986.SP. En ruso. PABON, José Daniel y otros. Red de Observaciones, Mediciones y de Vigilancia del Medio Ambiente Nacional: Historia, Diagnóstico y Proyecciones,Santa Fe de Bogotá: IDEAM, 1996. Nota Técnica METEO/002-96. PABON, José Daniel y otros. Base Conceptual del Diseño de una Red de Observación de la Hidrosfera y de la Atmósfera para Colombia. Santa Fe de Bogotá: IDEAM, 1997. Nota Técnica METEO/003-97. WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION. Proceedings of Internatonal Workshop on Network Design practices Koblenz: WMO, SP.


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INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES SUBDIRECCION DE HIDROLOGIA

INTRODUCCION

La información sobre el medio natural y su interacción con las actividades sociales y económicas son una base fundamental para apoyar la formulación de políticas, la planificación del desarrollo y la gestión ambiental. Todo orientado hacia el desarrollo sostenible. La estructuración y puesta en marcha del Sistema de Información Ambiental, tanto el nodo central como el del Ministerio del Medio Ambiente y los regionales, permitirá obtener, procesar, accesar y usar la información en forma eficiente y oportuna para la toma de decisiones, la conservación del recurso hídrico en el país y sus regiones y el uso sostenible actual y futuro, para el abastecimiento de la población, la agricultura, la industria, producción de energía, entre otros. Con este documento que incluye la síntesis y compilación de documentos correspondientes al componente hidrológico del Sistema de Información Ambiental que desarrolla el IDEAM, se pretende avanzar en la integración y homologación del nodo central con los nodos del Ministerio del Medio Ambiente y de las regiones, dando a conocer el marco conceptual que ha determinado la construcción y puesta en marcha del componente agua del nodo central, las metodologías, estándares básicos y formatos que se utilizan en los procesos que determinen información básica. Desde el diseño de la red de observaciones y medición, la obtención , transmisión, asimilación, procesamiento y análisis de datos e información hasta llegar a los productos básicos, incluyendo el control de calidad en todo el proceso.

El documento comprende 7 capítulos. El primero presenta el marco conceptual, los objetivos y las variables básicas del componente hidrológico del Sistema de Información Ambiental e incluye los principales indicadores relacionados con el estado, dinámica y sostenibilidad del recurso agua. El segundo hace referencia a los criterios y metodología para establecer el diseño y optimizar la red de monitoreo y sistema de medición de las variables básicas. El tercer capítulo presenta lo relacionado con la hidrometría: instrumentación, estándares y métodos de medición, formatos de captura y calculo. Incluyendo la georreferenciación e hidrotopografía. El capítulo cuarto desarrolla el procesamiento y control de la calidad para obtención de la información hidrológica básica. Incluye las metodologías para la construcción de las curvas de calibración y la obtención de niveles, caudales, concentración y transporte de sedimentos en suspensión y los diferentes niveles de agregación de los datos, horarios, diarios, mensuales, anuales y extremos. El capítulo quinto y en el marco del modelo del flujo subsuperficial y subterráneo, incluye las variables y parámetros básicos, las metodologías para la medición y cálculo, los estándares y formatos de captura.



Teniendo en cuenta la importancia y necesidad de desarrollar herramientas que permitan avanzar a nivel nacional y regional en la predicción y alertas hidrológicas y en la determinación de las zonas de mayor riesgo por inundación se incluye el capítulo sexto que además del marco conceptual presenta una metodología para la determinación de las zonas susceptibles a inundación y la elaboración de mapas de amenazas. Por último el capítulo séptimo presenta el marco conceptual y la metodología para el desarrollo del Estudio Nacional del Agua, que incluye además de la oferta y disponibilidad de agua, la estimación de la demanda y las relaciones de sostenibilidad del recurso hídrico en el país.



1. MODELO CONCEPTUAL, VARIABLES E INDICADORES BASICOS

Basado en la conceptualización que se ha desarrollado en el IDEAM y que está consignada en los documentos y notas técnicas que ha elaborado, en particular el documento técnico “ Modelo Conceptual de los Componentes Hidrológico, Oceanográfico, Meteorológico y Climatológico del Sistema de Información Ambiental “ a continuación se presenta una síntesis de la base conceptual que rige el componente hidrológico, en el marco del modelo integral ambiental, que en esencia es la representación de los procesos naturales sobre el espacio y el tiempo y la interrelación de estos procesos con los procesos sociales y económicos que actúan en el medio natural. En este capítulo se presenta la base conceptual, las variables y los principales indicadores que hacen parte del componente hidrológico de este sistema de información. Considerando que un modelo de información ambiental y particularmente desde la óptica del componente agua debería representar de manera integral la hidrosfera y su relación con las diferentes esferas del medio natural (su estado, procesos e interacciones), se identifica la información básica y las principales relaciones con la atmósfera, biosfera y litosfera . El componente hidrológico del sistema de información ambiental en el IDEAM, apoya la misión de poner a disposición de la comunidad la información y los conocimientos, sobre los procesos naturales que gobiernan el ciclo hidrológico y su interacción con los procesos socioeconómicos, como base fundamental en la definición de políticas, planificación y toma de decisiones para lograr el desarrollo sostenible, mejorar la calidad de vida de la población y el progreso del país.

