INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
UNIDAD ZACATENCO
ASESOR: ING. RAÚL MANJARREZ ANGELES
MÉXICO D.F. MARZO DEL 2005
“ANÁLISIS HIDRÁULICO DE DRENAJE SUPERFICIAL DE LA REFINERÍA DE
SALINA CRUZ OAXACA”
T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: I N G E N I E R O C I V I L P R E S E N T A:
CARLOS ALBERTO HERNÁNDEZ ORTIZ
INDICE
ANÁLISIS HIDRÁULICO DE DRENAJE SUPERFICIAL DE LA REFINERÍA DE SALINA CRUZ, OAXACA.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
1.1. INTRODUCCIÓN 1.1.2. JUSTIFICACIÓN 1.1.3. OBJETIVO 1.2. ANTECEDENTES 1.3. DESCRIPCIÓN DEL SITIO DE ANÁLISIS 1.4. SITUACIÓN GEOGRÁFICA 1.5. VÏAS DE COMUNICACIÓN 1.6. CLIMATOLOGÍA 1.6.1. CONDICIONES CLIMATOLÓGICAS 1.6.2. TEMPERATURA 1.6.3. PRECIPITACIÓN 1.7. TIPO DE SUELO 1.8. REGIONALIZACIÓN SÍSMICA. 1.9. EVENTOS CLIMATOLÓGICOS EXTREMOS EN LA ZONA
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
2.1. DESCRIPCIÓN DE FLUJO 2.1.1. TIPOS DE FLUJO 2.1.2. ESTADO DE FLUJO 2.2. CLASES DE CANALES ABIERTOS. 2.2.1. GEOMETRÍA DE CANAL 2.2.2. ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UNA SECCIÓN DE UN CANAL. 2.2.3. DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES. 2.3. DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL 2.4. CANALES COMUNES QUE MUESTRAN DIFERENTES VALORES DE “n” 2.5. VALORES PARA EL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
3.1. DEFINICIÓN Y OBJETIVO DE LA HIDROLOGÍA 3.1.1. REGIONES HIDROLÓGICAS 21 y 22 3.2. CICLO HIDROLÓGICO 3.3. HIDROGRAFÍA 3.4. RELACION LLUVIA ESCURRIMIENTO 3.4.1. MÉTODO DE LAS ENVOLVENTES. 3.4.2. LA FÓRMULA RACIONAL 3.5.PRECIPITACIÓN EN LA ZONA DE ANÁLISIS 3.5.1.PERÍODO DE RETORNO 3.5.2. COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO EN LA ZONA 3.6. NÚMERO DE ESCURRIMIENTO Y TIEMPOS PARCIALES EN LA ZONA
1
2 4 5 6 7131517182022272931
34
35374144475052545863
65
66687082848697 102 105 108 113
INDICE
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRÁULICO
4. DISEÑO HIDRÁULICO DE CANALES 4.1. DISEÑO DE CANALES CON FLUJO UNIFORME 4.1.1.CANALES NO EROSIONABLES 4.1.2.MATERIAL Y REVESTIMIENTOS NO EROSIONABLES 4.1.3. VELOCIDAD MÍNIMA PERMISIBLE 4.1.4. PENDIENTE DE UN CANAL 4.1.5. BORDO LIBRE 4.2. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 4.3. PROPUESTA DE SECCIÓN TRANSVERSAL DE CANAL COLECTOR 4.4. CÁLCULO DEL DIÁMETRO EN LAS TUBERÍAS DE DRENAJE 4.5. LOCALIZACIÓN DE CANALES
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
119
120 122 122 123 124 124 126 127 131 144 146
147
150
153
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
1
CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
2
1.1 INTRODUCCIÓN
En el siglo pasado, Salina Cruz pasó, de ser una aldea de pescadores a un puerto
de altura con dimensiones industriales, que hoy se puede observar en su
infraestructura portuaria y en su planta de refinación (PEMEX).
Desde la llegada de los conquistadores al dominio indígena, la ubicación de este
puerto sirvió de zona altamente privilegiada para la Colonia, a tal grado que
Hernán Cortés planificó el lugar diseñando en ella los avances de un proyecto que
nunca dio a conocer, sabiendo que justo en ese entonces se fraguaba una
conspiración en su contra desde la Península Ibérica.
Después de ese suceso, el puerto de Salina Cruz esperó tres siglos más para
situar el proyecto juarista de la compañía ferroviaria "Leussiana" que nunca
concluyó la obra. Sin embargo, décadas más tarde, Don Porfirio Díaz encomendó
a la compañía inglesa "Pearson and Son LTD", la construcción del puerto,
planeación urbana del lugar y terminal ferroviaria.
La refinería que se localiza en Salina Cruz , estado de Oaxaca fue el resultado de
un minucioso estudio socioeconómico, tomando en cuenta los factores inherentes
que el proyecto ameritaba para la construcción.
Conforme a la Infraestructura de la zona se cuenta con las instalaciones del
puerto de Salina Cruz, los servicios municipales y vías de comunicación en la
Región del Istmo de Tehuantepec, con el resto del país.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
3
De acuerdo con el programa de desarrollo regional, el área de Salina Cruz,
adolece de centros de trabajo, específicamente del centro industrial , con la
finalidad de atender las necesidades del acelerado crecimiento demográfico.
Y los más importante es la comunicación directa con el Litoral del pacifico, que
permite el abastecimiento de energéticos, suficientes para cubrir la demanda del
mercado tanto Nacional como Internacional.
La refinería “Ing. Antonio Do valí Jaime” consta de todos los procesos necesarios
para la obtención de los productos finales para consumo nacional y exportación
en la calidad que se quieren en el mercado.
En 1975, se inicio la constricción de la Refinería y de acuerdo con el programa
antes establecido, este centro industrial se conformo en tres etapas de
construcción.
A principios de 1978 con el arranque de la planta primaria y servicios
correspondientes. En está primera etapa la Refinería procesa Crudo Cretácico
provenientes de los campos de Samaria, Sitio Grande y Cactus.
En la segunda etapa de la Refinería provee un aumento en el proceso de 470,000
BPD (Barriles Por Día) con la finalidad de atender las necesidades Nacionales en
el Océano Pacífico.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.1.2 JUSTIFICACIÓN
La ingeniería de canales abiertos es una de las ramas de la ingeniería Civil, esta
es muy importante para la elaboración de proyectos y para la canalización de
aguas de lluvia.
En los últimos años han venido desarrollándose con rapidez proyectos de recursos
hidráulicos y trabajos de ingeniería hidráulica en todo el mundo.
Los principales tipos de conductos a superficie libre son:
Canales, corrientes naturales y conductos cerrados parcialmente llenos.
El diseño de los canales, como el de cualquier obra de Ingeniería Civil, debe
considerarse diversos aspectos además del estrictamente hidráulico. La seguridad
es generalmente la condición primera a cumplir (en su caso); la eficiencia y la
economía de las restantes más comunes, intervienen factores tales como los
siguientes:
a) El medio físico: topografía, hidrología, geología, características mecánicas del
suelo y climatología.
b) Uso al que se destinará el canal o sistema de canales; si servirá para riego, se
considera entre otras las características agronómicas.
c) Si el canal será revestido; en caso negativo, las características del suelo donde
será excavado (en relación con la infiltración, la estabilidad de taludes y la
susceptibilidad a socavación o deposito) y las del líquido a transportar, (respecto
al transporte de sedimentos).
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
5
1.1.3 OBJETIVO
El objetivo primordial de este trabajo es lograr la canalización de las aguas de
lluvia por medio del canal colector y el canal 1 para evitar que las instalaciones de
la refinería sufran inundaciones y dichas instalaciones se deterioren, debido a
esto se realizaron estudio climatológicos e hidrológicos para obtener los datos con
los cuales se procedió a diseñar los dos canales para que estos resulten
eficientes cuando sean requeridos.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.2 ANTECEDENTES.
Se analiza el problema de las inundaciones, partiendo de una perspectiva
histórica que, en esencia, muestra que el problema ha sido recurrente desde la
época de los aztecas, que siempre se ha buscado una solución que no implique
detener el crecimiento de la urbanización, pero que también es cierto que las
"soluciones" no han sido preventivas, sino que se han desarrollado después de
que se presentan inundaciones catastróficas.
El problema de las inundaciones es añejo y, en correspondencia, añeja ha sido la
capacidad de los ingenieros para encontrar soluciones al respecto.
Debido a esto se analiza la problemática que sufre la Refinería ya que la
temporada de lluvia comienza a partir del mes de Junio y finaliza en el mes de
Octubre la Refinería “Ing. Antonio Do valí Jaime” sufre el problema particular de
inundaciones, las cuales afectan a las instalaciones de dicha refinería.
En virtud de toda está problemática que ocasiona a las instalaciones de la
Refinería, las aportaciones pluviales provenientes de las zonas aledañas a las
mismas, es necesario canalizar dichos escurrimientos de tal manera que estos
puedan ser conducidos libremente al zanjón, como cuerpo receptor sin provocar
daños como inundaciones ò deslaves.
La solución que se propone es a base de canales abiertos mediante los cuales se
pueden colectar tanto los escurrimientos provenientes del exterior como los
propios de las áreas por las que atraviesan estas.
Dichos canales van a tener la función de solucionar la problemática por
contingencia que cada año sufre la refinería en las épocas de lluvia.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.3 DESCRIPCION DEL SITIO DE ANALISIS
El área donde fue construida la Refinería, es de clima tropical y el terreno es de
llanura formada con materiales aluviales y lacustres procedentes de gravas,
arenas y arcillas de edad cuaternaria, que cubren las rocas sedimentarias
preexistentes en el subsuelo y cuyos espesores son variables hasta una
profundidad de 100 metros.
Los terrenos se encuentran comprendidos dentro de los ejidos del Boca del Río,
Salina Cruz, San José del Palmar y San Pedro Huilotepec, sobre un total de 800
hectáreas localizadas entre Santo Domingo Tehuantepec y el Puerto de Salina
Cruz.
La creciente demanda de combustóleo, destilados y gas licuado en la zona del
pacífico, así como la disponibilidad de la materia prima suficiente, dieron origen a
la necesidad de construir la Refinaría “Ing. Antonio Do valí Jaime” en la
jurisdicción de la zona sur, en el municipio de Salina Cruz, Oax., inaugurada
oficialmente en abril de 1979. Esta Refinería que tiene como objetivo primordial
elaborar los productos destilados y residuales para abastecer el consumo del
litoral del pacífico, cuenta además con la infraestructura de almacenamiento para
la exportación de petróleo crudo para algunos países de oriente
La refinería se encuentra localizada en una superficie total de 600 hectáreas,
distante a cinco kilómetros al noreste de la ciudad y puerto de Salina Cruz.
El municipio de Salina Cruz se ubica sobre la costa del Océano Pacífico, en una
latitud norte 16º09”30” y longitud oeste 95º1”30” y está catalogado como puerto
de altura y gran cabotaje.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
8
La Refinería “Ing. Antonio Do valí Jaime” de salina Cruz, Oax. está integrada por
plantas de proceso, en las cuales se llevan a cabo procesos primarios y
secundarios hasta la obtención de productos derivados del petróleo.
La capacidad instalada en la Primera Etapa es de 170,000 BPD (Barriles Por Día)
de crudo, teniendo la flexibilidad de poder procesar Petróleo Crudo tipo Cretácico
100% o mezcla de crudos tipo Cretácico / marino 50/50 % Vol..
Este centro industrial cuenta con todos los servicios necesarios para su
funcionamiento, los cuales son proporcionados Por la Planta de Servicios
auxiliares, la cual también esta programada para aumentar su capacidad
conforme aumenta la capacidad de procesamiento de Petróleo Crudo en segunda
y tercera etapa.
Esta planta cuenta con equipos de gran capacidad para la generación de vapor y
energía eléctrica por lo cual la Refinería es autosuficiente , cuenta además con
servicios externos de energía eléctrica proporcionados por la Comisión Federal de
Electricidad .
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
9
FIGURA 1.1 FOTOGRAFÍA AÉREA DEL SÍTIO DE ANÁLISIS
(REFINERÍA ING. ANTONIO DO VALI JAIME)
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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FIGURA 1.2 FOTOGRAFÍA AÉREA DEL SÍTIO DE ANÁLISIS
(REFINERÍA ING. ANTONIO DO VALI JAIME)
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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FIGURA 1.3. FOTOGRAFÍA AÉREA DEL SITIO DE ANÁLISIS
(REFINERÍA ING. ANTONIO DO VALI JAIME)
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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FIGURA 1.4. CARTA TOPOGRÁFICA DE SALINA CRUZ OAXACA
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.4 SITUACIÓN GEOGRÁFICA
La Refinería “Ing. Antonio Do valí Jaime” se encuentra localizado al noroeste de la
Ciudad y Puerto de Salina Cruz, en el estado de Oaxaca, ubicada en la parte norte
del Golfo de Tehuantepec, en el Océano Pacífico en situación geográfica latitud
norte 16° 9.6’ longitud oeste 95° 12.2’ y una altitud de 7.00 m sobre el nivel del
mar, cuenta con una superficie aproximada de 800 Has., se localiza a 6 Km., de
la Ciudad de salina Cruz, en los terrenos que pertenecieron a los ejidos de “Boca
del Rió”, “San José del Palmar “ y Salina Cruz.
El área de estudio se encuentra en el sureste del país, dentro de los paralelos
16°04'30'' y 16°52'3'', de latitud norte y los meridianos 94°15'00'' y 95°24'30''
de longitud este (Fig. 1.5).
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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FIGURA 1.5 PLANO DE SITUACIÓN GEOGRÁFICA
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
15
1.5. VÍAS DE COMUNICACIÓN.
CARRETERAS. Salina Cruz Oax. Es terminal de la carretera transismica que la
unen con la ciudad y puerto de Coatzacoalcos, Ver., entroncada con la carretera
costera a Huatulco. Existen también carreteras secundarias y caminos vecinales
para los principales poblados del estado de Oaxaca.
FERROCARRÍLES. Los ferrocarriles nacionales extienden su servicio hasta el
recinto portuario, con espuelas y ramales a los muelles e instalaciones de
Petróleos Mexicanos. Hay un servicio regular diario de carga y pasaje de Salina
Cruz a Coatzacoalcos, Veracruz.
LÍNEAS DE NAVEGACIÓN AÉREA. Salina Cruz Oax. no cuenta con línea aérea
comercial, sin embargo los puntos de enlace por este medio de transporte con el
D.F. pueden hacerse en CD. Iztepec, Oax. y Sta. Cruz Huatulco Oax., Localizada a
40 min. y 2 hrs. respectivamente de Salina Cruz Oax. por carretera.
Cabe mencionar que en Salina Cruz existe un pequeño campo de aviación , apto
para avionetas y bimotores exclusivamente.
TRANSPORTES MARÍTIMOS. Para el transporte marítimo de altura existen líneas
navieras que afectan el tráfico entre Salina Cruz y los puertos mexicanos del
pacífico. Líneas navieras extranjeras llegan y salen en Salina Cruz con itinerarios
diversos.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
16
FIGURA 1.6 PLANO DE VÍAS DE COMUNICACIÓN
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.6.1 CONDICIONES CLIMATOLÓGICAS.
De acuerdo con el sistema de clasificación climática de Köppen, modificado por
García (1970), en la zona costera sur del Istmo de Tehuantepec (Fig1.7) se
presentan los siguientes subtipos de climas cálidos y semicálidos: Awo(w)ig:
cálido húmedo (temperatura media del mes más frío mayor de 18°C), el más
seco de los cálidos subhúmedos con lluvias de verano, con un cociente P/T
(precipitación total anual en mm sobre temperatura media anual en °C) menor de
43.2, un porcentaje de lluvia invernal menor de 5 de la anual, isotermal (en
cuanto a la oscilación anual de las temperaturas medias mensuales), oscilación
menor de 5°C con el mes más caliente antes de junio. Aw1(w)(i')g: Intermedio en
cuanto a grado de humedad entre el más seco de los cálidos subhúmedos, un
porcentaje de lluvia invernal menor de 5 de la anual, con poca oscilación(entre 5°
y 7°C) en cuanto a la oscilación anual de las temperaturas medias mensuales,
pero en partes esta zona es isotermal, con el mes más caliente antes de junio.
Aw2(w)ig: El más húmedo de los cálidos subhúmedos, con lluvias en verano,
cociente P/T mayor de 55.3, un porcentaje de lluvia invernal menor de 5 de la
anual, isotermal, con el mes más caliente antes de junio. (A)C(w2)(w)ig:
Semicálido, el más cálido de los templados húmedos, con temperatura media
anual mayor de 18°C y la del mes más frío menor de 18°C, porcentaje de lluvia
invernal menor de 5 de la anual, con verano fresco largo, temperatura media del
mes más caliente entre 6.5°C y 22°C, isotermal, con el mes mas caliente antes
de junio.
(A)C(fm)(i')g: Semicálido, el más cálido de los templados húmedos, con
temperatura media anual mayor de 18°C y la del mes más frío menor de 18°C,
con lluvias todo el año, por ciento de lluvia invernal con respecto a la anual
menor de 18, con poca oscilación anual de las temperaturas medias mensuales,
entre 5° y 7°C, con el mes más caliente antes de junio.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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FIGURA 1.7 TIPO DE CLIMA EN LA ZONA DE ESTUDIO
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.6.2 TEMPERATURA EN LA ZONA DE ESTUDIO
En el área de estudio el clima es tropical lluvioso con lluvias en verano. La
temperatura en todos los meses es superior a 18°C y la precipitación es superior
a 750 mm.
El clima que predomina es secosemicálido con variaciones en algunas regiones
de semicálido sub.húmedo y templado sub.húmedo, considerando el dato
anterior del clima, la temperatura varía de 17.1°C y los 26.2°C, siendo el régimen
de lluvias en los meses de Junio a Septiembre, adelantándose en algunas
ocasiones en los municipios donde predomina el clima templadosubhúmedo en
los meses de Abril y Mayo; teniendo una precipitación pluvial que va de los 460.8
a los 2,454.8 m 3 . En base a lo anterior se concluye que el clima es tropical con
temperatura media de 30°C, la temporada de lluvia principia en el mes de Junio y
termina en el de Octubre, los vientos del norte soplan de Octubre a Marzo.
Temperatura.
Es la medida del movimiento molecular o el grado de calor de una sustancia. Se
mide usando una escala arbitraria a partir del cero absoluto, donde las moléculas
en teoría dejan de moverse. También se considera como el grado de calor y de
frío.
Temperatura Fahrenheit (Grados Fahrenheit F).
Es una escala de temperatura donde el agua a nivel del mar tiene un punto de
congelación de +32 grados F (Fahrenheit) y un punto de ebullición de
+212grados F. Es un término común en áreas que usan el sistema inglés de
medidas. Fue creado por Gabriel Daniel Fahrenheit (16961736) en 1714, un
físico alemán inventor de los termómetros de alcohol y mercurio.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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FIGURA 1.8 GRÁFICAS DE TEMPERATURA
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.6.3. PRECIPITACIÓN
El promedio de la precipitación en México es de 777 mm anuales y su distribución
es muy irregular. Para dar una idea, más de la mitad del territorio mexicano
localizado al norte y en el altiplano recibe sólo el 9% de la precipitación media
anual, pero concentra al 75% de la población del país, al 70% del PIB (actividad
industrial) y al 40% de las tierras agrícolas de temporal. En tanto, casi el 70% de
la precipitación anual se da en el sureste de México, donde vive el 24% de la
población y la industria es Incipiente, excepto la relacionada con el petróleo. En
general, las lluvias se acotan a un periodo restringido que pocas veces se
extiende más allá de Junio a Septiembre.
Con respecto a la altitud hay también desequilibrios considerables. El 85% del
volumen almacenado en más de 4 mil estructuras de control de distribución y el
suministro de agua se localiza a no más de 500 metros sobre el nivel del mar. Sin
embargo, el 75% de la población vive a una mayor elevación.
Distribución Geográfica del Agua en México
Territorio Precipitación Población
Actividad
Industrial
(PIB)
Tierras
Agrícolas
de
temporal
Elevación
Promedio
(msnm)
Altiplano,
Norte y
Noreste
9 % 75 % 70 % 40 % > 500
Sur y
Sureste 70 % 20 % Incipiente 20 % < 500
Fuente: Elaboración CESPEDES. Datos CNA
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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Todo ello dificulta el aprovechamiento del agua. Los cortos periodos de lluvias y
las sequías prolongadas obligan a almacenarla en infraestructura adicional para
su manejo. Por fortuna, el agua subterránea contenida en los mantos acuíferos
del país tiene una amplia distribución geográfica, aunque es un recurso agotable
y en algunos lugares se localiza a gran profundidad.
Balance Nacional del Agua
Oferta
México recibe 1,570 km 3 de agua por precipitación y pierde por evaporación
1,064 km 3 , lo que establece la oferta de agua a nivel nacional en 473 km 3 . Fluyen
por cauces y vasos superficiales 410 km 3 y el resto recarga a través de mantos
acuíferos (63 km 3 ).
Demanda
En 1995 se usaron 163 km 3 de aguas superficiales (40% del total disponible) y 24
km 3 de subterráneas (38% del total de recarga), lo que aproxima la demanda
nacional a 190 km 3 anuales.
LLUVIA. Convencionalmente se mide la cantidad de lluvia que cae sobre un
lugar determinado de la superficie de la tierra, suponiendo que el suelo fuese lo
suficientemente impermeable y plano para impedir que el agua corriera o se
infiltrara, por el almacenamiento producido, cuyo espesor medido en milímetros,
expresa la cantidad de agua caída en un período preciso, que puede ser día mes o
año.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
24
Uniendo puntos geográficos que tienen igual cantidad de lluvia, se trazan unas
líneas conocidas con el nombre de isoyetas, las que permiten observar
gráficamente la distribución de la lluvia en la superficie de la tierra.
En Ingeniería Civil se recurre a diversos métodos de medición, para determinar la
cantidad de lluvia que se precipita en determinado lugar. Entre estos métodos
podemos mencionar los estudios de meteorología sin embargo estos no son de
gran utilidad para predecir la probabilidad, magnitud y extensión de la lluvia, con
excepción de cuando faltan registros adecuados y el ingeniero no tiene otra guía.
Otros métodos consisten en la utilización de dispositivos básicos para medir la
precipitación, conocidos con el nombre de pluviómetros.
Clasificación de la precipitación:
Precipitación Conectiva
Precipitación Ciclónica
Precipitación Ortográfica
Después de enunciar los tipos de precipitación, procedemos a explicar en que
consiste cada uno de ellos.
Precipitación Conectiva. La precipitación conectiva es causada por el ascenso del
aire cálido más liviano que el aire frió de los alrededores. Las diferencias en las
temperaturas pueden ser el resultado del calentamiento diferencial en la
superficie, de enfriamiento diferencial en la parte superior de la capa de aire o
ascensos mecánicos cuando el aire es forzado a pasar sobre una masa de aire
más fría o más densa o sobre una barrera montañosa.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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Precipitación Ciclónica. La precipitación ciclónica resulta del levantamiento de
aire, que converge en un área de baja presión o ciclón. La precipitación ciclónica
puede dividirse como frontal o no frontal. La precipitación frontal resulta del
levantamiento del aire cálido a un lado de una superficie frontal sobre aire más
denso y frío.
Precipitación Orográfica. La precipitación orografía resulta del ascenso mecánico
del aire sobre una cadena montañosa. La influencia orográfica es tan marcada en
terreno quebrado que los patrones de las tormentas tienden a parecerse a
aquellos de la precipitación media anual.
Precipitación. Partículas de agua líquidas o sólidas que caen desde la atmósfera
hacia la superficie terrestre.
Precipitación Continua. Se dice que la precipitación es continua, cuando su
intensidad aumenta o disminuye gradualmente.
Precipitación Intermitente. La precipitación es intermitente cuando se
interrumpe y recomienza cuando menos una vez en el lapso de una hora y su
intensidad disminuye o aumenta gradualmente.
Precipitación Potencial. Cantidad de agua expresada como un volumen o como
una masa que puede obtenerse si el vapor de agua en una columna de aire en la
atmósfera se condensa y precipita.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.6.4 EVAPORACIÓN
Cambio de fase del agua de un estado líquido a sólido por absorción de calor se le
denomina evaporación. Se produce una circulación que va de los cuerpos de agua
hacia la atmósfera. A mayor evaporación la atmósfera estará más húmeda
llegando mas rápido a un estado de saturación, lo que eleva la probabilidad de
precipitaciones.
Dado que la mayor parte del estado de Oaxaca tiene una superficie agrícola
predominantemente de temporal, es evidente que uno de los factores limitativos
de la agricultura en la entidad es la disponibilidad del agua. De ahí que resulta
necesario estimar la cantidad de agua perdida por las plantas durante su ciclo
vegetativo, para compararla con la lluvia recibida, a fin de efectuar un balance
hídrico en cualquier región.
La evapotranspiración es la combinación de procesos de evaporación del agua y
transpiración de las plantas y animales por medio de la cuál el agua es transferida
a la atmósfera desde la superficie terrestre.
En relación a este parámetro se puede decir que los valores son mayores a 100
mm sobre las partes bajas de la vertiente hacia el Golfo de México. En cambio en
la costa del Pacífico se presentan valores mayores a 120 mm aumentando a más
de 140 mm en la porción comprendida entre Puerto ÁngelSalina Cruz y el Istmo
en los límites con Chiapas. Los valores más bajos menores a 60 mm se
distribuyen en las partes más altas de las sierras de la entidad.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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1.7 TIPO DE SUELO
El área estudiada se encuentra en el litoral del Estado de Oaxaca, desde los
límites con el Estado de Guerrero, hasta Salina Cruz la costa oaxaqueña
pertenece a la provincia fisiográfica conocida como Zona Montañosa de la Costa
del Suroeste. Frente a ella la plataforma continental es muy angosta y la costa es
principalmente rocosa y solamente en escasas porciones se desarrolla una
incipiente planicie costera. En esta zona predominan las costas primarias
formadas por procesos diastróficos y en menor proporción costas secundarias sea
por erosión, por oleaje o por depositación marina . Desde Salina Cruz hasta los
límites de la República de Guatemala, se tiene una llanura costera en desarrollo,
de amplitud moderada, asociada a una plataforma continental amplia.
Este litoral se caracteriza por contar con costas secundarias por depositación
marina. Tectónicamente, el litoral de Oaxaca es parte de la costa de colisión
continental, afectada por el contacto de la Placa de América con la Placa de
Cocos. Las rocas que afloran en las cuencas hidrológicas que drenan hacia el mar
son de litología y edad muy diversa (Fig. l). En la mayoría de las localidades de
playa estudiadas se reciben principalmente lo aportes de sedimentos
provenientes de rocas metamórficas del Paleozoico y del Precámbrico, rocas
intrusivas y extrusivas ácidas del Terciario y suelos del Cuaternario (SPP, 1981).
El suelo es aluvial de origen granítico estratificado y errático muestreado a una
profundidad promedio de 30 mts., de 6 a 9 mts se tienen una capacidad de carga
aproximada de 6 a 12 t/m 2 y de 9 a 30 mts arriba de 20 t/m 2 .
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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FIGURA1.9 PLANO GEOLÓGICO
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
29
1.8 REGIONALIZACIÓN SÍSMICA
Se puede ver que nuestro país está asociada y que estos han ocurrido a lo largo
de millones de años.
La mayor parte de los sismos de grandes magnitudes (mayores de 7, por
ejemplo) y que son los que ocasionan grandes perjuicios para el hombre, tienen
epicentros en las costas de pacífico a lo largo de Jalisco, Colima, Michoacán,
Guerrero y Oaxaca.
El territorio de la República Mexicana se encuentra se encuentra clasificado de
acuerdo al peligro sísmico a que están sujetas las construcciones y, en general,
las obras civiles que se planee realizar.
Se han establecido cuatro zonas, llamadas A, B, C, y D, las que representan
zonas de menor a mayor peligro. Estas se han definido, básicamente, en función
a la sismicidad propia de cada región.
A esta clasificación se conoce como regionalización sísmica y tiene como principal
objetivo, junto con manuales de obras civiles proporcionar la información
necesaria a los constructores para el cálculo de los valores con que se debe
diseñar cualquier obra, de tal manera que esta resulte suficientemente segura y
su costo no sea excesivo. Cabe aclarar que la regionalización citada es aplicable a
estructuras construidas en terreno firme y no toma en cuneta el fenómeno de
amplificación del movimiento sísmico por efecto de suelos blandos. Este
fenómeno puede ser decisivo para el peligro sísmico de algunos puntos como la
ciudad de México.
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
30
De acuerdo con la regionalización sísmica de la República mexicana, Salina Cruz
se localiza dentro de la zona D y un tipo de suelo clasificado entre I,II y III con su
respectivo coeficiente sísmico de 0.48, 0.56 y 0.64 para el área de la Refinería se
considera un coeficiente sísmico igual a 0.56.
FIGURA 1.10 CROQUIS DE REGIONALIZACIÓN
SÍSMICA DE LA REPÚBLICA MEXICANA
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
31
1.9 EVENTOS CLIMATOLÓGICOS EXTREMOS EN LA ZONA
El rango de marea es menor de 2 m. hacia el oeste de Salina Cruz y de 2 a 4 m.
hacia el este del mismo puerto. En ambos casos la marea es de tipo mixto
(Instituto de Geofísica, 1978).
De acuerdo con las cartas mensuales de corrientes superficiales, las próximas a
las costas oaxaqueñas presentan en promedio velocidades menores de 0.3 nudos,
con un máximo de 0.42 nudos medido en el mes de Junio. Del mes de Mayo al
mes de Septiembre la dirección de estas corrientes es principalmente de E a W,
en tanto que el resto del año se presenta al W de Puerto Ángel una corriente EW
y al E del mismo puerto la corriente tiene una dirección WE.
De acuerdo con Strakhov (1967) el área de estudio queda comprendida dentro de
una región de intenso intemperismo químico, en la cual la precipitación anual
media fluctúa entre 1000 y 2000 mm.
La zona costera está sujeta a ciclones tropicales cuyas principales trayectorias
tienen una dirección SENW. En el área de estudio ocurren olas con alturas de 2.4
metros o más con una frecuencia de 10 a 20 % al menos durante dos cuartas
partes de un año (Meisburger, 1962).
CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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CAPITULO I. MARCO TEÓRICO
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CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
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CAPITULO II ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
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2.1 DESCRIPCIÓN DE FLUJO
El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en
tubería. Estas dos clases de flujos son similares en muchos aspectos, pero estos
se diferencian en un aspecto importante.
El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en
tubería no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente
el conducto. Una superficie libre está sometida a la presión atmosférica. El flujo
en tubería, al estar confinado en un conducto cerrado, no está sometido a la
presión atmosférica de manera directa, si no solo a la presión hidráulica.
Las dos clases de flujo se comparan en la figura 2.1. A la izquierda de está se
muestra el flujo en tubería. Dos tubos piezométricos se encuentran instalados en
las secciones 1 y 2 de la tubería. Los niveles de agua en estos tubos se
mantienen por acción de la presión en la tubería en elevaciones representadas
por la línea conocida como línea de gradiente hidráulico. La presión ejercida por el
agua en cada sección del tubo se indica en el tubo piezométrico correspondiente,
mediante la altura y de la columna de agua por encima del eje central de la
tubería.
En la figura 2.1 la energía esta representada por la línea conocida, como línea de
gradiente de energía o simplemente, línea de energía.
La pérdida de energía que resulta cuando el agua fluye desde la sección 1 hasta
la sección 2 está representada por hf. Un diagrama similar para el flujo en canal
abierto se muestra en la parte derecha de la figura 2.1. Con propósitos de
simplificación, se supone que el flujo es paralelo y que tiene una distribución de
velocidades uniforme y que la pendiente del canal es pequeña.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
36
En este caso, la superficie de agua es la línea de gradiente hidráulico, y la
profundidad del agua corresponde a la altura piezometrica.
A pesar de la similaridad que existen en estos dos tipos de flujo, es mucho más
difícil resolver problemas de flujo en canales abiertos que en tuberías a presión.
Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican con el hecho de que la
posición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y
también por el hecho de que la profundidad de flujo, el caudal y las pendientes,
del fondo del canal y de la superficie libre son interdependientes. A menudo, es
difícil obtener datos experimentales confiables en el caso del flujo en canales
abiertos.
Además las condiciones físicas de los canales abiertos varían mucho más que en
las tuberías.