1.1 OBJETIVOS DEL COMPONENTE HIDROLOGICO DEL SISTEMA El componente hidrológico del sistema de información será la herramienta básica para dar cumplimiento a objeticos como: Incrementar el patrimonio cultural con nuevos conocimientos acerca de los procesos naturales que involucran el agua, su relación con otros elementos del medio natural y su efecto en diferentes sectores de la actividad nacional y de estos sobre el recurso. Con información y conocimiernto cada vez mas preciso sobre el origen, la distribución espacial y temporal, la dinámica, la calidad y la disponibilidad del agua en el país. Propender por la propagación del conocimiento y metodologías propias de la disciplina hacia otras áreas del saber, por la asimilación de estos conocimientos y metodologías para lograr la interpretación y simulación del del medio natural en forma sistémica. Divulgar los conocimientos obtenidos en el área de la hidrología de tal manera que encuentren aplicación práctica en la vida de los colombianos.



Apoyar las acciones tendientes a optimizar los procesos de producción nacional de bienes y servicios y a garantizar el intercambio nacional e internacional de los mismos, para lograr un alto nivel competitivo. Generar la información y el conocimiento sobre el recurso hídrico, oportunos y de calidad que permitan reducir el impacto económico y social de los fenómenos naturales adversos y las variaciones en el régimen hidrológico, particularmente los relacionados con desbordamientos, inundaciones, sequías y contaminación. Orientar a la comunidad nacional sobre la mejor utilización de los recursos hídricos y sus condiciones, de los procesos hidrológicos para contribuir al bienestar de la población. Servir de apoyo para el logro de los objetivos de carácter global de los organismos y programas internacionales como: el Programa de Hidrología y Recursos hídricos de la Organización Meteorológica Mundial, el Programa Hidrológico Internacional de la UNESCO, La Red Interamericana de Recursos Hídricos de la OEA, el Plan Ambiental del Caribe, las Comisiones Técnicas Binacionales sobre las cuencas hidrográficas compartidas con los países vecinos, entre otros.

1.2. EL MARCO CONCEPTUAL La actividad humana se desarrolla en el medio natural, que incluye la atmósfera, la hidrosfera [aguas continentales, océano y criosfera (casquetes polares, glaciares de montaña, cobertura de nieve)], la biósfera y la litosfera, por ello hay una estrecha relación sociedad-naturaleza que tiene la particularidad de ser de mutua interacción. Para lograr el objetivo de un desarrollo armonioso con la naturaleza la sociedad debe conocer los procesos naturales, estar enterada del comportamiento de los mismos, estar preparada ante la influencia de estos en las diferentes esferas de actividad humana, conocer la respuesta del medio natural a la influencia humana y controlar esta influencia. Por tal razón la sociedad se ve obligada a conocer, observar y en la medida de lo posible, prever el estado y la dinámica del medio natural. Dentro del concepto de un desarrollo sostenible que se ha ido afianzando durante los últimos años, esta necesidad es aún mayor.1 ( Pabón, García y otros, 1996) En la interacción entre estas esferas se dan procesos como el intercambio y balance de energía, el ciclo hidrológico, el ciclo de gases y el ciclo de nutrientes y se generan estados complejos como el tiempo y el clima. Sobre estos procesos tiene gran influencia la esfera de la actividad humana que se puede denominar antropósfera Los complejos procesos naturales físicos, químicos y biológicos resultantes de la interacción entre las diferentes esferas( hidrosfera, atmósfera, litosfera, biósfera y antropósfera) y que forman parte integral de ciclo hidrológico, son la base para avanzar en el conocimiento y producción de


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información que permita interpretar estos procesos. Las dinámicas, el estado, la cuantificación y calidad del recurso hídrico en el país, teniendo en cuenta su variación tanto espacial como temporal, los cambios globales en el medio natural y la incidencia de las diferentes actividades humanas son el modelo que sirve de base para el estudio del medio ambiente desde la óptica de la hidrología. El marco conceptual sobre el cual se construye el Componente Hidrológico del Sistema de Información Ambiental se fundamenta en la representación de los procesos básicos que integran las fases del CICLO HIDROLOGICO (Figura 1.1). Este Ciclo y el balance de agua son el modelo básico y principal instrumento que nos permite entender el funcionamiento del sistema hídrico y las relaciones entre el Océano el Continente y la Atmósfera. Para lograr la representación de estos procesos se dispone de las variables hidrológicas y de las de otras áreas temáticas como meteorológicas, cobertura vegetal, estructura geológica, suelos, etc, necesarias para poder llevar a cabo esta representación.