En canales abiertos la superficie varia desde la correspondiente a metales pulidos
utilizados en canales de prueba hasta la correspondiente a lechos rugosos e
irregulares en ríos. Además la rugosidad en un canal abierto varia con la posición
de la superficie libre. Por consiguiente, la selección de los coeficientes de fricción
implica una mayor incertidumbre para el caso de canales abiertos que para el de
tuberías. En general, el tratamiento del flujo en canales abiertos es más empírico
que el correspondiente a flujo en tuberías. El método empírico es el mejor
método disponible en el presente, y si se aplica de manera cuidadosa, puede
producir resultados de valor práctico.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
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Figura 2.1 Comparación entre flujo en tuberías y flujo en canales abiertos
2.1.1 TIPOS DE FLUJOS
El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de
diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio
en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
38
FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: tiempo como criterio. Se dice que
el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o
puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración.
EL FLUJO ES NO PERMANENTE: si la profundidad no cambia con el tiempo. En
la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del
flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición
del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no
permanente, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que las
ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño
de estructuras de control.
Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se expresa por
Q=VA. 2.1
Donde V es la velocidad media y A es el área de la sección transversal de flujo
perpendicular a la dirección de este, debido a que la velocidad media esta
definida como el caudal divido por el área de la sección transversal.
FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: espacio como criterio. Se dice que el
flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en
cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no
permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
39
EL FLUJO UNIFORME PERMANENTE: es el tipo de flujo fundamental que se
considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia
durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo
uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un
tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal.
En efecto está es una condición prácticamente imposible. Por tanto el termino
“flujo uniforme” se utilizará para designar el flujo uniforme permanente.
El flujo es variado si la profundidad del flujo cambia a lo largo del canal.
El flujo variado puede ser permanente y no permanente. Debido a que el flujo
uniforme no permanente es poco frecuente, el término “flujo no permanente” se
utilizará para designar exclusivamente el flujo variado no permanente .
El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o
gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua
cambia de manera abrupta en distancias compartidamente cortas; de otro modo,
es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como
fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
40
P rofundidad Constante Cambio de la profundidad
con el tiempo
F.R.V F.G.V F.R.V F.G.V F.R.V F.G.V F.R.V
Compuerta Resalto
deslizante hidráulico Flujo sobre
un vertedor
Caída hidráulica
Contracción
por debajo de
la compuerta
Flujo variado
F.G.V onda decreciente F.R.V oleada
Flujo no permanente
Figura 2.2 Diferentes tipos de flujos en canales abiertos
F.G.V= Flujo Gradualmente Variado.
F.R.V= Flujo Rápidamente Variado.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
41
2.1.2 ESTADO DE FLUJO.
El estado o comportamiento del flujo en canales abiertos esta gobernado
básicamente por los efectos de viscosidad y gravedad en relación con las fuerzas
inerciales del flujo. La tensión superficial del agua puede afectar el
comportamiento del flujo bajo ciertas circunstancias, pero no juega un papel
significativo en la mayor parte de los problemas de canales abiertos que se
presentan en ingeniería.
EFECTO DE VISCOSIDAD: el flujo puede ser laminar, turbulento o transaccional
según el efecto de la viscosidad en relación de la inercia.
EL FLUJO ES LAMINAR: si las fuerzas viscosas son muy fuertes en relación con las
fuerzas inerciales, de tal manera que la viscosidad juega con un papel muy
importante en determinar el comportamiento del flujo. En el flujo laminar, las
partículas de agua se mueven en trayectorias suaves definidas o en líneas de
corriente, y las capas de fluido con espesor infinitesimal parecen deslizarse sobre
capas adyacentes.
El flujo es turbulento si las fuerzas viscosas son débiles en relación con las
fuerzas inerciales. El flujo turbulento, las partículas del agua se mueven en
trayectorias irregulares, que no son suaves ni fijas, pero que en un conjunto
todavía representan el movimiento hacia adelante de la corriente entera.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
42
Entre los estados del flujo laminar y turbulento existe un estado mixto o
transicional.
El efecto de la viscosidad en relación con la inercia puede representarse por el
numero de Reynolds, definido por
υ VL R =
2.2
Donde
V = velocidad del flujo en m/s
L = es una longitud característica en pies la cual se considera igual al radio
hidráulico R de un conducto
υ = es la viscosidad cinemática en m 2 /s
El flujo en canales abiertos es laminar si el Número de REYNOOLS R es pequeño,
y turbulento si R es grande.
EFECTO DE LA GRAVEDAD. El efecto de la gravedad sobre el estado del flujo
representa por relación de las fuerzas inerciales y las fuerzas gravitacionales.
REGIMENES DE FLUJO: en un canal el efecto combinado de la viscosidad y la
gravedad puede producir cualquiera de 4 regímenes de flujo, los cuales son:
subcríticolaminar
supercríticolaminar
subcríticoturbulento
supercríticoturbulento
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
43
1) subcríticolaminar, cuando F es menor que la unidad y R está en el rango
laminar.
2) supercríticolaminar, cuando F es mayor que la unidad y R está en el rango
laminar.
3) supercríticoturbulento, cuando F es mayor que la unidad y R está en el
rango turbulento.
4) subcríticoturbulento, cuando F es menor que la unidad y R está en el rango
turbulento.
Figura 2.3 Fotografías que muestran cuatro regímenes de flujo en un canal de
laboratorio.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
44
2.2 CLASES DE CANALES ABIERTOS
Un canal abierto es un conducto en el cual el agua, fluye con una superficie libre.
De acuerdo con su origen un canal puede ser natural o artificial.
En los canales NATURALES influyen todos los tipos de agua que existen de
manera natural en la tierra, los cuales varían en tamaño desde pequeños
arroyuelos en zonas montañosas hasta quebradas, arroyos, ríos pequeños y
grandes, y estuarios de mareas. Las corrientes subterráneas que transportan
agua con una superficie libre también son consideradas como canales abiertos
naturales.
Las propiedades hidráulicas de un canal natural por lo general son muy
irregulares. En algunos casos pueden hacerse suposiciones empíricas
razonablemente consistente en las observaciones y experiencias reales, de tal
modo que las condiciones de flujo en estos canales se vuelvan manejables
mediante tratamiento analítico de la hidráulica teórica. Un estudio completo sobre
el comportamiento del flujo en canales naturales requiere el conocimiento de
otros campos, como hidrología geomorfología, transporte de sedimentos etc.
Los canales artificiales son aquellos construidos o desarrollados mediante el
esfuerzo humano: canales de navegación, canales de centrales hidroeléctricas,
canales y canaletas de irrigación, cunetas de drenaje, vertederos, canales de
desborde, canaletas de madera, cunetas a lo largo de carreteras etc..., así como
canales de modelos de laboratorio con propósitos experimentales las propiedades
hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un nivel deseado o
diseñadas para cumplir unos requisitos determinados.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
45
La aplicación de las teorías hidráulicas a canales artificiales producirán, por tanto,
resultados bastantes similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son
razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseños.
Bajo diferentes circunstancias en la práctica de ingeniería, los canales abiertos
artificiales reciben diferentes nombre como “canal artificial”, “canaleta”, “rápida”,
“caída”, “alcantarilla”, “túnel con flujo o superficie libre”, etc.
El canal artificial por lo general es un canal largo con pendiente suave construido
sobre el suelo, que puede ser revestido con piedras, concreto, cemento, madera o
materiales bituminosos.
La canaleta es un canal de madera, de metal, de concreto de mampostería, a
menudo soportado en o sobre la superficie del terreno para conducir el agua a
través de una depresión.
La rápida es un canal que tiene altas pendientes. La caída es similar a una rápida,
pero el cambio en elevación se efectúa en una distancia corta.
La alcantarilla que fluye parcialmente llena, es un canal cubierto con una longitud
compartidamente corta instalado para drenar el agua a través de terraplenes de
carreteras o de vías férreas.
El túnel con flujo a superficie libre es un canal compartidamente largo, utilizado
para conducir el agua a través de una colina o a cualquier obstrucción del terreno.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
46
2.2.1 GEOMETRÍA DE CANAL
Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo
constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no
prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo.
Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos.
El término sección de canal se refiere a la sección transversal de un canal
tomada en forma perpendicular a la dirección del flujo. Una sección vertical de
canal, sin embargo, es la sección vertical que pasa a través del punto más bajo
de la sección del canal. Para canales horizontales, por consiguiente, la sección del
canal es siempre una sección vertical de canal.
Las secciones de canales naturales son, por lo general, muy irregulares, y a
menudo varían desde aproximadamente una parábola hasta aproximadamente un
trapecio. Para corrientes sujetas a crecientes frecuentes, el canal puede constar
de una sección principal del canal que conduce los caudales normales, o una o
más secciones laterales de canal para acomodar los caudales de desborde.
Los canales artificiales a menudo se diseñan con secciones de figuras geométricas
regulares. La tabla 21 relaciona 7 formas geométricas utilizadas comúnmente.
El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin
recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
47
El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el
rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales
construidos con materiales estables , como mampostería, roca, metal o madera.
La sección triangular sólo se utiliza para pequeñas acequias, cunetas y a lo largo
de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para
alcantarillados y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.
La parábola se utiliza como una aproximación a secciones de canales naturales de
tamaño pequeño y mediano.
El rectángulo con esquinas redondeadas es una modificación del rectángulo. El
triángulo con fondo redondeado es una aproximación de la parábola; ésta es la
forma creada a menudo con la utilización de escavadoras.
Secciones geométricas cerradas diferentes del circulo se utilizan con frecuencia en
alcantarillados de aguas negras, de manera particular para alcantarillas
suficientemente grandes que permiten la entrada de un hombre. Estas secciones
reciben diferentes nombres de acuerdo con su forma; pueden ser en forma de
huevo, ovoides, semielípticas, en forma de U, catenaria, herradura, manija de
canasto, etc.
Los rectángulos y cuadrados completos, también son comunes en alcantarillados
grandes.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
48
Tabla 2.1 Elementos geométricos de secciones de canal
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
49
2.2.2 ELEMENTOS GEOMÉTRICOS DE UNA SECCIÓN DE UN
CANAL.
Los elementos geométricos son propiedades de una sección de canal que pueden
ser definidos por completo por la geometría de la sección y la profundidad del
flujo. Estos elementos son muy importantes y se utilizan con la amplitud del flujo.
Para secciones de canal regulares y simples, los elementos geométricos pueden
expresarse matemáticamente en términos de la profundidad de flujo y de otras
dimensiones de la sección.
Para secciones complicadas y secciones de corrientes naturales, sin embargo no
se puede escribir una ecuación simple para expresar estos elementos, pero
pueden preparase curvas que presenten la relación entre estos elementos y la
profundidad de flujo para uso en cálculos hidráulicos.
A continuación se dan las definiciones de varios elementos geométricos de
importancia básica.
La profundidad de flujo, “y” , es la distancia vertical desde el punto más bajo de
una sección del canal hasta la superficie libre. A menudo este término se
intercambia con la profundidad de flujo de la sección, “d”. En efecto, la
profundidad de flujo de la sección es la profundidad de flujo perpendicular a la
dirección de éste, o la altura de la sección del canal que contiene agua.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
50
El nivel es la elevación o distancia vertical desde un nivel de referencia hasta la
superficie libre. Si el punto más bajo de la sección de canal se escoge como el
nivel de referencia, el nivel es idéntico a la profundidad de flujo.
El ancho superficial T es el ancho de la sección del canal en la superficie libre.
El área mojada A es el área de la sección transversal del flujo perpendicular a la
dirección del flujo.
El radio hidráulico R es la relación del área mojada con respecto a su perímetro
mojado, o
P A R =
2.3
La profundidad hidráulica D es la relación entre el área mojada y el ancho de la
superficie, o
P A R =
2.4
El factor de sección para el cálculo de flujo critico Z es el producto del área
mojada y la raíz cuadrada de la profundidad hidráulica, o
T A A
D A Z = =
2.5
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
51
El factor de sección para el cálculo del flujo uniforme AR 2/3 es el producto de área
mojada y el radio hidráulico elevado a la potencia 2/3.
La tabla 21 presenta una lista de ecuaciones para los seis elementos geométricos
básicos de siete secciones de canal comúnmente utilizadas. Para una sección
circular, las curvas de la figura 24 representan las relaciones de los elementos
correspondientes cuando ésta fluye llena.
2.2.3 DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN UNA SECCIÓN
TRANSVERSAL.
Debido a la presencia de la superficie libre y a la fricción a lo largo de las paredes
del canal, las velocidades en un canal no están del todo distribuidas en su
sección. La máxima velocidad medida en canales normales a menudo ocurre por
debajo de la superficie libre a una distancia de 0.05 a 0.25 de la profundidad;
cuanto más cerca estén las bancas más profundo se encuentra este máximo.
La distribución de secciones de un canal depende también de otros factores, como
una forma inusual de la sección, la rugosidad del canal y la presencia de curvas,
en una corriente ancha, rápida y poco profunda o en un canal muy liso la
velocidad máxima por lo general se encuentra en la superficie libre. La rugosidad
del canal causa un incremento en la curvatura de la curva de distribución vertical
de velocidades. En una curva la velocidad se incremente de manera sustancial en
el lado convexo, debido a la acción centrifuga del flujo. Contrario a la creencia
usual, el viento en la superficie tiene muy poco efecto en la distribución de
velocidades.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
52
Los modelos generales para la distribución de velocidades en diferentes secciones
del canal con otras formas se ilustran en la figura 2.4.
Canal Trapezoidal
Canal Triangular
Cuneta Poco Profunda Sección
Rectangular
Tubería Canal Natural I rregular
Figura 2.4 Curvas comunes de igual velocidad en diferentes secciones de canal.
La distribución de velocidades en una sección de canal depende también de otros
factores, como una forma inusual de la sección, la rugosidad del canal y la
presencia de curvas. En una corriente ancha, rápida y poco profunda o en un
canal muy liso, la velocidad máxima se encuentra en la superficie libre.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
53
2.3 DISEÑO HIDRÁULICO DE UN CANAL
Para el diseño de un canal se presume que el escurrimiento se desarrollará en
condiciones de flujo uniforme. El flujo no uniforme se presentará en situaciones
de cambios en la pendiente, rugosidad, dimensiones de la sección,
embalzamientos, caídas o por cambios inducidos por la operación de órganos de
operación o seguridad.
La velocidad media de flujo en un canal se determina por medio de la fórmula
desarrollada por Chezy:
(2.6)
Aplicando la ley de continuidad, se obtiene la capacidad de conducción:
(2.7)
Donde:
V: Velocidad media de flujo en m/s
C: Coeficiente de Chezy
RL: Radio hidráulico en m
I: Pendiente hidráulica
Q: Caudal en m 3 /s
Ah: Área hidráulica en m 2
El caudal Q manifiesta la capacidad de conducción, la pendiente hidráulica del
canal que será función de las condiciones topográficas podrá estar asociada al
mismo tiempo a las velocidades límites; éstas se establecerán con base en las
características del material que conforme el perímetro mojado y tomará en
cuenta la probabilidad de erosión y sedimentación.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
54
Según ManningStrickler, el coeficiente de Chezy adquiere la siguiente forma:
6 1 1 Rh
n C =
(2.8)
donde: Ks coeficiente de fricción de ManningStrickler
Rh Radio hidráulico en m
Por lo que la capacidad de conducción del canal se podrá expresar por medio de
la fórmula siguiente:
2 1
3 2
S Rh n Ah Q =
(2.9)
El coeficiente de fricción de ManningStrickler dependerá del tipo de material que
conforma el perímetro mojado, del caudal y de las características morfológicas del
canal. La influencia de la rugosidad será mayor para caudales menores,
reduciéndose en función de su incremento. Por otra parte, la configuración en
planta también tendrá efectos sobre la rugosidad, siendo mayor para trayectorias
con numerosos curvas y cambios de sección, sin embargo esta influencia en la
práctica solo es posible determinar mediante mediciones en canales ya
construidos.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
55
El diseño de un canal requiere del análisis de las velocidades medias de flujo, de
manera que no se presente sedimentación ni erosión; en el primer caso nos
referimos a la velocidad mínima o velocidad "que no sedimenta" vn.s y en el
segundo a la velocidad máxima o "velocidad no erosiva" vn.e.
Entre los primeros intentos para encontrar las relaciones hidráulicas de canales
sin erosión ni sedimentación, se puede mencionar al profesor inglés R.G.
Kennedy, que presentó en 1895 una fórmula basada en el estudio del
funcionamiento hidráulico de 22 canales de riego en la India (13) (12), la misma
que se expresa de la siguiente manera:
(2.10)
Donde:
v0= Velocidad media de flujo que no ocasiona ni sedimentación ni erosión, en
metros/s
y =Tirante de agua, en metros
C= Coeficiente que depende de la firmeza del material que conforma el canal ,
que King asocia al grado de finura de las partículas del suelo.
Posteriormente, trabajos relacionados al estudio de la Teoría de Régimen,
ampliaron los niveles de conocimiento sobre la estabilidad hidráulica de los
canales, sin embargo la aplicación de las fórmulas, desarrolladas sobre la base de
mediciones en la naturaleza, requieren del conocimiento preciso de los rangos de
validez de las mismas y de las características particulares de los canales que
sirvieron de modelo.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
56
La velocidad mínima permisible, vn.s., que evite la sedimentación de partículas
sólidas, puede determinarse utilizando la fórmula empírica de Levy :
× =
n dks w Vns 0225 . 0 01 . 0
(2.11)
Donde:
W= Velocidad de caída de una partícula de diámetro dav en mm/s
dks= Diámetro característico de las partículas en suspensión en mm.
Rh = Radio hidráulico del canal en m.
n = Coeficiente de rugosidad del perímetro mojado del canal.
Girshkan propone la siguiente fórmula:
(2.12)
Donde:
F = Coeficiente igual a: 0.33 para w = 1.5 mm/s
0.44 para w = 1.5 3.5 mm/s
0.55 para w > 3.5 mm/s
Q = Caudal en m 3 /s
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
57
2.4 CANALES COMÚNES QUE DEMUESTRAN DIFERENTES
VALORES DE n
1
2
3
1 n = 0.012. Canal revestido con placas de concreto con juntas de cemento lisas y una superficie muy lisa,
terminada a mano con llana y con lechada de cemento sobre la base de concreto
2 n = 0.014. Canal de concreto vaciado por detrás de una plataforma móvil para nivelación y pulimento
superficial
3 n = 0.016. Zanja o cuneta , revestida en concreto, recta y uniforme, con fondo ligeramente curvo, lados y
fondos recubiertos con un deposito rugoso, el cual incrementa el valor de n.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
58
4
5
6
4 n = 0.018. Revestimiento de concreto lanzado sin tratamiento para aislar. Superficie cubierta por algas
finas y fondo con dunas de arenas arrastradas.
5 n = 0.018. Canas de tierra excavado en marga arcillosa, con depósitos de arenas limpias en el medio y lodo
limoso cerca de los lados.
6 n = 0.020. Recubrimiento de concreto hecho en un corte tosco en roca de lava, limpio, muy rugoso y
excavado profundamente.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
59
7
8
9
7 n = 0.020. Canal de irrigación, en arena suave muy densa
8 n 0 0.022. Revoque a pañete de cemento aplicado directamente a la superficie tratada de un canal en tierra.
Con malezas en los lugares dañados y arena suelta en el fondo.
9 n = 0.024. canal excavado en marga arcillosa y limosa. Lecho duro y resbaladizo
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
60
10
11
12 1
10 n = 0 0.029. Canal en tierra excavado en un suelo de limo aluvial, con depósitos de arena en el fondo y
crecimientos de pastos
11 n = 0.030. Canal con lecho de cantos rodados grandes.
12 n = 0.035. Canal natural, pendientes laterales algo irregulares: fondo más o menos nivelado, limpio y
regular; en arcilla limosa gris clara o marga limosa marrón claro; muy poca variación en la sección transversal
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
61
13
14
15
13 n = 0.040. Canal en roca excavado con explosivos.
14 n = 0.040. Zanja o cuneta en marga arenosa y arcillosa; pendientes laterales, fondo y sección transversal
irregulares; pasto en las pendientes laterales
15 n = 0.045. Canal dragado, pendientes laterales y fondo irregulares; en arcilla negra plástica en la parte
superior hasta la arcilla amarilla en el fondo, lados cubiertos con pequeños matorrales y arbustos, variaciones
pequeñas y graduales en la sección transversal.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
62
2.5 VALORES PARA EL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD
A partir del reconocimiento de varios factores primordiales que afectan la
rugosidad, Cowan, desarrollo el procedimiento para estimar el valor de n.
Mediante este procedimiento, el valor de n puede calcularse por.
n = (no+n1+n2+n3+n4)n5 2.13
donde no es el valor básico de n para un canal recto, uniforme y liso para los
materiales naturales involucrados, n1 es el valor que debe agregarse al n0 para
corregir el efecto de las velocidades superficiales, n2 es el valor para considerar
las variaciones en forma y tamaño de la sección transversal del canal, n3 es el
valor para considerar las obstrucciones, n4 es el valor para considerar la
vegetación y las condiciones de flujo, y m5 es un factor de corrección de los
efectos por meandros en el canal. Los valores apropiados de n0 a n4 y m5 pueden
seleccionarse en la tabla 2.25 de acuerdo con las condiciones dadas.
Al establecer el valor de n1, se considera que el grado de irregularidad es suave
para superficies comparables con la mejor obtenible en los materiales
involucrados.
Al establecer n2 se considera que el carácter de las variaciones en tamaño y
forma de la sección transversal es gradual cuando el cambio en el tamaño o en la
forma ocurre de manera gradual.
Al establecer el valor de n3 se considera la presencia y las características de
obstrucción como depósitos de basura, palos, raíces expuestas, cantos rodados y
troncos caídos y atascados.
Al establecer el valor de n4 se considera el grado de efecto de la vegetación: bajo,
medio, alto, muy alto.
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
63
Al establecer n5, el grado de los efectos por meandro depende de la relación entre
la longitud con meandros y la longitud recta del tramo del canal
Tabla 2.2 Valores para el calculo del coeficiente de rugosidad mediante
la ecuación (2.13).
Condiciones del canal Valores Tierra 0.02
Material Corte en roca 0.025 Involucrado Grava Fina 0.024
Grava Gruesa
n0
0.028 Suave 0,000
Grado de Menor 0.005 Irregularidad Moderado 0.01
Severo
n1
0.02 Gradual 0,000
Variaciones de la Ocasionalmente Alternante 0.005 Sección Transv. Frecuentemente Alternante
n2
0.0100.015 Insignificante 0,000
Efectivo relativo Menor 0.0100.015 a las obstrucciones Apreciable 0.0200.030
Severo
n3
0.0400.060 Baja 0.0050.010
Vegetación Media 0.0100.025 Alta 0.0250.050
Muy Alta
n4
0.0500.100 Menor 1
Grado de los Apreciable 1.15
efectos por meandro Severo m5
1.3
CAPITULO II. ASPECTOS TEÓRICOS EN EL DISEÑO DE CANALES
64
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
65
CAPITULO III ANÁLISIS HIDROLÓGICO
3.1 DEFINICIÓN Y OBJETIVO DE LA HIDROLOGÍA
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
66
Existen varias definiciones de hidrología, pero la más completa es quizás la
siguiente.
“Hidrología es la ciencia natural que estudia al agua, su ocurrencia, circulación y
distribución en la superficie terrestre, sus propiedades químicas y físicas y su
relación con el medio ambiente, incluyendo a los seres vivos.”
Aceptando esta definición, es necesario limitar la parte de la hidrología que se
estudia en la ingeniería a una rama que comúnmente se le llama ingeniería
hidrológica o hidrología aplicada , que concluye aquellas partes del campo de la
hidrología que atañen al diseño y operación de proyectos de ingeniería para el
control y aprovechamiento del agua.
El ingeniero que se ocupa de proyectar, construir o supervisar el funcionamiento
de instalaciones hidráulicas debe resolver numerosos problemas prácticos de muy
variado carácter. Por ejemplo, se encuentra con la necesidad de diseñar puentes,
estructuras para el control de avenidas , presas, vertedores, sistemas de drenaje
para poblaciones, carreteras y aeropistas y sistemas de abastecimiento de agua.
Sin excepción estos diseños requieren de análisis hidrológico cuantitativos para la
selección del evento de diseño necesario.
El objetivo de la hidrología aplicada es la determinación de esos eventos, que son
análogos a las cargas de diseño en el análisis estructural, por poner un ejemplo
dela ingeniería civil. Los resultados son normalmente solo estimaciones, con
aproximación limitada en muchos casos y burda en algunos otros.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
67
Sin embargo estas estimaciones rara vez son menos aproximadas que las cargas
usadas en el análisis estructural o el volumen de tráfico en las carreteras , por
ejemplo. El análisis hidrológico exhaustivo es, pues, el primer paso fundamental
en la planeación, diseño y operación de proyectos hidráulicos. En la fase de
planeación y diseño el análisis se dirige básicamente a fijar la capacidad y
seguridad de estructuras hidráulicas.
Es así en cuanto a la hidrología trata con un aspecto importante y vital del medio
ambiente, que es el agua, es una ciencia esencial para el aprovechamiento de los
recursos hidráulicos y el diseño de obras de defensa. Aunque esta esencia esta
lejos de tener un desarrollo completo, existen varios métodos analíticos y
estadísticos que son mayor o menor grado aceptados en la profesión ingenieril.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
68
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
69
3.2 CICLO HIDROLÓGICO
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
70
¿Cómo se realiza el ciclo del agua? Consideremos la atmósfera como punto de
partida del ciclo: el agua se acumula en la atmósfera bajo la acción de los
procesos de evaporación que tienen lugar en la superficie del mar y de los
continentes y también por obra de plantas y animales. Al ascender, el aire
húmedo se enfría y luego se condensa parcialmente en forma de nubes; en
definitiva, la atmósfera contiene agua en forma de vapor, de líquido o de cristales
de hielo. Debido a la gravedad, el agua vuelve a caer al mar o a los continentes
en forma de lluvia, nieve, granizo u otra forma cualquiera de precipitación.
Parte del agua caída vuelve sufrir el fenómeno de la evaporación o es expulsada
de nuevo por los organismos vivos. Otra parte corre por la superficie o se infiltra
en el suelo para formar posteriormente cursos de agua. Éstos, por último,
devuelven el agua al mar, punto de partida de un nuevo ciclo.
El ciclo hidrológico, por lo tanto, es un sistema complejo de circulación
interrumpida que, en continuo y a muy gran escala, asegura los procesos de
bombeo, destilación y transporte del agua en todas sus formas. El fenómeno de la
circulación del agua constituye una ilustración de la ley de conservación de la
materia, agua en nuestro caso. Pero observemos que no toda el agua del sistema
climático participa constantemente en el ciclo hidrológico; determinadas
cantidades se acumulan durante períodos variables en la atmósfera, la biosfera,
la criosfera (en forma de capas de nieve), el mar, los ríos, los embalses y los
lagos, y en la litosfera en forma de agua química o físicamente ligada a los suelos
o las rocas.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
71
El ciclo del agua comprende dos partes principales: la atmosférica y la terrestre.
La parte terrestre del ciclo hidrológico está representada por todo cuanto hace,
referencia al movimiento y al almacenamiento del agua en la tierra y en el mar;
es la más estudiada y conocida. La parte atmosférica del ciclo está constituida por
los transportes de agua en la atmósfera, principalmente en forma de vapor. La
interfase entre la atmósfera y la superficie del globo terrestre (incluidos los
océanos) constituye la bisagra entre ambas partes del ciclo del agua.
El ciclo hidrológico, como ya se mencionó, se considera el concepto fundamental
de la hidrología. De las muchas representaciones que se puedan hacer de él, la
más ilustrativa es quizás la descriptiva. Con todo ciclo el hidrológico no tiene
principio ni fin, y su descripción puede comenzar en cualquier punto. El agua que
se encuentra sobre la superficie terrestre o muy cerca de ella se evapora bajo el
efecto de la radiación solar y el viento. El vapor de agua, que así se forma, se
eleva y se transporta por la atmósfera en forma de nubes hasta que se condensa
y cae hacia la tierra en forma de precipitación. Durante su trayecto hacia la
superficie de la tierra, el agua precipitada puede volver a evaporarse o ser
interceptadas por la plantas o las construcciones, luego fluye por la superficie
hasta las corrientes o se infiltra. El agua interceptada y una parte de la infiltrada
y de la que corre por la superficie se evapora nuevamente. De la precipitación
que llega a las corrientes, una parte se infiltra y otra llega hasta los océanos y
otros grandes cuerpos de agua, como presas y lagos. Del agua infiltrada, una
parte es absorbida por las plantas y posteriormente es transpirada casi en su
totalidad, hacia la atmósfera y otra parte fluye bajo la superficie de la tierra hacia
las corrientes, el mar u otros cuerpos de agua, o bien hacia zonas profundas del
suelo (percolación) para ser almacenadas como agua subterránea y después
aflorar en manantiales, ríos o el mar.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
72
El Ciclo del Agua
En el ciclo hidrológico el sol provoca la evaporación constante del agua que pasa
a la atmósfera para volver a la tierra en forma de lluvia, nieve o granizo. Parte de
esa precipitación se evapora rápidamente y vuelve otra vez a la atmósfera, otra
parte del agua que se precipita periódicamente fluye a través de la superficie de
las cuencas formando arroyos y ríos para iniciar su viaje de retorno al mar.
FIGURA 3.3 CICLO HIDROLÓGICO DEL AGUA
En su tránsito forma lagos y lagunas o se deposita en almacenamientos
artificiales formados por presas. Otra parte del agua que llega a la superficie
terrestre en forma de lluvia, se deposita en el suelo donde se convierte en
humedad o en almacenamientos subterráneos denominados acuíferos. En
condiciones normales, las aguas subterráneas se abren camino gradualmente
hacia la superficie y brotan en forma de manantiales para volver a unirse a las
aguas superficiales y engrosar los caudales de los ríos.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
73
Las plantas y la vegetación incorporan en sus tejidos parte de la humedad del
suelo y de las aguas subterráneas y luego, una parte se desprende de ellas por
transpiración para pasar a integrarse nuevamente a la atmósfera. Este es un ciclo
natural que se repite intermitentemente.
En la atmósfera, con la ayuda del aire y del Sol, el vapor de agua se convierte en
humedad, niebla, neblina, rocío, escarcha y nubes. Y como nieve sobre las
montañas, o como lluvia o granizo en los valles, se escurre en la tierra, donde la
recogen los ríos; y de los ríos va al mar. El mar retiene la sal del agua (que
recogió del suelo, la tierra y las rocas que se encontraban en los lugares por
donde pasa el río) y la envía a la atmósfera, pura y evaporada. De la atmósfera,
el agua cae como lluvia y baja sobre los prados y los campos, nutre las cosechas
y la fruta, y corre por los troncos y ramas de las plantas y árboles, llenándolos de
flores. Al encontrar grietas en las rocas y el suelo, el agua penetra hacia adentro
de la tierra, formando los ríos subterráneos que llenan los pozos; a veces sale en
pequeñas cascadas o manantiales. A todo este proceso se le llama El Ciclo
Hidrológico, y gracias a él, probablemente tú volverás a beber esta misma agua
cien veces durante toda tu vida.
El agua que tomamos ahora es la misma que se ha estado usando durante
millones de años. Se ha conservado casi sin cambio tanto en cantidad como en
tipo desde que se formó la Tierra. El agua se mantiene en tres estados: como
líquido, gas (vapor) o sólido (hielo), y se recicla constantemente, es decir, se
limpia y se renueva trabajando en equipo con el sol, la tierra y el aire, para
mantener el equilibrio en la Naturaleza. La interminable circulación del agua en la
tierra se llama el ciclo hidrológico.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
74
Aunque el agua está en movimiento constante, se almacena temporalmente en
los océanos, lagos, ríos, arroyos, cuencas, y en el subsuelo. Nos referimos a estas
fuentes como aguas superficiales, aguas subterráneas.
El sol calienta el agua superficial de la Tierra, produciendo la evaporación que la
convierte en gas. Este vapor de agua se eleva hacia la atmósfera donde se enfría,
produciéndose la condensación. Así se forman pequeñas gotas, que se juntan y
crecen hasta que se vuelven demasiado pesadas y regresan a la tierra como
precipitación en forma de lluvia.
A medida que cae la lluvia, parte de ella se evapora directamente hacia la
atmósfera o es interceptada por los seres vivientes. La que sobra se mete a la
tierra a través de un proceso que se llama infiltración, formando las napas
subterráneas. Si la precipitación continúa cayendo a la tierra hasta que ésta se
satura, el agua excedente entonces pasa a formar parte de las aguas
superficiales.