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Subres

NTE: Organización Metorológica Mundial

sociedad debe entonces conocer el estado y dinámica de los procesos que se desarrollan en el dio natural. No obstante, resulta imposible el cubrimiento integro de los procesos naturales ya que os ocurren continuamente a través del tiempo sobre un espacio tridimensional como función tinua de estos atributos. Por ello, se acude a tomar en determinados puntos del espacio y del po algunos elementos indicadores básicos que nos den indicios sobre el estado (físico, químico

iológico) y la dinámica del medio natural. Las observaciones y las mediciones en el tiempo y en espacio dan una valoración cualitativa o cuantitativa de estos elementos la cual se conoce como riable. Estas variables permiten representar los procesos como funciones continuas o discretas re coordenadas de referencia o de alguna otra manera, es decir construir modelos. Con la

oración de los elementos se logra el conocimiento sobre la naturaleza y es posible el seguimiento la simulación de sus procesos. Por ello, las variables relacionadas con tales elementos, erenciadas sobre el tiempo y el espacio, son la base de cualquier sistema de información del

dirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos ervados.


medio natural.1 (Pabón, García y otros 1996) La definición de los elementos y las variables correspondientes que permitan de una manera básica representar los complejos procesos resultantes de la interacción de las diferentes esferas que se llevan a cabo en el marco del ciclo hidrológico, no es tarea fácil, debido a la dinámica tan compleja de estos procesos y la variación tanto en el tiempo como en el espacio de las características físicas, biológicas y de la composición química del agua. Parte del agua que llega a la superficie se mueve por esta como escurrimiento superficial, otra parte se infiltra moviéndose a través del suelo y quedando en parte retenido en él por la acción de las fuerzas de capilaridad. Del agua que no es retenida una parte escurre en forma subsuperficial y a la otra por la acción de la gravedad, percola por la zona no saturada mas profundamente hasta alcanzar ya sea una capa impermeable o el nivel freático en la zona saturada formando así el escurrimiento subterráneo. Estos tres escurrimientos unidos a la precipitación directa sobre el cauce conforman la escorrentía que integra el sistema hídrico superficial y alimenta los diferentes almacenamientos y drenajes. Una fase fundamental de este ciclo es la que tiene que ver más directamente con la acción de la radiación solar, la evaporación ya sea del agua contenida en los océanos, en los lagos, embalses y en general en las aguas superficiales o el agua interceptada por la vegetación y la que contiene el suelo. En el presente trabajo se identifican los elementos y las variables básicas que se deben tomar en cuenta para representar el estado y los procesos de la hidrósfera, así como su interacción con otras esferas. El propósito final es dar un marco conceptual para la estructuración y puesta en marcha del componente hidrológico de un sistema de información ambiental, concretando así cuales elementos se observan o miden, se procesan y se almacenan. para obtener información que permita conocer en las fases del ciclo hidrológico anteriormente mencionadas, las características físicas, la composición química y la dinámica de los procesos naturales que ocurren en la hidrósfera, parte continental.

1.3 VARIABLES Y PARAMETROS BASICOS Para la representación básica es necesario contar con un mínimo de variables. Aquellas variables que permiten esta representación básica las denominaremos variables fundamentales. Esta últimas pueden ser obtenidas a través de la medición u observación directa y por medio de estimaciones o cálculos; de esta manera las variables fundamentales podrían dividirse en básicas (medidas directamente) y sintéticas (derivadas a partir de las variables medidas). De otro lado, para complementar o detallar la representación de los procesos en el medio natural, se usan variables