Tanto las aguas superficiales como las aguas subterráneas finalmente van a dar
al océano.
Todas las nubes están hechas de pequeñas gotas de agua, de cristalitos de hielo,
o de ambos, y pueden formarse en cualquier clima, en cualquier parte del
planeta, pudiendo ser de diferentes formas, que dependen de su altura y de la
cantidad de aire de la atmósfera que se mueve hacia arriba. A medida que el aire
de la atmósfera sube, se enfría, y su vapor de agua se condensa en partículas de
materia que se llaman núcleos de condensación.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
75
Hay diferentes tipos de nubes. Estas se clasifican de acuerdo con su apariencia y
altura de base. Así, las nubes de bajo nivel son muy delgadas, van desde el nivel
del suelo, hasta 2 Km. de altura; las de nivel medio se forman desde una altura
de 2 hasta 5 Km.; y las de alto nivel pueden alcanzar de 5 hasta 14 Km. de
altura.
Entre las nubes de bajo nivel están las llamadas stratus y cumulus. La altura de
base de las nubes stratus generalmente es la más baja de la atmósfera (600 m).
Casi siempre se encuentran alrededor de las montañas o de las partes altas de las
formaciones rocosas en el océano.
Puesto que se forman en el aire estable, es decir, con poca turbulencia o sin ella,
el aire nuboso no se mezcla con el aire limpio que está encima o abajo de él.
Como resultado, un avión que viaja a través de una nube stratus tiene un vuelo
tranquilo. Si estas nubes se forman en el aire que se está elevando sobre una
montaña, pueden provocar lluvia; por eso, la gente que vive en los valles sabe
que lloverá si aparecen estas nubes en las cimas de las montañas. Las nubes del
tipo stratus pueden formarse también de noche cuando el aire húmedo se mueve
sobre el suelo que se está enfriando. Entonces, aunque el día siguiente amanece
nublado, si el sol evapora las gotitas de agua, las nubes pronto desaparecen, y se
tiene un día despejado.
Las nubes de tipo cumulus (que significa "apilada") se forman en columnas de
aire que se elevan rápidamente, o sobre el suelo que está sometido a un fuerte
calentamiento del sol. En ellas, el calor latente de condensación calienta el aire
que está alrededor de las gotitas de agua, de manera que, a medida que el aire
sigue subiendo, se produce más condensación de vapor de agua. Entonces, el aire
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
76
el cual está alrededor de las nubes baja, se calienta, y las gotitas de agua que
están en las orillas de las nubes se evaporan, limitándose así el crecimiento
horizontal de las nubes de tipo cúmulos. Cuando estas últimas son pequeñas, y
están separadas, significa que habrá buen tiempo.
Un ejemplo de nubes de nivel medio, son las llamadas nimbus. Su altura de base
varía entre 600 y 2 000 m. Generalmente se presentan en forma conjunta con las
nubes de tipo stratus, tomando el nombre de nimbostratus. Estas forman una
capa lo suficientemente gruesa como para impedir el paso de la luz del sol, y son
las responsables de las lluvias intermitentes. Las nubes de tipo nimbostratus se
forman cuando el aire caliente y húmedo se eleva de manera constante sobre un
área grande. esto puede suceder cuando existe un frente caliente, o con menos
frecuencia, en un frente frío. Generalmente el aire es estable y hay poca
turbulencia en este tipo de nubes.
Por último, las nubes de tipo cirrus ejemplifican las de alto nivel.
Aparecen especialmente cuando el aire está seco. Si aparecen aisladas en un cielo
despejado, pueden ser una señal de que seguirá el buen tiempo. Pero este tipo de
nubes también pueden aparecer al principio de un frente caliente. Si el cielo se
cubre casi completamente con cirrus, y especialmente si forma una capa
continua, llamada cirrostratus, se puede predecir que habrá viento y lluvia. El
viento produce en las nubes de tipo cirrus filamentos (tiras que se extienden a
partir de sus orillas), cuya longitud indica la fuerza del viento.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
77
En la atmósfera hay vapor de agua, que proviene de la evaporación de los
océanos, ríos, lagos, lagunas y de la transpiración de las plantas. Para licuarse y
hacerse visible necesita un núcleo de condensación, algo donde depositarse que
puede ser tan insignificante como una motita de polvo, una espora o un microbio
que flota en el aire. Si la temperatura es superior a 0ºC, con esta unión se forma
una gotita de líquido tan diminuta que a veces se necesitarán varios miles, una al
lado de la otra, para que se hagan visibles. Cuando hace mucho calor, vemos
nubes blancas, densas, que se levantan al atardecer en el lecho de los ríos,
subiendo por las laderas de las montañas. Estas formaciones constituyen la niebla
o la neblina, a veces tan espesa, que flota en el aire como una sábana. Cuando la
neblina se eleva o la condensación se produce a cierta altura, se forman las
nubes.
La humedad de la atmósfera se hace visible a través del rocío y la escarcha. Por
las mañanas las hojas de las plantas, los pétalos de las flores, y aún las piedras
aparecen cubiertas de pequeñas gotas de agua transparente y pura, a la que se
llama rocío. El vapor del agua contenido en el aire se ha condensado sobre la
superficie de los cuerpos de un modo parecido a la forma en que se empaña el
cristal de una ventana en invierno. Los primeros rayos del sol evaporan el rocío.
Si el frío es muy intenso, este rocío se convierte en hielo, y da lugar a la escarcha
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
78
Las nubes no permanecen quietas, sino que caen constantemente, pero a
velocidad tan pequeña, que no llegan al suelo porque muchas veces vuelven a
evaporarse antes de alcanzarlo y ascienden de nuevo en forma de vapor. Al
aumentar el vapor, o si esta velocidad de caída supera los 3 metros por segundo,
las gotas de agua incrementan su peso, provocando lluvia; cuando este peso se
hace mayor, aumenta la velocidad de caída con lo que la lluvia se intensifica y
puede transformarse en una tormenta.
La frecuencia de intensidad de las lluvias son variables en las diferentes regiones
de la Tierra y cambian de acuerdo con la evaporación y con la latitud. La duración
de la lluvia es más breve si el tamaño de las gotas es mayor, como sucede en
chaparrones o aguaceros.
Las montañas también desempeñan un papel importante en la frecuencia de las
lluvias, puesto que obligan a levarse a las masas de aire, lo que provoca la rápida
condensación del agua y su precipitación como lluvia y nieve. Sin embargo,
existen regiones en que la nubosidad es bastante elevada, y la pluviosidad, es
decir, la cantidad de lluvia escasa, por lo que las nubes sólo en raras ocasiones
provoca la precipitación. En estas regiones el problema grave es la sequía
El vapor de agua atmosférico condensado, cae en diferentes formas dependiendo
de las condiciones locales.
La nieve aparece cuando las masas de aire cargadas de vapor de agua se
encuentran con otras cuya temperatura es inferior a cero grados centígrados.
Entonces el agua se cristaliza en forma de "estrellitas de nieve", que durante su
caída pueden formar los copos de nieve con diverso grado de dureza y tamaño.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
79
Otras gotas se convierten en hielo: a medida que van cayendo se agrupan y
forman el granizo, que puede llegar a destrozar cosechas ya que a veces el
tamaño de los cristales llega a ser hasta de 5 a 10 centímetros, pesando varios
gramos.
Cuando los rayos solares inciden sobre las gotas de agua que se encuentran en la
atmósfera, la luz se refleja y se descompone formando el espectro normal de la
luz, que se observa en forma de un arco de siete colores, que se llama arco iris.
RIOS CASCADAS Y LAGOS
La lluvia que cae sobre las montañas da origen a los ríos. El agua de los ríos
siempre está en movimiento. Va hacia abajo (por efecto de la gravedad) y nunca
va hacia atrás.
La lluvia produce una acción erosiva extremada en las cumbres de las montañas,
y el agua se junta en las laderas y se desliza por ellas en busca de la pendiente
más favorable, transportando todos los materiales sueltos que encuentra a su
paso. Así va trazando un camino (al que se llama lecho del río), rápidamente
donde la naturaleza opone poca resistencia, y lentamente cuando encuentra roca
o algún material grande y duro. El agua de los ríos es dulce y transparente.
En todos los ríos que alcanzan su pleno desarrollo se pueden identificar cuatro
partes:
La cuenca alimentadora, que recibe el agua de las lluvias y la dirige hacia surcos
y arroyuelos que, guiándolas hacia las partes más bajas, las concentran en un
único lecho.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
80
El tramo de descarga, en que las aguas, ya reunidas en un cauce torrencial bien
definido, bajan con gran velocidad, erosionando y arrastrando materiales. En esta
parte del cauce del río, el lecho es recto, angosto y hondo. Debido a las
diferencias de altitud, en esta parte de los ríos suelen existir rápidos en los cuales
la corriente es intensa y veloz. Las aguas saltan espumeantes, arremolinadas y
violentas. Las piedras desgajadas en el arrastre chocan varias veces contra
peñas, y al golpear unas contra otras se pulen. En esta parte del río las
discordancias del terreno hacen que en algún momento el río tenga que salvar un
desnivel brusco producido por una falla. Entonces el agua se precipita desde una
determinada altura y da lugar a una cascada o catarata, si el desnivel es muy
grande, y a un salto si el desnivel es pequeño.
El tramo de calma es de pendiente suave y escurrimiento lento. Aquí el cauce del
río se estabiliza. En este tramo, el agua, fatigada de sus luchas con las rocas, de
haber vencido la estrechez de las gargantas y haber superado las cataratas,
pierde ímpetu y se calma. Aquí se producen fenómenos interesantes, uno de los
cuales es la captura.
Cuando el río llega a un valle llano, tiende a extenderse y entonces origina
graciosas curvas, llamadas meandros. También en este tramo se originan las
terrazas o plataformas escalonadas que forman las montañas en cuyos valles
fluye el río.
Por último, la desembocadura es una zona de depósito de los materiales que el
río ha logrado arrastrar hasta el final de su curso.
Al final de su largo viaje, el río se encuentra agotado, ensancha su cauce,
aumenta su caudal, pero su velocidad es poca y su profundidad no suele ser
notable. El río, suponiendo que no haya muerto en un lago, se dispone a verter
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
81
sus aguas en el mar. Pero no siempre se da esa decrepitud y esa calma. Hay ríos
que llegan al mar con fuerza y lanzan sus aguas dulces hacia el interior del
océano. Entonces la desembocadura es un enorme estuario, ancho y abierto. Pero
como el mar también rompe contra corriente, los sedimentos del río se depositan
en gran cantidad a cierta distancia de la costa, formando un banco o barra
sumamente peligrosos para la navegación.
En el caso en el que el río desemboque formando delta, se divide en numerosos
brazos, los cuales se abren paso a paso con cierta dificultad entre el cúmulo de
sedimentos cada vez mayores. Los deltas constituyen uno de los fenómenos más
interesantes de la naturaleza. Avanzan constantemente y es difícil prever su
desarrollo final.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
82
3.3 HIDROGRAFÍA
El drenaje en el área, es principalmente de tipo dentífrico en el área y sólo muy
localmente se aprecia drenaje rectangular en algunas porciones del sector
oriental (Fig. 3.4).
Los ríos más importantes de W a E, son los siguientes: Tehuantepec, Juchitán o
de los Perros, Chicapa, Niltepec y Ostuta. Como accidentes hidrográficos notables
se mencionan las lagunas Superior, Inferior, Mar Tileme y Oriental, siendo la más
profunda la primera con profundidades hasta de 6 m.
El Río Tehuantepec arrojaba al Océano Pacífico cerca de cinco millones de m³ de
azolve anual antes de que la Secretaría de Recursos Hidráulicos (1970)
construyera la Presa Benito Juárez, la cual comenzó a almacenar las aguas del
Río Tehuantepec a partir de junio de 1961, con fines de riego. Desde entonces el
volumen de azolve descendió en la estación hidrométrica Las Cuevas a cerca de
1500 m³ al año.
El Río de los Perros nace a una altura de 1400 m en el parteaguas de la Sierra
Mixe y tiene un curso SE hasta su desembocadura en la Laguna Superior en la
cual también vierte sus aguas el Río Chicapa que nace en el extremo occidental
de la Sierra Madre de Chiapas a una altura de 2 200 m.
Las aguas del Río Niltepec inician su curso al este del Cerro Ocotillo a una altura
de 1400 m llegando a la Laguna Inferior. El Río Ostuta nace en el parteaguas de
la Sierra Madre de Chiapas a una altura de 2 600 m en el Cerro Piccaho Prieto y
desagua en el extremo noreste de la Laguna Oriental.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
83
FIGURA 3.4 DRENAJE EN LA ZONA
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
84
3.4 RELACIÓN LLUVIA ESCURRIMIENTO
Es sumamente común que no se cuente con registros adecuados de escurrimiento
en el sitio de interés para determinar los parámetros necesarios para el diseño y
operación de obras hidráulicas. En general los registros de precipitación son más
abundantes que los de escurrimiento y, además, no se afectan por cambios en la
cuenca, como construcción de obras de almacenamiento y derivación, talas,
urbanización, etc. Por ello, es conveniente contar con métodos que permitan
determinar el escurrimiento en una cuenca mediante las características de las
mismas y la precipitación. Las características de la cuenca se conocen por medio
de planos topográficos y de uso de suelo, y la precipitación a través de
mediciones directas en el caso de predicción de avenidas frecuentes.
Los principales parámetros que intervienen en el proceso de conversión de lluvia
o escurrimiento son los siguientes:
1. Área de la cuenca.
2. Altura total de precipitación
3. Características generales o promedio de la cuenca (forma, pendiente,
vegetación, etc).
4. Distribución de la lluvia en el tiempo.
5. Distribución en el espacio de la lluvia y de las características de la cuenca.
Debido a que, por un lado, la cantidad y la calidad de la información disponible
varían grandemente de un problema a otro y a que, por otro, no siempre se
requiere la misma precisión en los resultados, se han desarrollados una gran
cantidad de métodos para analizar la relación lluviaescurrimiento.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
85
Desde luego la complejidad de los métodos aumenta a medida que se toman en
cuenta más de los parámetros citados anteriormente. En este sentido también
aumenta su precisión, pero los datos que se requieran son más y de mejor
calidad. Sólo se explicaran los métodos que toman en cuenta los cuatro primeros
parámetros, pues los que consideran todos , llamados modelos conceptuales,
matemáticos o de parámetros distribuidos, se encuentran aun en su fase
experimental y, además, la información disponible en México todavía no es lo
suficientemente completa para su aplicación
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
86
3.4.1 MÉTODO DE ENVOLVENTES
Estos métodos toman en cuenta sólo el área de la cuenca. Aunque no son
métodos que analicen propiamente la relación entre la lluvia y el escurrimiento,
se explicaran por ser de enorme utilidad en los casos en que se requiera sólo
estimaciones gruesas de los gastos máximos probables, o bien cuando se carezca
casi por completo de información.
La idea fundamental de estos métodos es relacionar el gasto máximo Q con el
área de la cuenca Ac en la forma:
Q = α A β c (3.1)
donde Q es el gasto máximo y α y β son parámetros empíricos , que también
pueden ser función de A c. Nótese que, con β=1 y α = Ci, 3.1 es la fórmula
racional. Se ha visto que β en el orden de ¾ para cuencas de área menor que
unos 1500 m 2 y de ½ para cuencas mayores
Existen una gran cantidad de fórmulas del tipo de la 3.1 pero la más usada en
México son las de Creager y Lowry. La fórmula de Creager es:
q = 1.303 Cc (0.386 Ac) α Ac –1 (3.2)
donde q es el gasto máximo por unidad de área,
045 . 0
936 . 0 Ac
= α (3.3)
Ac Q q =
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
87
Cc, es un coeficiente empírico y Ac está en km 2
La formula de Lowry es:
( ) 85 . 0 259 + = Ac
CL q (3.4)
Donde CL es otro coeficiente empírico.
Los valores de CC y CL se determinan por regiones, llevando a una gráfica
logarítmica los gastos unitarios máximos q registrados contra sus respectivas
áreas de cuenca y seleccionando el valor de CC y CL que envuelven a todos los
puntos medidos (véase por ejemplo figura 3.3).
El valor de Cc = 200 es la envolvente para todos los puntos que analizó Creager,
aunque Cc = 100 da valores mucho más razonables y se usa como envolvente
mundial. Para la fórmula de Lowry (3.4) se puede tomar un valor de CL = 3500
como mundial
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
88
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
89
FIGURA 3.4
La Secretaria de Agricultura y Recursos Hidráulicos ha calculado los valores de Cc
y CL para las 37 regiones en que ha dividido a la república mexicana (Véase
Figura 3.4) en la tabla los correspondientes a CL.
TABLA 3.1 VALORES DEL COEFICIENTE DE ENVOLVENTE DE LOWRY
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
90
Región No.
Descripción CL
1 Baja California noroeste (Ensenada) 980 2 Baja California centro (El Vizcaíno) 530 3 Baja California suroeste (Magdalena) 2190 4 Baja California noroeste (Laguna Salada) 1050 5 Baja California centro este (Sta. Rosalía) 990 6 Baja California sureste (La paz) 5120 7 Río Colorado 1050 8 Sonora norte 760 9 Sonora sur 2140 10 Sinaloa 3290 11 PresidioSan Pedro zona costera 4630 11 Presidio san pedro zona alta 470 12 LermaSantiago 1290 13 Huicicilia 760 14 Ameca 600 15 Costa de Jalisco 5270 16 Armeria Coahuayana 4940 17 Costa de Michoacán 2100 18 Balsas alto 1090 18 Balsas medio y bajo 4450 19 Costa Grande 2100 20 Costa ChicaRío Verde 3180 20 Alto Río Verde 390 21 Costa de Oaxaca (Pto. Ángel) 3000 22 Tehuantepec 2170 23 Costa de Chiapas 1190 24A Alto BravoConchos 1020 24B Medio Bravo 5170 24C Río Salado 1410 24D Bajo Bravo 2130 25 San Fernando Soto de Marina 2330 26A Alto Pánuco 1360 26B Bajo Panuco 3010 26C Valle de México 760 27 TuxpanNautla 2450 28 Papaloapan 1750 29 Coatzacoalcos 1840
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
91
Región No
Descripción CL
30 GrijalvaUsumacinta 2130 30 Alto Grijalva 610 31 Yucatán oeste (Campeche) 370 32 Yucatán norte (Yucatán) Sin datos 33 Yucatán este (Quintana Roo) Sin Datos 34 Cuencas cerradas del norte 230 35 Mapimí 36 Nazas 1510 36 Aguanaval 380 37 El Salado 1310
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
92
TABLA.3. 2 VALORES DEL COEFICIENTE Cc DE CREAGER.
Región Cc
1. Baja California Norte 30
2. Baja California Sur 72
3. Rió Colorado 14
4. Noroeste
a) Zona Norte 35
b) Zona Sur 64
5. Sistema LermaChapalaSantiago
a) LermaChapala 16
b)Santiago 19
6. Pacífico Centro 100
7. Cuenca Río Balsas
a) Alto Balsas 18
b) Bajo Balsas 32
8. Pacífico Sur 62
9. Cuenca Del Río Bravo
a) Zona Conchos 23
b) Zona Salado y San Juan 91
10. Golfo Norte
11. Cuenca Río Panuco
a) Alto Panuco 14
b) Bajo Panuco 67
12. Golfo Centro 59
13. Cuenca Río Papaloapan 36
14. Golfo Sur 36
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
93
Tabla 3.3
Velocidad media, m/s
Pendiente
% Bosques Pastizales
Canal natural
no bien
definido
03 0.3 0.5 0.3
47 0.6 0.9 0.9
811 0.9 1.2 1.5
1215 1.1 1.4 2.4
3.3a 3.3b
15. Sistema GrijalvaUsumacinta 50
16. Península de Yucatán 3.7
17. Cuencas Cerradas del Norte
(Zona Norte) 4
18. Cuencas Cerradas Del norte
(Zona Sur) 26
19. El Salado (Zona Sur) 45
20. Durango 8.4
21. Cuencas de Cuitzeo y Pátzcuaro 6.8
22. Valle de México 19
23. Cuencas del Río Metztitlán 37
Pendiente del
Cauce
principal, %
Velocidad
Media, m/s
12 0.6
24 0.9
46 1.2
68 1.5
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
94
A continuación se aplican los métodos de Lowry y Creager en el área de estudio
de Salina Cruz Oaxaca
El área de Salina Cruz Oaxaca que da comprendida en la región hidrológica
N. 22 la cual lleva el nombre en el boletín hidrológico como Costas de
Guerrero y Oaxaca.
El área de influencia que se determino en la carta Topográfica
proporcionada por el INEGI fue aproximadamente de 5025 has.
El método de Lowry en la tabla de valores nos dice que como se trata de la
región hidrológica N.22 y el área de estudio pertenece a Salina Cruz Oaxaca
se tomo la zona más próxima que es tehuantepec el cual tiene un valor de
CL= 2170.
El método de Creager maneja otros valores, las cueles se manejan por
zonas en este caso en particular la zona de Salina Cruz Oaxaca se Localiza
en el Pacífico Sur y el cual tiene un Cr = 62.
Fórmula de Lowry q = CL /(Ac+259) 0.85
q = Gastos unitario m 3 /s/Km 2
Ac = Km 2
Fórmula de Creager q = 1.303 Cc (0.386 Ac) α Ac –1
α = 0.936 / Ac 0.048
q = Gastos unitario m 3 /s/Km 2
Ac = Km 2
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
95
* Aplicando la Fórmula de Lowry
CL = 2170
Ac = 5025 has = 50.25 Km 2 (Área de la cuenca)
( ) ( ) 2
3
85 . 0 85 . 0 584 . 16 259 25 . 50
2170 259
Km s m
Ac C q L =
+ =
+ =
s m x Q
3
35 . 833 25 . 50 584 . 16 . máx = =
* Aplicando la Fórmula de Creager
Cr = 62
Ac = 5025 has = 50.25 Km 2 (Área de la cuenca)
q = 1.303 Cc (0.386 Ac) α Ac –1
= 1.303*(62)*(.386*50.25) 0.694 *(50.25) 1 = 16.05
s m X Q
3
51 . 806 25 . 50 05 . 16 . máx = =
MÉTODO GASTO MÁXIMO (m 3 /s)
Lowry 833.35
Creager 806.51
776 . 0 25 . 50 936 . 0 936 . 0
048 . 0 048 . 0 = = = Ac
α
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
96
Aplicación de Creager y Lowry al área exclusivamente de la Refinaría
* Aplicando la Fórmula de Lowry
CL = 2170
Ac = 725 has = 7.25 Km 2 (Área aproximada de la refinería)
( ) ( ) 2
3
85 . 0 85 . 0 83 . 18 259 25 . 7
2170 259
Km s m
Ac C q L =
+ =
+ =
* Aplicando la Fórmula de Creager
Cr = 62
Ac = 725 has = 7.25 Km 2 (Área aproximada de la refinería)
q = 1.303 Cc (0.386 Ac) α Ac –1
= 1.303*(62)*(.386*7.25) 0.851 *(7.25) 1 = 26.75
s m x Q
3
94 . 193 25 . 7 75 . 26 . máx = =
MÉTODO GASTO MÁXIMO (m 3 /s)
Lowry 136.52
Creager 193.94
s m x Q
3
52 . 136 25 . 7 83 . 18 . máx = =
851 . 0 25 . 7 936 . 0 936 . 0
048 . 0 048 . 0 = = = Ac
α
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
97
3.4.2 LA FÓRMULA RACIONAL
La fórmula racional es posiblemente el modelo más antiguo de la relación lluvia
escurrimiento. Su origen se remonta a 1851 ó 1889, de acuerdo con diversos
autores. Este modelo toma en cuanta, además del área de la cuenca, la altura o
intensidad de precipitación y es hoy en día muy utilizado, particularmente en el
diseño de drenajes urbanos y cuencas pequeñas.
El método parte de la idea que si la duración de la lluvia efectiva es mayor que el
tiempo de concentración de la cuenca, se alcanzara un estado de equilibrio, tal
que el volumen de lluvia efectiva que se precipita en la cuenca en un instante
dado es igual al que escurre a la salida de la cuenca en el mismo instante, por lo
que ese instante.
Q = CiA 3.5
Donde Q: gasto de salida de la cuenca cuando alcanza el equilibrio, m 3 /s
C: Coeficiente de escurrimiento que varia para cada cuenca y de una
tormenta a otra debido a las condiciones de humedad inicial
I: Intensidad media de la lluvia para una duración igual al tiempo de
concentración de la cuenca, mm/h
A: área de la cuenca Km 2
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
98
Supóngase que es una cuenca impermeable se hace caer uniformemente una
lluvia de intensidad constante durante un largo tiempo. Al principio el gasto que
se sale de la cuenca será creciente con el tiempo, pero llegará un momento en el
que se alcance un punto de equilibrio, es decir, en el que el volumen que entra
por unidad de tiempo por la lluvia sea el mismo que el gasto de salida de la
cuenca (Véase figura 3.5)
FIGURA 3.5
FIG 3.5
El tiempo que transcurre entre el inicio de la lluvia y el establecido del gasto de
equilibrio se denomina tiempo de concentración, y equivale al tiempo que tarda
en pasar del punto más alejado hasta la salida de la cuenca.
Naturalmente, el tiempo de concentración tc (véase figura 3.5) depende de la
longitud máxima que debe recorrer el agua hasta la salida de la cuenca y de la
velocidad que adquiere, en promedio, dentro de la misma. Esta velocidad está en
función de las perdidas del terreno y los cauces, y de la rugosidad de la superficie
de los mismos. El tiempo de concentración de calcula mediante la ecuación:
v L Tc
3600 =
(3.5)
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
99
donde tc, es el tiempo de concentración de h, L es la longitud del cauce principal
de la cuenca en m y v es la velocidad media del agua en el cauce principal en
m/s. La velocidad media en v se estima con las tablas 3.3a y 3.3b. Nótese que la
fórmula 3.5 no toma en cuenta el recorrido del agua de lluvia desde que llega a la
superficie hasta los cauces.
Otra manera de estimar el tiempo de concentración es mediante la fórmula de
Kirpich.
Ecuación de Kirpich: 325 . 0 3 86 . 0
=
H L Tc
(3.6)
Donde: tc: tiempo de concertación, hrs
L: longitud del cauce principal K
H: disnivel entre los extremos del cauce principal.
Ecuación de Crow:
64 . 0
01 . 0
=
S L Tc
(3.7)
Donde tc: tiempo de concentración ,hrs.
L: longitud del cauce principal, m
S: pendiente media del cauce, en porcentaje
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
100
APLICACIÓN
a) Determinación de la intensidad de lluvia i
En base a la información climatologica, se ocuparon los datos del pluviómetro,
por lo que la intensidad de lluvia se determinara en base a los registros de
alturas de precipitación máxima en 24 hrs.
Utilizando el modelo propuesto por Chow:
Hp = a+blog(Tr) (3.8)
Donde: hp: altura de precipitación, mm
Tr: período de retorno, año
a,b: parámetros estadísticos que definen la función siendo:
(∑hp) (∑log(Tr) 2 (∑logTr)( ∑hp log Tr)
N∑log(Tr)2(∑log Tr) 2
∑hplog Tr(∑log Tr)(∑hp)
N∑log(Tr)2(∑log Tr) 2
Siendo N el número de datos
a= (3.8)a
b= (3.8)b
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
101
Para aplicar la ecuación anterior se debe determinar la hp máxima anual y
ordenar los datos de mayor a menor para asignarles el período de retorno, el cual
por tratarse de un análisis de máximos anuales se utiliza la ecuación de Weilbull,
siendo:
m n Tr 1 +
= 3.9
Donde Tr: período de retorno, años
N: número de datos
m: número de orden
La ecuación de regresión corresponde al tipo líneal, es decir:
y = a+bx
por lo que se tiene la ecuación:
hp = a + b log (Tr)
de donde los parámetros estadísticos resultan:
A= 92.22
B= 31.47
por lo que la ecuación final es:
hp = 92.22+31.47log(Tr) 3.10
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
102
3.5. PRECIPITCIÓN EN LA ZONA DE ANÁLISIS
Dentro de las directrices generales para la realización del estudio, se considero
necesario llevar a cabo una recopilación exhaustiva de los datos de lluvia mensual
u anual de que se disponía en los registros de las estaciones pertenecientes a las
zonas de Salina Cruz y tehuantepec. Se considero necesaria, también la
recopilación de datos mensuales en los casos en que faltaran para completar
valores anuales. Fue preciso hacer un cuidadoso análisis de la información
existente y seleccionar aquellas estaciones que por sus datos, localización
geográfica, confiabilidad etc, pudieran ser usados en el estudio auque algunos
casos contaran con un menor periodo de observación pero que por su estratégica
situación resultaran indispensables utilizar.