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adicionales las cuales, en adelante se citarán como variables complementarias. En esta propuesta, dependiendo del aspecto que se desea representar, hablaremos de variables del estado físico, variables de composición química y variables sobre la dinámica. De igual manera, se debe considerar el estrecho acoplamiento y la interacción entre las diferentes esferas para lograr representar los procesos de una manera más real. Por esta razón se debe tomar en cuenta elementos que informen sobre la continuidad de los procesos en la interfase de las diferentes esferas. Esto se logra incluyendo las que se podrían llamar variables de interacción.1 (Pabón, García y otros 1996) Una consideración esencial en la definición de los componentes del sistema de información ambiental que nos ocupan esta relacionada con la referenciación de las variables en tiempo y en espacio. Debido a que el estado y los procesos de la hidrósfera se desarrollan a través del tiempo sobre un espacio tridimensional las variables deben estar referenciadas en el tiempo y en el espacio. Con esto se hace énfasis en un modelo centrado en el tiempo y en el espacio para las observaciones y mediciones, para el almacenamiento y para el procesamiento de la información. Resulta importante también tener en cuenta que los procesos se desarrollan en diversas escalas espacio-temporales y que, por lo tanto, es necesario definir la frecuencia espacio-temporal de las mediciones u observaciones. A continuación se presentan los elementos y las variables que conformarían la información básica para representar la hidrósfera con sus procesos y fenómenos. Tomando como base para la interpretación los procesos del ciclo hidrológico que tiene lugar desde que el agua precipitada en sus diferentes formas alcanza los continentes y después de su paso por el medio natural a través de la red de drenaje superficial y subterráneo, alcanza los océanos, se deterinan las varíables básicas que permiten representar el estado, la composición y la dinámica del agua, en el marco de las diferentes procesos que hacen parte del ciclo del agua. Son estos procesos: precipitación; intercepció(retención foliar) ; evaporación; tranpiración; escurrimiento superficial, subsuperficial y subterráneo; infiltración; percolación; escorrentía y cambios en almacenamientos. Las principales variables que representan el estado de la hidródfera son: el nivel de agua ( cuerpos lénticos y lóticos), el caudal y la escorrentía, el volúmen de los almacenamientos, el nivel piezométrico y el nivel freático, gradiente hidráulico, concentración y transporte de sedimentos , diámetro de las partículas y peso específico del sedimento y temperatura del agua. Las variables que permiten conocer sobre la dinámica son: velocidad de infiltración, conductividad hidráulica, velocidad de la corriente y la transmisividad. Para lograr la representación completa se debe contar con las variables de: precipitación, evaporación y evapotranspiración, retención foliar, índices de vegetación, contenido de humedad y de textura y estructura del suelo, capacidad de infiltración Como complemento importante se requieren las características geométricas de las secciones transversales y perfiles longitudinales, las características fisiográficas y morfométricas de las cuencas y las caracacterísticas geológicas y fisiográficas de los acuíferos.


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Las principales variables que permiten juzgar sobre la composición del agua son: el pH, la conductividad eléctrica, el oxígeno disuelto ( OD), la demanda bioquímica de oxígeno DBO, la demanda química de oxígeno DQO y los sólidos suspendidos totales SST. Los capítulos subsiguientes de este documento desarrollan los protocolos para el diseño de las redes de obsevación, de los sistemas de muestreo, procesamiento de datos, control de calidad de los mismos y análisis de la información básica relacionada con las variables y parámetros mencionadas.

1.4 INDICADORES BASICOS DEL ESTADO, DINAMICA Y SOSTENIBILIDAD DEL RECURSO HIDRICO

Teniendo como marco conceptual los procesos del ciclo del agua y el balance de agua en el medio natural, para entender el funcionamiento del sistema hídrico y lograr por aproximaciones sucesivas la representación de estos procesos y sus alteraciones producidas por los fenómenos y procesos naturales, por las actividades sociales y económicas, por los eventos naturales extremos y los cambios globales. Siendo de particular importancia la relación entre la oferta natural del recurso hídrico, con base en su variación espacio-temporal y la presión y alteración que se ejerce por el uso y consumo asociado a las actividades sociales y económicas. La ley de conservación de la materia y la energía permite establecer el balance de agua para un período y una región determinada. El balance entre flujo acumulado de entradas de agua con el flujo acumulado de salidas y los cambios de almacenamiento permiten cuantificar y evaluar la variación en cantidad de los componentes del ciclo hidrológico. La calidad del agua va inevitablemente asociada a la cantidad, lo mismo que la energía va asociada a la materia y que la asociación materia-energía nos permite acercarnos a la calidad del agua y comprobar cómo el ciclo hidrológico se encuentra regido por la ley de la entropía en todos sus cambios de estado. Todos estos estados del agua se sitúan en un "campo de gradientes de potencia" que va descendiendo hasta llegar al mar, donde alcanza su máximo nivel de entropía, que la radiación solar invierte mediante su elevación y pérdida de sustancias disueltas o diluidas por evaporación. Así la energía libre o utilizable (denominada también exergía) que contiene una determinada masa o volumen de agua nos puede informar directamente sobre su calidad1 (Cuentas del agua en España, 1996). Reconociendo como usos dominantes en cantidad que compiten entre sí al agrícola, consumo humano e hidroenergético, la medida de la calidad "natural" de agua con base en la evaluación energética (potencia hidráulica y potencia osmótica) es escenario base, que puede complementarse con valoraciones del agua en composición y propiedades adecuadas para cada uno de los usos que se definan, o análisis de contaminantes específicos. La cuantificación de la calidad en este proceso da lugar a un sistema contable permanentemente desequilibrado, en el cual la cantidad de energía


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libre asociada al volumen de entrada, siempre será mayor que la de salida, aunque pueden ocurrir mejoras parciales a lo largo del proceso. La potencia hidráulica y osmótica también puede asociarse con la posibilidad de "fabricar" agua con una calidad deseada desde otra calidad inferior a partir de la tecnología disponible. De acuerdo con el modelo conceptual presentado anteriormente y con la necesidad de disponer de indices que nos permitan en forma sistemática conocer, interpretar y evaluar la oferta y disponibilidad del medio natural, particularmente el recurso agua y tomar medidas que orienten la formulación de políticas ambientales y sectoriales, la planificación del desarrollo y la gestión ambiental se ha iniciado el proceso de establecer algunos indicadores guias. Con base en la información obtenida de la red de observación hidrometeorológica y ambiental y los resultados de las investigaciones en estos mismos campos temáticos, se han establecido indicadores básicos sobre las condiciones del estado, dinámica y alteración del recurso agua en el país. Estos índices sobre la variación tanto espacial como temporal de la oferta de agua y calidad del recurso hídrico superficial y subterráneo, sobre la disponibilidad de agua teniendo en cuenta los usos y demandas permiten establecer el estado y tendencia del recurso hídrico y determinan el grado de alteración debido a los usos y a los cambios climáticos y ambientales globales que afectan la cantidad, la calidad y la distribución de agua en el país y en las diferentes regiones.