De estudios generados se ha determinado a base de mediciones que la zona
presenta una precipitación media anual del orden superior a los 750 mm.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
103
A continuación se presentan las tablas 3.4 y 3.5 tomadas de un periodo de
observación de
SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL
ESTACIÓN: SALINACRUZ
AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 1969 0.0 5.1 348.3 85.0 143.8 238.8 93.5 49.5 1971 78.0 207.1 21.2 90.1 79.4 16.0 0.0 1972 0.0 1.2 24.0 62.2 15.3 81.5 22.2 2.4 6.4 30.0 1973 18.2 2.5 0.0 30.2 85.0 149.6 197.5 120.8 95.1 6.5 0.0 1974 0.0 0.0 29.0 77.4 66.1 33.0 295.0 0.0 0.0 1975 0.0 0.0 43.7 34.7 64.5 16.0 232.3 3.0 7.3 1976 31.0 0.0 121.5 13.0 94.8 43.0 97.6 10.6 0.0 1977 0.0 0.0 88.0 59.4 1.7 51.5 19.0 103.9 0.0 1979 90.0
TABLA 3.4
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
104
TABLA. LLUVIA MÁXIMA EN 24 HRS (mm)
SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL
ESTACIÓN: TEHUANTEPEC
AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 1961 0.0 0.0 13.0 74.5 35.0 42.0 16.0 2.0 160.6 0.0 1962 0.0 0.0 14.0 46.0 60.0 76.0 19.0 56.0 0.0 1963 0.0 6.0 0.0 1.0 30.0 94.0 12.0 90.0 60.5 0.0 0.0 1964 0.0 1.5 23.5 0.0 29.5 38.0 23.0 46.5 2.5 0.0 1965 0.0 0.0 0.0 60.0 8.5 120.0 57.0 28.5 0.0 1966 0.0 0.0 4.5 24.5 27.0 13.0 58.5 33.0 40.0 0.0 1967 0.0 1.0 0.0 0.0 75.0 4.4 31.5 80.5 14.5 0.0 1968 0.0 0.0 40.2 81.5 51.0 131.0 15.5 31.5 15.0 0.0 1969 0.0 0.0 326.0 70.0 233.0 126.0 38.5 0.0 1970 0.0 4.0 10.0 12.0 45.0 35.0 110.0 303.0 34.0 2.0 0.0 1971 0.0 0.0 4.0 14.5 104.0 6.0 40.2 46.5 29.0 28.6 1972 3.0 0.0 62.5 57.0 18.3 18.0 20.5 2.0 14.3 0.0 1973 0.0 0.0 129.5 89.0 93.5 200.0 40.0 66.5 11.5 0.0 1974 0.0 0.0 40.5 64.0 49.0 22.0 124.0 0.0 0.0 1975 0.0 0.0 35.0 17.0 61.0 37.0 186.0 3.0 28.0 1976 36.5 0.0 40.5 2.0 110.0 21.0 92.0 35.0 0.0 1977 0.0 0.0 1.0 8.5 170.0 4.5 53.5 24.0 30.0 11.5 0.0 1978 0.0 9.0 0.0 67.0 103.0 46.5 39.5 72.0 4.0 5.3 1979 20.0 2.5 1.7 13.5 7.0 81.0 32.0 56.5 103.0 15.5 5.0 0.0 1980 2.0 10.0 0.0 15.0 12.0 47.0 66.5 101.0 51.0 0.0 0.0 1981 0.0 3.5 1.0 71.5 302.0 230.0 21.5 81.0 0.0 1982 9.0 0.0 1.5 63.0 32.0 13.5 0.0 20.0 83.5 0.0 1983 0.0 27.0 9.0 1.0 0.0 25.0 31.0 62.5 78.0 73.5 0.0 1984 0.0 1.0 4.0 114.5 126.0 105.0 77.5 0.0 0.0 1985 0.0 8.0 14.0 43.5 122.0 75.5 48.0 7.0 0.0 1986 58.8 56.0 43.0 31.0 104.0 4.5 0.0 1987 2.0 0.5 1.5 9.5 28.0 49.5 22.0 56.0 0.0 0.0 1988 1.0 0.0 0.0 44.5 40.0 82.5 50.5 0.0 1.0 0.0 1989 0.0 22.5 95.0 77.0 20.0 23.0 51.0 0.0 1990 21.0 59.0 1991 0.0 0.0 15.0 197.0 15.5 32.5 79.0 0.0 0.0 1992 0.0 3.0 29.0 0.0 48.0 94.0 94.0 86.0 0.0 110.0 0.0 1993 0.0 13.0 0.0 157.0 165.0 27.0
TABLA 3.5
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
105
3.5.1 PERÍODO DE RETORNO
TABLA 3.6 ORDENAMIENTO DE DATOS Y ASIGNACIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO
hp(máx.) Tr AÑO m (mm) (n+1)/m
log(Tr)
1961 1 326.0 34.00 1.53 1962 2 303.0 17.00 1.23 1963 3 302.0 11.33 1.05 1964 4 200.0 8.50 0.93 1965 5 197.0 6.80 0.83 1966 6 186.0 5.67 0.75 1967 7 170.0 4.86 0.69 1968 8 165.0 4.25 0.63 1969 9 160.6 3.78 0.58 1970 10 131.0 3.40 0.53 1971 11 126.0 3.09 0.49 1972 12 124.0 2.83 0.45 1973 13 122.0 2.62 0.42 1974 14 120.0 2.43 0.39 1975 15 110.0 2.27 0.36 1976 16 110.0 2.13 0.33 1977 17 104.0 2.00 0.30 1978 18 104.0 1.89 0.28 1979 19 103.0 1.79 0.25 1980 20 103.0 1.70 0.23 1981 21 101.0 1.62 0.21 1982 22 95.0 1.55 0.19 1983 23 94.0 1.48 0.17 1984 24 83.5 1.42 0.15 1985 25 82.5 1.36 0.13 1986 26 80.5 1.31 0.12 1987 27 78.0 1.26 0.10 1988 28 76.0 1.21 0.08 1989 29 62.5 1.17 0.07 1990 30 59.0 1.13 0.05 1991 31 58.5 1.10 0.04 1992 32 56.0 1.06 0.03 1993 33 46.5 1.03 0.01
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
106
TABLA 3.7 ASIGNACIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO
hp(max) Tr AÑO m (mm) (n+1)/m
log(Tr) (Tr) 2 LOG (Tr)2 hp logTr
1961 1 326.0 34.00 1.53 1156.00 3.06 499.26 1962 2 303.0 17.00 1.23 289.00 2.46 372.83 1963 3 302.0 11.33 1.05 128.44 2.11 318.42 1964 4 200.0 8.50 0.93 72.25 1.86 185.88 1965 5 197.0 6.80 0.83 46.24 1.67 164.00 1966 6 186.0 5.67 0.75 32.11 1.51 140.12 1967 7 170.0 4.86 0.69 23.59 1.37 116.68 1968 8 165.0 4.25 0.63 18.06 1.26 103.68 1969 9 160.6 3.78 0.58 14.27 1.15 92.70 1970 10 131.0 3.40 0.53 11.56 1.06 69.62 1971 11 126.0 3.09 0.49 9.55 0.98 61.75 1972 12 124.0 2.83 0.45 8.03 0.90 56.08 1973 13 122.0 2.62 0.42 6.84 0.84 50.94 1974 14 120.0 2.43 0.39 5.90 0.77 46.24 1975 15 110.0 2.27 0.36 5.14 0.71 39.09 1976 16 110.0 2.13 0.33 4.52 0.65 36.01 1977 17 104.0 2.00 0.30 4.00 0.60 31.31 1978 18 104.0 1.89 0.28 3.57 0.55 28.73 1979 19 103.0 1.79 0.25 3.20 0.51 26.03 1980 20 103.0 1.70 0.23 2.89 0.46 23.74 1981 21 101.0 1.62 0.21 2.62 0.42 21.14 1982 22 95.0 1.55 0.19 2.39 0.38 17.96 1983 23 94.0 1.48 0.17 2.19 0.34 15.96 1984 24 83.5 1.42 0.15 2.01 0.30 12.63 1985 25 82.5 1.36 0.13 1.85 0.27 11.02 1986 26 80.5 1.31 0.12 1.71 0.23 9.38 1987 27 78.0 1.26 0.10 1.59 0.20 7.81 1988 28 76.0 1.21 0.08 1.47 0.17 6.41 1989 29 62.5 1.17 0.07 1.37 0.14 4.32 1990 30 59.0 1.13 0.05 1.28 0.11 3.21 1991 31 58.5 1.10 0.04 1.20 0.08 2.35 1992 32 56.0 1.06 0.03 1.13 0.05 1.47 1993 33 46.5 1.03 0.01 1.06 0.03 0.60
4239.6 13.60 27.20 2577.37
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
107
Determinado la altura de precipitación ligada a un período de retorno de 25 años.
hp = 92.22+31.47log(25) = 136.21 mm
Sabemos que: t hp i
∆ ∆
= 3.11
Por tratarse de una cuenca pequeña la duración de la tormenta es igual al tiempo
de concentración de la cuenca.
Tomando en cuenta el desnivel y la pendiente de la cuenca.
a) Por Kirpich
Determinado la altura de precipitación ligada a un periodo de retorno de 25 años.
hp = 92.22+31.47log(25) = 136.21 mm
Tomando en cuenta exclusivamente a la refinería.
Por Kirpich
hrs X H xL tc 82 . 2
875 . 1 75 . 3 86 . 0 86 . 0 325 . 0 325 . 0 3
=
=
=
Por Chow
hrs S S
L tc 05 . 5 3750 01 . 0 01 . 0 64 . 0 64 . 0
=
=
=
Por lo que finalmente de la ec. 3.11 se obtiene:
hrs x tc 92 . 0 180
5 . 5 86 . 0 325 . 0 3
=
=
hr mm i 50 . 45
3 21 . 136
= =
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
108
3.5.2 COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO
El coeficiente de escurrimiento (C) varía con el porcentaje de impermeabilidad de
la superficie, el tipo de suelo y la pendiente del área de capacitación.
Algunas ciudades tienen establecidos sus propios valores empíricos de (C). En las
regiones de suelos porosos con pendientes muy pequeñas en la superficie y baja
intensidad de precipitación, el escurrimiento para superficies permeables es
ignorado y el coeficiente esta dado por la proporción de contacto (continuidad)
del área de la fase impermeable. La práctica usual es relacionar el coeficiente de
escurrimiento al tipo de suelo, por ejemplo.
S C
Suelo arenoso, pendiente < 2% 0.050.10
Suelo arenoso, pendiente 2%<S<7% 0.100.15
Suelo arenoso, pendiente <7% 0.150.20
Suelo grueso, pendiente <2% 0.130.17
Suelo grueso, pendiente 2%<S<7% 0.180.22
Suelo grueso, pendiente >7% 0.250.35
Áreas impermeables 0.95
Así mismo el coeficiente de escurrimiento o escurrentia está dado por la
expresión:
C = Volumen de agua que escurre / volumen de agua que llueve
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
109
A continuación se presentan unas tablas de valores C:
Tipo de construcción C
Calles y áreas comerciales 0.850.90
Casa de departamentos, edificios
suburbanos y de negocios
0.700.75
Áreas residenciales 0.500.65
Áreas suburbanas 0.300.50
Tabla 3.8 Coeficientes de escurrimientos para varios tipos de áreas
Tipos de superficie C
Tejados impermeables 0.700.95
Pavimentos asfálticos 0.850.90
Pavimentos de hormigón 0.800.95
Aceras y paceos pavimentados 0.750.85
Aceras y paseos de Grava 0.150.30
Césped, terreno arenoso S 2% 0.050.10
Césped, terreno arenoso 2<S<7% 0.100.15
Césped, terreno arenoso S 7% 0.150.20
Césped, terreno compacto S 2% 0.130.17
Césped, terreno compacto 2<S<7% 0.130.17
Césped, terreno compacto S 7% 0.250.35
Tabla 3.9 Coeficientes de escurrimientos para diversas superficies
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
110
Zonificación C
Negocios 0.700.95
Centro de la ciudad 0.700.95
Alrededores 0.500.70
Residencial (urbana)
Vivienda unifamiliar 0.300.50
Viviendas Plurifamiliares aisladas 0.400.60
Viviendas Plurifamiliares contiguas 0.600.75
Residencial Urbana 0.250.40
Apartamenentos 0.500.70
Industrial
Poco Intensiva 0.500.80
Muy Intensiva 0.600.90
Parque, Cementerios 0.100.25
Áreas recreativas 0.200.35
Estaciones de ferrocarril 0.200.40
Zonas no modificadas 0.100.30
Tabla 3.10 Coeficiente de escurrimiento para diversas zonas
El valor de C puede estar relacionado a los parámetros del área de captación y
precipitación. Por ejemplo, Miller (1968) expreso el coeficiente como C= Cb Cf Cc,
donde los coeficientes Cb, Cf y Cc son referidos al superficie cubierta. Período de
retorno de tormentas y régimen de precipitación.
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
111
Tabla 3.11 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO “C” PERÍODO: 19611993
CONSIDERANDO TODA EL ÁREA DE INFLUENCIA de 5025 Has PRECIPITACIÓN MEDIA (mm)
AÑO/MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 1961 0.0 0.0 0.0 0.0 13.0 74.5 35.0 42.0 16.0 2.0 160.6 0.0 1962 0.0 0.0 0.0 0.0 14.0 46.0 60.0 76.0 19.0 56.0 0.0 0.0 1963 0.0 6.0 0.0 0.0 1.0 30.0 94.0 12.0 90.0 60.5 0.0 0.0 1964 0.0 1.5 23.5 0.0 0.0 29.5 38.0 23.0 46.5 2.5 0.0 0.0 1965 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 60.0 8.5 120.0 57.0 28.5 0.0 0.0 1966 0.0 0.0 0.0 4.5 24.5 27.0 13.0 58.5 33.0 40.0 0.0 0.0 1967 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 75.0 4.4 31.5 80.5 14.5 0.0 0.0 1968 0.0 0.0 0.0 0.0 40.2 81.5 51.0 131.0 15.5 31.5 15.0 0.0 1969 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 326.0 70.0 233.0 126.0 38.5 0.0 0.0 1970 0.0 4.0 10.0 0.0 12.0 45.0 35.0 110.0 303.0 34.0 2.0 0.0 1971 0.0 0.0 0.0 4.0 14.5 104.0 6.0 40.2 46.5 29.0 0.0 28.6 1972 3.0 0.0 0.0 0.0 62.5 57.0 18.3 18.0 20.5 2.0 14.3 0.0 1973 0.0 0.0 0.0 0.0 129.5 89.0 93.5 200.0 40.0 66.5 11.5 0.0 1974 0.0 0.0 0.0 0.0 40.5 64.0 49.0 22.0 124.0 0.0 0.0 0.0 1975 0.0 0.0 0.0 0.0 35.0 17.0 61.0 37.0 186.0 3.0 0.0 28.0 1976 36.5 0.0 0.0 40.5 2.0 110.0 21.0 92.0 0.0 35.0 0.0 0.0 1977 0.0 0.0 0.0 1.0 8.5 170.0 4.5 53.5 24.0 30.0 11.5 0.0 1978 0.0 9.0 0.0 0.0 67.0 103.0 46.5 39.5 72.0 4.0 0.0 5.3 1979 20.0 2.5 1.7 13.5 7.0 81.0 32.0 56.5 103.0 15.5 5.0 0.0 1980 2.0 10.0 0.0 15.0 12.0 47.0 66.5 101.0 51.0 0.0 0.0 0.0 1981 0.0 0.0 3.5 0.0 1.0 71.5 302.0 230.0 21.5 81.0 0.0 0.0 1982 9.0 0.0 0.0 1.5 63.0 32.0 13.5 0.0 20.0 83.5 0.0 0.0 1983 0.0 27.0 9.0 1.0 0.0 25.0 31.0 62.5 78.0 73.5 0.0 0.0 1984 0.0 0.0 1.0 0.0 4.0 114.5 126.0 105.0 77.5 0.0 0.0 0.0 1985 0.0 8.0 0.0 0.0 14.0 43.5 122.0 75.5 48.0 7.0 0.0 0.0 1986 0.0 0.0 0.0 58.8 56.0 43.0 31.0 104.0 4.5 0.0 0.0 1987 2.0 0.5 1.5 0.0 9.5 28.0 49.5 22.0 56.0 0.0 0.0 0.0 1988 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 44.5 40.0 82.5 50.5 0.0 1.0 0.0 1989 0.0 22.5 0.0 0.0 95.0 77.0 20.0 23.0 51.0 0.0 0.0 0.0 1990 0.0 0.0 0.0 0.0 21.0 0.0 59.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1991 0.0 0.0 0.0 0.0 15.0 197.0 15.5 32.5 79.0 0.0 0.0 0.0 1992 0.0 3.0 29.0 0.0 0.0 48.0 94.0 94.0 86.0 0.0 110.0 0.0 1993 0.0 0.0 13.0 0.0 0.0 157.0 165.0 27.0 0.0 0.0 0.0 0.0'
SUMATORIA 73.5 95.0 92.2 81.0 743.5 2551.5 1828.7 2340.7 2125.0 742.5 330.9 61.9 MEDIA 2.23 2.88 2.79 2.45 22.53 77.32 55.42 70.93 64.39 22.50 10.03 1.88 MEDIA (cm) 0.223 0.288 0.279 0.245 2.253 7.732 5.542 7.093 6.439 2.250 1.003 0.188 he (cm) 0.16 0.13 0.14 0.15 0.22 3.70 2.04 3.19 2.69 0.21 0.00 0.17 C 0.714 0.464 0.489 0.61 0.096 0.478 0.368 0.45 0.418 0.095 8E04 0.93
C = 0.43
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
112
TABLA 3.12 DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO “C” PERÍODO 19611993
CONSIDERANDO EL ÁREA DE LA REFINERÍA IGUAL A 725 Has PRECIPITACIÓN MEDIA (mm)
AÑO/MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 1961 0.0 0.0 0.0 0.0 13.0 74.5 35.0 42.0 16.0 2.0 160.6 0.0 1962 0.0 0.0 0.0 0.0 14.0 46.0 60.0 76.0 19.0 56.0 0.0 0.0 1963 0.0 6.0 0.0 0.0 1.0 30.0 94.0 12.0 90.0 60.5 0.0 0.0 1964 0.0 1.5 23.5 0.0 0.0 29.5 38.0 23.0 46.5 2.5 0.0 0.0 1965 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 60.0 8.5 120.0 57.0 28.5 0.0 0.0 1966 0.0 0.0 0.0 4.5 24.5 27.0 13.0 58.5 33.0 40.0 0.0 0.0 1967 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 75.0 4.4 31.5 80.5 14.5 0.0 0.0 1968 0.0 0.0 0.0 0.0 40.2 81.5 51.0 131.0 15.5 31.5 15.0 0.0 1969 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 326.0 70.0 233.0 126.0 38.5 0.0 0.0 1970 0.0 4.0 10.0 0.0 12.0 45.0 35.0 110.0 303.0 34.0 2.0 0.0 1971 0.0 0.0 0.0 4.0 14.5 104.0 6.0 40.2 46.5 29.0 0.0 28.6 1972 3.0 0.0 0.0 0.0 62.5 57.0 18.3 18.0 20.5 2.0 14.3 0.0 1973 0.0 0.0 0.0 0.0 129.5 89.0 93.5 200.0 40.0 66.5 11.5 0.0 1974 0.0 0.0 0.0 0.0 40.5 64.0 49.0 22.0 124.0 0.0 0.0 0.0 1975 0.0 0.0 0.0 0.0 35.0 17.0 61.0 37.0 186.0 3.0 0.0 28.0 1976 36.5 0.0 0.0 40.5 2.0 110.0 21.0 92.0 0.0 35.0 0.0 0.0 1977 0.0 0.0 0.0 1.0 8.5 170.0 4.5 53.5 24.0 30.0 11.5 0.0 1978 0.0 9.0 0.0 0.0 67.0 103.0 46.5 39.5 72.0 4.0 0.0 5.3 1979 20.0 2.5 1.7 13.5 7.0 81.0 32.0 56.5 103.0 15.5 5.0 0.0 1980 2.0 10.0 0.0 15.0 12.0 47.0 66.5 101.0 51.0 0.0 0.0 0.0 1981 0.0 0.0 3.5 0.0 1.0 71.5 302.0 230.0 21.5 81.0 0.0 0.0 1982 9.0 0.0 0.0 1.5 63.0 32.0 13.5 0.0 20.0 83.5 0.0 0.0 1983 0.0 27.0 9.0 1.0 0.0 25.0 31.0 62.5 78.0 73.5 0.0 0.0 1984 0.0 0.0 1.0 0.0 4.0 114.5 126.0 105.0 77.5 0.0 0.0 0.0 1985 0.0 8.0 0.0 0.0 14.0 43.5 122.0 75.5 48.0 7.0 0.0 0.0 1986 0.0 0.0 0.0 58.8 56.0 43.0 31.0 104.0 4.5 0.0 0.0 1987 2.0 0.5 1.5 0.0 9.5 28.0 49.5 22.0 56.0 0.0 0.0 0.0 1988 1.0 0.0 0.0 0.0 0.0 44.5 40.0 82.5 50.5 0.0 1.0 0.0 1989 0.0 22.5 0.0 0.0 95.0 77.0 20.0 23.0 51.0 0.0 0.0 0.0 1990 0.0 0.0 0.0 0.0 21.0 0.0 59.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1991 0.0 0.0 0.0 0.0 15.0 197.0 15.5 32.5 79.0 0.0 0.0 0.0 1992 0.0 3.0 29.0 0.0 0.0 48.0 94.0 94.0 86.0 0.0 110.0 0.0 1993 0.0 0.0 13.0 0.0 0.0 157.0 165.0 27.0 0.0 0.0 0.0 0.0'
SUMATORIA 73.5 95.0 92.2 81.0 743.5 2551.5 1828.7 2340.7 2125.0 742.5 330.9 61.9 MEDIA 2.23 2.88 2.79 2.45 22.53 77.32 55.42 70.93 64.39 22.50 10.03 1.88 MEDIA (cm) 0.223 0.288 0.279 0.245 2.253 7.732 5.542 7.093 6.439 2.250 1.003 0.188 he (cm) 0.02 0.01 0.01 0.02 0.82 5.59 3.56 4.99 4.38 0.81 0.11 0.03 C 0.108 0.04 0.046 0.078 0.362 0.724 0.642 0.704 0.681 0.362 0.113 0.18
C= 0.33
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
113
3.6 NÚMERO DE ESCURRIMIENTO Y TIEMPOS PARCIALES EN
LA ZONA
TABLA 3.13 SELECCIÓN DEL NÚMERO DE ESCURRIMIENTO “N” Uso de la tierra Tratamiento Pendientes Tipo de suelo
y cobertura del suelo del terreno
en % A B C D
Sin cultivo Surcos rectos ________ 77 86 91 94
Cultivo en surcos Surcos rectos >1 72 81 88 91
Surcos rectos <1 67 78 85 89
Contorneo >1 70 79 84 88
Contorneo <1 65 75 82 86
Terrazas >1 66 74 80 82
Terrazas <1 62 71 78 81
Cereales Surcos rectos >1 65 76 84 88
Surcos rectos <1 63 75 83 87
Contorneo >1 63 74 82 85
Contorneo <1 61 73 81 84
Terrazas >1 61 72 79 82
Terrazas <1 59 70 78 81
Leguminosas o Surcos rectos >1 66 77 85 89
Praderas con Surcos rectos <1 58 72 81 85
Rotación Contorneo >1 84 75 83 85
Contorneo <1 55 69 78 83
Terrazas >1 63 73 80 83
Terrazas <1 51 67 76 80
Pastizales ____________ >1 66 79 86 89
_____________ <1 39 61 74 80
Contorneo >1 47 67 81 88
Contorneo <1 6 35 70 79
Pradera Permanente ______________ <1 30 58 71 78
Bosque Naturales
Muy Alto ______________ ___ 56 75 86 91
Ralo ______________ ___ 46 68 78 84
Normal ______________ ___ 36 60 70 77
Espeso ______________ ___ 26 52 62 69
Muy Espeso ______________ ___ 15 44 54 61
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
114
Caminos
De tercería __________________ ____ 72 82 87 89
Con superficie dura __________________ ____ 74 84 90 92
Suelo Tipo A Arenas con poco limo y arcilla, suelos muy permeables
Suelo tipo B Arenas finas y limos
Suelo tipo C Arenas muy finas, suelos con alto contenido de arcilla
Suelo Tipo D Arcilla en grandes cantidades, suelos poco profundos con sub
horizontes de roca sana, suelos muy permeables.