1.4.1 INDICE DE ARIDEZ (Balance Hídrico) Como resultado del balance hídrico se estima el índice de aridez referido a la característica del clima que muestra en mayor o menor grado la insuficiencia de los volúmenes precipitados para mantener la vegetación y que representa el mayor o menor grado de variación de estos volúmenes y que suele llamarse “déficit de agua”. Permite estimar la disponibilidad espacial del recurso hídrico, de acuerdo con las características de las regiones, desde altamente deficitarias de agua hasta aquellas con excedentes importantes. Basado en la relación entre la diferencia de la evapotranspiración potencial y la real con la potencial. La escorrentía superficial, uno de los principales componentes del ciclo hidrológico, expresada en mm, es un indicador tangible del estado y dinámica del recurso hídrico de una región. Si bien el valor mismo de escorrentía nos puede reflejar claramente cuando, donde y en que cantidad disponemos del recurso hídrico, es necesario un análisis adicional para establecer alteraciones con respecto a una línea base. Para tener una idea más clara de las variaciones del proceso se analiza la ciclicidad de la escorrentía, basados en las curvas de diferencias integrales y las funciones de auto correlación. Con este análisis, junto con el coeficiente de variación se determina con mayor precisión las tendencias oscilatorias de corto y largo plazo propias de las series específicas representativas de las regiones. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


1.4.2 INDICES DE ESTADO Y ALTERACIÓN DE LA ESCORRENTÍA Se determina como índice de estado la escorrentía per se y como índice de alteración, en termino de porcentajes, la diferencia de la escorrentía con respecto a sus valores multianuales, con el previo filtro de la variación intrínseca de la serie de caudales. Los resultados de los índices permiten determinar los volúmenes disponibles, su variación y distribución porcentual por cuencas, subcuencas, departamentos, municipios, etc. Como se puede ver ambos índices son cuantitativos. Como complemento un poco el índice de estado de la escorrentía se pueden establecer rangos con el objetivo de clasificarla en función de las condiciones naturales y presiones por uso. Estos rangos se establecen con respecto a la densidad de población, estándar de vida y teniendo en cuenta factores de cobertura vegetal, grado de urbanización de la cuenca, espejos de agua presentes y características morfométricas de la cuenca.

1.4.3 INDICE DE DISPONIBILIDAD EFECTIVA DEL RECURSO HÍDRICO Es un indicador que representa cuantitativamente la disponibilidad real del recurso hídrico en metros cúbicos por habitante (m³/h) teniendo en cuenta la reducción en la oferta por calidad y caudal ecológico para el sostenimiento de los ecosistemas, Espacial (Territorio Nacional, Unidad Geográfica o Cuenca) temporalmente ( Día, mes o año). El volumen anual, mensual o diario se obtiene de la Escorrentía, componente básico del balance hídrico o de la estimación de los caudales mediante modelos Lluvia - Caudal. El factor de Reducción (fr) es estimado, teniendo en cuenta el caudal ecológico y la afectación de la calidad del agua. Para este factor se consideran factores para los diferentes usos. Con la ponderación de los diferentes factores se obtiene el factor de reducción que afecta el volumen de la Escorrentía.

1.4.4 INDICE DE ALMACENAMIENTO Y VARIACIÓN DEL VOLUMEN EN LOS CUERPOS DE AGUA La riqueza hídrica colombiana también se manifiesta por la favorable condición de almacenamiento superficial representada por la existencia de cuerpos de agua lénticos, distribuidos en buena parte de la superficie total y por la presencia de enormes extensiones de humedales. Estos volúmenes de agua que interactúan en el balance hídrico nacional, se pueden medir permanentemente a través de indicadores básicos de cantidad y de calidad. El volumen total promedio de los almacenamientos ( representados estos en lagunas, ciénagas, embalses y pantanos), interviene directamente en el balance hídrico como indicaores de estado, pudiéndose conocer la variación anual de estos volumenes almacenados en el país, en las cuencas hidrográficas, en los municipios y departamentos, o en cualquier unidad espacial de análisis. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


La variación del almacenamiento de los diferentes cuerpos de agua para las épocas secas y húmedas del año hidrológico, con base en la información hidrológica y batimétrica, a partir de la interpretación de imágenes de satélite, fotografías aéreas y modelo digital de terreno disponible. Con base en esta información se hace el análisis intertemporal de los espejos de agua y se determina el porcentaje de expansión y contracción del espejo de agua.

1.4.5 INDICE DE AFECTACIÓN POR CALIDAD SOBRE EL RECURSO HÍDRICO SUPERFICIAL Si bien existe una amplia gama de parámetros que incluye las características organolépticas del agua así como otros tanto físicos como químicos, estos en general por sí mismos no constituyen indicador de calidad del recurso, por cuanto las fuentes que originan su presencia en el agua son tan disímiles y variadas que es muy difícil asociarlos unívocamente a un tipo de presión. Para lograr un conocimiento de la relación entre la presión ejercida sobre el recurso y estos parámetros, se requiere formular a priori el marco de referencia bajo el cual se origina la presencia y magnitud de uno u otro parámetro. Lo anterior se fundamenta en la necesidad de conocer la concentración base que existe en una corriente de agua para un componente específico y solo después de esto definir los escenarios de alteración por desarrollo de las diversas actividades socioeconómicas. Para abordar la afectación de la calidad del recurso hídrico inicialmente se trabaja en el desarrollo de tres índices básicos: de afectación para aprovechamiento específicos, afectación en cuerpos de agua y tramos de corrientes y presión por vertimientos. Para establecer el índice de afectación para aprovechamientos específicos se consideran como variables básicas de calidad de agua la temperatura, el pH, la conductividad eléctrica, el oxígeno disuelto, la DBO y la DQO, pero es necesario tomar en cuenta que la reglamentación vigente en Colombia en cuanto a criterios de calidad para la destinación del recurso hídrico hace explícitos los requerimientos en cuanto a color, turbiedad y coliformes. Se puede iniciar los análisis sobre afectación para aprovechamientos específicos con los primeros parámetros y evaluar a partir de los datos de los muestreos un porcentaje aproximado de tiempo en el cual no se cumplió la norma y la magnitud de este exceso o déficit que condiciona los tratamientos a utilizar para garantizar un uso específico del recurso. Sobre la base del Potencial de asimilación de un curso de agua, definido por las condiciones propias de la corriente en un punto determinado, considerando los factores hidroclimáticos en los cuales se destaca de una parte la ubicación geográfica que determina variables como temperatura y humedad y de otra parte la caracterización hidrológica en la cual se consideran variables como área de drenaje, caudal, velocidad y oscilación del nivel así como características del estiaje en términos de duración del mismo e inclusive la condición de cauce seco acorde con la posibilidad de corrientes permanentes o intermitentes. Para establecer el índice de afectación por calidad en tramos de corrientes, se evalúa la variación de los parámetros básicos de calidad para estaciones de muestreo sucesivas y se determina la influencia por tramos de corriente. Esto permite calificar la disponibilidad general de Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


agua en el río según las normas de concentración para los diferentes usos. En principio se propone evaluar las condiciones de calidad aguas arriba de los sitios de captación de acueductos municipales; reconociendo como uso prioritario del recurso el abastecimiento para consumo a la población. Con base en la evaluación del potencial de asimilación de los ríos y quebradas y tomando como escenario la longitud de mezcla para determinados componentes a partir de la ubicación de vertimientos específicos que cuenten con caracterización de los mismos, en principio aplicable a los vertimientos municipales, se puede evaluar el índice de presión por vertimientos y delimitar zonas de influencia a lo largo de la corriente receptora del vertimiento.

1.4.6 INDICE DE ESTADO Y ALTERACIÓN DE LA PRODUCCIÓN Y TRANSPORTE DE SEDIMENTOS Se consideran inicialmente dos índices: el Indice del estado y variación de la concentración de sedimentos y el Indice de producción de sedimentos en cuencas Una forma de conocer el comportamiento de los sedimentos en los cauces fluviales, es regionalizar la distribución de los sedimentos a lo largo de las corrientes con relación a sus áreas aferentes, con los valores de concentración media (sólidos en suspensión/ unidad de solución) como parámetro de referencia para su caracterización. El índice de variación de concentración de sedimentos se estimará a partir de la información histórica sobre el comportamiento de los sedimentos. Para un cauce se establecen los promedios representativos a nivel mensual de la concentración para cada uno de los estados de aguas altas, medias y bajas. Comparando los valores representativos en los diferentes estados de agua (altas, medias y bajas) de cada región con las variaciones de la concentración mensual y anual de sedimentos se establecen las alteraciones en su comportamiento. Las concentraciones en las corrientes reflejan las condiciones de sus cuencas aferentes en cuanto a cobertura vegetal, usos del suelo e intensidad de la lluvias. Se pueden establecer indicativos para cuencas relativamente grandes, regiones o para el país con los siguientes rangos en mgrs/ Litro: Como indicador de los procesos de degradación de una cuenca se pueden establecer las alteraciones a partir de la concentración y transporte de sedimentos en el cause principal de un canal natural. El transporte de sedimentos por un río puede clasificarse atendiendo dos criterios: según el modo de transporte y según el origen del material. Según el modo de transporte el sedimento puede ser transportado en suspensión, sostenido por la turbulencia del flujo, o bien por el fondo rodando, deslizando o saltando. Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


Según el origen, la carga de sedimentos proviene del cauce y de la cuenca hidrográfica. El sedimento que proviene de la cuenca es un material muy fino llamado material de lavado, este material es transportado siempre en suspensión, por lo que el modo de transporte es suspensión suma material de los dos orígenes distintos. Un criterio práctico para separar un origen del otro es el tamaño de partículas D=63 micras. El material inferior a este procede mayoritariamente del lavado de la cuenca mientras que el superior procede del lecho del cauce. De esta manera se puede establecer un índice de producción de sedimentos en la cuenca, con base en la información histórica de los volúmenes de materiales finos en suspensión a partir de los porcentajes deducidos de la curva granulométrica en tamaños menores a 63 micras. Con estos se establecen los promedios para cada uno de los períodos húmedos, secos y de transición de cada año.

1.4.7 INDICES SOBRE EL ESTADO Y VARIACIÓN DE LOS ALMACENAMIENTOS DE AGUA SUBTERRÁNEA Inicialmente se han definido tres índices: de variación de reservas, de recarga anual y de afectación de la calidad para aprovechamiento específicos. Con base en el modelo sobre los procesos que determinan el flujo de aguas subterráneas en las unidades hidrogeológicas se cuantifican las reservas estáticas y dinámicas y se establecen indicadores sobre la oferta, disponibilidad y la calidad del agua subterránea en el país y las regiones que lo conforman. La determinación de la variación espacio temporal de los índices de cantidad que se proponen se basa en la cuantificación de los parámetros físicos e hidráulicos de los acuíferos tales como su área o extensión, el espesor, la infiltración o recarga, la transmisividad, coeficientes de almacenamientos, porosidad y el gradiente hidráulico el cual a su vez incluye los datos de variación de niveles estáticos y/o dinámicos (freáticos o piezométricos) en pozos, aljibes, piezometros o pozos de observación que captan las unidades acuíferas. Los indicadores de la calidad y cantidad del agua subterránea permiten obtener, analizar y generar información de los niveles pasados, del estado actual y las tendencia a corto, mediano y largo plazo de la sostenibilidad del recurso en relación directa con otros factores que afecten o modifiquen el ciclo hidrológico. Los índices de cantidad de las aguas subterráneas permiten conocer las variaciones espaciales y temporales en el volumen almacenado en las unidades acuíferas, así como las reservas o volúmenes dinámicos que están relacionados dentro del ciclo hidrológico con el flujo de agua subterránea en medios porosos, el cual puede ser modificado por factores externos tales como regímenes de explotación, cambios climáticos extremos que modifican la recarga o infiltración a través de los suelos, recarga artificial, deforestación, uso del suelo.



1.4.8 INDICE DE VARIACIÓN DE RESERVAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS. Este índice se genera a partir de la relación entre las variables que permiten conocer las reservas o volúmenes estáticos almacenados en los acuíferos: área o extensión del acuífero , espesor y la porosidad . A partir de la relación entre las variables que permiten conocer las reservas o volúmenes dinámicos en unidades acuíferas libres, semiconfinadas y confinadas: la transmisividad, la conductividad hidráulica, el ancho del acuífero, el coeficiente de almacenamiento y su gradiente hidráulico se establece el índice de variación de reservas dinámicas.

Indice de recarga anual

Las variables del ciclo hidrológico que involucran la cuantificación de la infiltración o recarga a través de los suelos al igual que el flujo base o agua subterránea dentro del ciclo hidrológico se pueden estimar a través del balance de humedad del suelo, o de la descomposición de hidrogramas en los flujos de agua superficial, subsuperficial y subterránea. La recarga o infiltración periódica ( anual, mensual, etc) se estima con base en la ecuación general del balance hídrico que involucra el calculo de otras variables como la precipitación, las entradas naturales o antrópicas a la cuenca, la evapotranspiración, la escorrentía superficial , subsuperficial, subterránea, los cambios de humedad del suelo, los cambios de almacenamientos y un porcentaje de error en el calculo involucrado en el calculo de las variables anteriores. Adicionalmente el índice de recarga de los acuíferos permitirán estimar y relacionar numerosos aspectos que incluyen entre otros la sobre explotación de las unidades acuíferas a una rata mucho mayor a la recarga natural que pueda reemplazarla. Los efectos relacionados con este desbalance se pueden apreciar físicamente por el drenaje de acuíferos, subsidencia de los suelos y también la generación de problemas relacionados al manejo del agua.

Indice de variación de los niveles freáticos ( tabla de agua ) o piezométricos Las mediciones periódicas de la tabla de agua de acuíferos libres o las variaciones de los niveles piezometricos para acuíferos confinados en las unidades de gran importancia hidrogeológicas del país permite definir un índice de variación de los niveles anteriores con respecto a un nivel base de referencia ( espacial y temporal), a partir del cual se establecerán correlaciones con otras variables del ciclo hidrológico como la precipitación promedio neta efectiva, la recarga o infiltración y las variaciones en los almacenamientos estáticos y dinámicos ; cambios climáticos en periodos de tiempo largos, regímenes de explotación del recurso, e implementación de medidas de manejo, uso y aprovechamiento del recurso hídrico subterráneo. Indices de calidad del recurso hídrico subterráneo. El agua subterránea en Colombia se utiliza para diferentes usos tales como abastecimiento de agua potable para diferentes municipios, riego de diferentes tipos de cultivos, para abrevadero en granjas Subdirección de Hidrología. Documento preliminar. Prohibida su reproducción total o parcial. Derechos reservados.


y fincas y para las diferentes tipos de industrias que lo requieran. El agua subterránea requiere entonces cumplir con ciertos requisitos de acuerdo a su composición química, propiedades físicas y el contenido de materia orgánica que cumplan las normas de calidad para consumo humano y para diferentes usos. Los propósitos y objetivos de los índices de calidad del agua subterránea y su monitoreo son los de determinar las variaciones en las propiedades físicas, químicas y biológicas del agua subterránea, identificar los efectos espaciales y temporales de procesos naturales y de las actividades humanas sobre los sistemas hidrogeológicos, prevenir los cambios sobre la calidad del agua e informar para que oriente la toma de decisiones, para mitigar o eliminar la contaminación en aguas ya contaminadas. Las normas de calidad o límites máximos permisibles para consumo humano están reglamentadas en el Decreto 473 del 10 de Marzo de 1998 del Ministerio de Salud. La comparación de los resultados de análisis químicos de las aguas subterráneas en cualquier punto de abastecimiento de agua subterránea (pozo, aljibe o manantial) con las normas establecidas para potabilidad de agua permitirá establecer su aptitud para consumo humano.

1.4.9 INDICADORES DE SOSTENIBILIDAD DEL RECURSO HÍDRICO1 (ENA) Con base en la información sobre oferta y disponibilidad hídrica, sobre el uso y demanda de agua para los diferentes sectores y las condiciones del medio natural que favorecen o no la regulación hídrica se establecen tres índices que se determinan para diferentes unidades de análisis y diferentes condiciones climáticas (medias, secas y húmedas). Son estos índices: Indice de escasez, Indice de presión de la demanda sobre la oferta en grandes unidades hidrográficas e Indices de vulnerabilidad.. Para evaluar la relación que existe entre la oferta hídrica disponible y las condiciones de demanda predominantes en una unidad de análisis seleccionada, se considera la clasificación citada por Naciones Unidas en la cual se expresa la relación entre aprovechamientos hídricos como un porcentaje de la disponibilidad de agua. En esta relación cuando los aprovechamientos representan más de la mitad de la oferta disponible se alcanza la condición más crítica. Para las cuencas del país y otras unidades de análisis como los municipios y áreas que surten de agua las cabeceras municipales, se determinó el Indice de Escasez (relación demanda sobre oferta en porcentaje), agrupado en 5 categorías que va desde no significativa hasta muy alta (> de 50%). Si bien estos índices dan cuenta de los niveles de abundancia o escasez, relacionando la oferta específica con la demanda correspondiente, debe tenerse en cuenta que el abastecimiento de agua para los diferentes usos involucra aspectos como el almacenamiento y transporte del recurso hídrico.


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Para las grandes cuencas y regiones, dada la magnitud de los componentes, se establece un indicativo de la presión de la demanda sobre la oferta Indice de presión, que corresponde al índice de escasez amplificado en 100.000 unidades, con 7 categorías, desde mínima (< 49) hasta muy alta ( > 4000). Adicionalmente se estima un indicador de la vulnerabilidad por disponibilidad de agua basada en las condiciones de capacidad de regulación hídrica y la relación demanda/oferta. Para condiciones mínimas de regulación hídrica (muy baja y baja) e índices demanda/oferta máximos (alto y medio alto) se establece la mayor vulnerabilidad. Una vulnerabilidad alta resulta al tener condiciones de regulación hídrica baja y muy baja con índices demanda/oferta de medios a mínimos; igualmente si existe moderada regulación y prevalecen condiciones medias altas y altas para la relación demanda/oferta; además para condiciones de alta y muy alta regulación que se encuentran sometidas a relaciones demanda/oferta medias altas y bajas. Cuando la regulación hídrica es baja o muy baja y se conjugan condiciones demanda oferta mínimas y no significativas, el efecto es vulnerabilidad media, al igual que sí se presenta regulación hídrica moderada y alta bajo la acción de índices demanda-oferta con máximo medio alto. La más baja vulnerabilidad corresponde a regulaciones hídrica altas y muy altas para las cuales la relación demanda/oferta es mínima o no significativa.



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