TABLA 3.14 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ESCURRIMIENTO
EN EL ÁREA DE INFLUENCIA
TIPO DE
CUBIERTA % ÁREA ÁREA/100 N ÁREAXN
TERRAZERIA 39 0.39 87 33.93
SUPERFICIE
DURA 47 0.47 92 43.24
PATIZAL
NATURAL 14 0.14 39 5.48
N = 82.63
Como el coeficiente de escurrimiento, varía por cada tormenta, dependiendo del
grado de humedad inicial en el suelo, se determinará un coeficiente medio para el
área de influencia, en función a la precipitación media histórica (tabla 3.11)
Resultando Final C = 0.43
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
115
TABLA 3.15 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE ESCURRIMIENTO EN EL
ÁREA DE LA REFINERÍA
TIPO DE CUBIERTA ÁREA Has % ÁREA ÁREA/100 N ÁREA X N SUPERFICIE DE ASFALTO
Y CONCRETO 725 100 1.00 92 92.00
N = 92
El coeficiente de escurrimiento en el área de la refinería es C= 0.33
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
116
Fórmula
te = 0.303
l = 3750 m
S = 0.05
Sustituyendo
64 . 0 ) 05 . 0
5750 ( 303 . 0 = te
te = 73 min
tc =2m este valor se toma en alcantarillado
v = 1.2 m/s
tc (L/v)/60 seg
100 1.38
120 1.66
150 2.08
200 2.78
250 3.47
300 4.17
350 4.86
425 5.90
550 7.64
625 8.68
Tabla 3.16 Tiempos parciales en el área de la refinería
64 . 0
S I
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
117
3.7. CALCÚLO DE LOS GASTOS APROXIMADOS EN LA REFINERÍA
tc i = 2860/ 15+t(mm/ h) Q (tls)
15.39 94.11 543.5
37.22 54.77 1044.86
57.97 39.19 1296.97
78.72 30.52 1489.60
134.34 19.15 1353.5
3.04 158.54 501.42
12.42 104.30 1238.22
22.49 76.29 1276.37
26.93 68.21 950.47
33.18 59.36 1016.52
41.09 50.99 1132.62
44.56 48.02 1500.7
47.77 45.56 1675.69
45.15 46.02 1840.26
114.69 22.05 1324.23
75.95 31.45 640.63
47.52 45.75 1553.85
16.68 90.28 2772.57
8.34 122.54 926.78
Tabla 3.17 Gastos aproximados en la refinería
CAPITULO III. ANÁLISIS HIDROLÓGICO
118
Los gastos máximos determinados por los diferentes métodos, se resumen a
continuación en la tabla 3.18
Método Utilizado Q ( m 3 /seg.)
Lowri (área de la cuenca) 833.35
Creager (área de la cuenca) 806.31
Lowri (área aprox. De la refinería) 136.52
Creager (área aprox. de la refinería) 193.94
Racional (toda la refinería) 30
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
119
CAPITULO IV DISEÑO HIDRÁULICO
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
120
4 DISEÑO HIDRÁULICO DE CANALES.
El diseño de los canales, como el de cualquier obra de ingeniería civil, debe
considerarse diversos aspectos además del estrictamente hidráulico. La seguridad
es generalmente la condición primera a cumplir (en su caso); la eficiencia y la
economía de las restantes más comunes, intervienen factores tales como los
siguientes:
a) El medio físico: topografía, hidrología, geología, características mecánicas del
suelo, climatología.
b) Uso al que se destinará el canal o sistema de canales; si servirá para riego, se
considera entre otras las características agronómicas.
c) Si el canal será revestido; en caso negativo, las características del suelo donde
será excavado (en relación con la infiltración, la estabilidad de taludes y la
susceptibilidad a socavación o deposito) y las del líquido a transportar, (respecto
al transporte de sedimentos).
d) Equipo disponible y métodos constructivos; si el canal será revestido, el tipo de
revestimiento.
e) Las condiciones ambientales, urbanas, de propiedad de la tierra, estéticas y
otras.
Esencialmente por supuesto, el objetivo de un conducto cualquiera es transportar
el líquido.
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
121
Se debe agregar las siguientes consideraciones generales, aplicables a todo tipo
de canales, sean revestidos a no.
a) Puede suceder que sea inconveniente y aun imposible construir la sección de
máxima eficiencia hidráulica en el material natural disponible ( por ejemplo
respecto a taludes).
b) Una sección optima presenta el área mínima de la sección transversal, pero en
el costo del movimiento de tierras intervienen también aspectos tales como el
acarreo y el manejo del material resultante de la excavación, así como el balance
entre cortes y rellenos.
c) El terreno natural puede imponer, a veces, valores de la pendiente; sin
embargo, en el costo total relacionado con la excavación intervienen tanto el área
de la sección transversal (a menor pendiente, mayor área) como la excavación
adicional resultante de adoptar una pendiente mayor, que la del terreno natural
( a mayor diferencia de pendientes y por tanto menor área hidráulica penetración
a mayor profundidad). Por otro lado, igual que ocurre con el trazo de caminos, a
menor pendiente corresponde un mayor desarrollo longitudinal.
d) En le caso de los canales no revestidos, es muy importante reducir al mínimo
posible las pérdidas de liquido por infiltración, las que pueden llegar a valores
muy altos, del orden del 50% u aun más, como se verá más adelante, se puede
aplicar criterios de diseño que minimizan dichas pérdidas.
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
122
4.1 DISEÑO DE CANALES CON FLUJO UNIFORME
4.1.1 CANALES NO EROSIONABLES.
La mayor parte de los canales artificiales revestidos y construidos pueden resistir
la erosión de manera satisfactoria y, por consiguiente, se consideran no
erosionables. Los canales artificiales no revestidos por lo general son
erosionables, excepto aquellos excavados en cimentaciones firmes, como un
lecho en roca. En el diseño de canales artificiales no erosionables, factores como
la velocidad permisible máxima y la fuerza tractiva permisible no hacen parte del
criterio que debe ser considerado.
El diseñador simplemente calcula las dimensiones del canal artificial mediante una
ecuación del flujo uniforme y luego decide acerca de las dimensiones finales con
base a la eficiencia hidráulica o reglas empíricas de sección optima, aspectos
prácticos constructivos y economía.
Los factores que se consideran en el diseño son: la clase del material que
conforma el cuerpo del canal, la cual determina el coeficiente de rugosidad, la
velocidad mínima permisible, para evitar la depositación si el agua mueve limos o
basuras; la pendiente del fondo del canal y las pendientes laterales; el bordo
libre; y la sección más eficiente, ya sea determinada hidráulica o empíricamente.
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
123
4.1.2 MATERIAL Y REVESTIMIENTO NO EROSIONABLE.
Los materiales no erosionables utilizados para formar el revestimiento de un canal
o el cuerpo de un canal desarmable, incluyen concreto, mampostería, acero,
hierro fundido, madera, vidrio, plástico, etc. La selección del material depende
sobre todo de la disponibilidad y el costo de este, el método de construcción y el
propósito para el cual se utilizara el canal.
El propósito del revestimiento de un canal artificial, en la mayor parte de los
casos, es prevenir la erosión, pero ocasionalmente puede ser el de evitar las
perdidas de agua por infiltración. En canales artificiales revestidos, la velocidad
máxima permisible, es decir, la velocidad máxima que no causara erosión, puede
no considerarse siempre y cuando el agua no transporte arena, grava o piedras.
Si van ha existir velocidades muy altas sobre el revestimiento, sin embargo debe
recordarse que existe una tendencia en el agua que se mueve muy rápidamente
de mover los bloques de revestimiento y empujarlos por fuera de su posición. Por
consiguiente el revestimiento debe diseñarse contra estas posibilidades.
RECOMENDACIONES GENERALES
Las siguientes recomendaciones se aplican a todos los canales, en general.
4.1.3 VELOCIDAD MÍNIMA PERMISIBLE.
La velocidad mínima permisible o velocidad no sedimentante es la menor
velocidad que no permite el inicio de la sedimentación y no induce el crecimiento
de plantas acuáticas y de musgo. Esta velocidad es muy incierta y su valor exacto
no puede determinarse con facilidad; sin embargo, se ha encontrado que en
términos generales, en cuanto al primer requisito, si la velocidad se encuentra
entre 0.60 y 0.90 m/s, aproximadamente, no se produce sedimentación de
material fino cuando la concentración es pequeña.
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
124
Una buena norma de diseño es la de obtener una velocidad máxima sin que se
produzca erosión, en el caso de los canales no revestidos; así se daría un buen
paso para cumplir con los dos objetivos mencionados.
4.1.4 PENDIENTES DE CANAL
La pendiente longitudinal del fondo de un canal por lo general esta dada por la
topografía y por la altura de energía requerida por el flujo de agua. En muchos
casos, la pendiente también depende del propósito del canal; por ejemplo los
canales utilizados para propósitos de distribución de agua, como los utilizados en
irrigación, abastecimientos de agua, minería hidráulica y proyectos hidroeléctricos
requieren un alto nivel en el punto de entrega. Por consiguiente es conveniente
una pendiente pequeña para mantener en el mínimo posible las pérdidas en
elevación.
Las pendientes laterales de un canal dependen principalmente de la clase de
material. La tabla 4.1 da una idea general de las pendientes apropiadas para ser
utilizadas con diferentes clases de material.
Otros factores que deben considerarse para determinar las pendientes laterales
son el método de construcción, la condición de pérdidas por infiltración, los
cambios climáticos, el tamaño del canal, etc. En general las pendientes laterales
deben hacerse tan empinadas como sea factible y deben diseñarse de acuerdo
con una alta eficiencia y estabilidad hidráulica. Para canales revestidos ha
considerado la normalización de una pendiente de 1.5:1 para los tamaños usuales
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
125
de canales. Una ventaja de esta pendiente es que es lo suficientemente plana
para permitir un uso factible de casi cualquier tipo de revestimiento o tratamiento
de revestimiento en el presente o en el futuro anticipado.
Material Pendiente Lateral
Roca Aproximadamente Vertical
Estiércol y suelos de turba ¼ :1
Arcilla rígida o tierra con
recubrimientos de concreto ½ :1 a 1:1
Arcilla en firme o tierra en
canales pequeños 1 ½ :1
Tierra arenosa suelta 2:1
Marga arenosa o arcilla porosa 3:1
Tierra con recubrimiento de piedras
o tierra en canales grandes 1:1
Tabla 4.1 Pendientes laterales apropiadas para canales construidos en
diferentes clases de materiales.
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
126
4.1.5 BORDO LIBRE
El bordo libre de un canal es la distancia vertical desde la parte superior del canal
hasta la superficie del agua en la condición de diseño. Esta distancia debe ser lo
suficientemente grande para prevenir que ondas o fluctuaciones en la superficie
del agua causen reboses por encima de los lados. Este factor se vuelve muy
importante en especial en el diseño de canaletas elevadas, debido a que la
subestructura de éstos puede ponerse en peligro por cualquier rebose.
4.1.6 TALUD
Las propiedades mecánicas del material térreo determinan el valor del talud
máximo de un canal. Para mantener la estabilidad. Como regla general, es
conveniente aplicar el talud máximo permisible, para reducir el espacio requerido
para el canal (en planta), aunque desde el punto de vista hidráulico un talud
reducido permite obtener mayor área para un valor dado del tirante (o un valor
reducido del tirante, para un valor dado del área hidráulica).
B = Ancho de superficie libre Bordos
Bl = Bordo
Libre
d = tirante
b= Ancho de plantilla t = Talud
Figura 4.1 Esquema de las partes de una canal.
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
127
4.2 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
Las fórmulas aplicables para conocer el gasto que escurren, requieren conocer la
precipitación pluvial máxima, así como las características de la cuenca por drenar,
como son el área, topografía y tipo de suelo de la misma.
Para este caso, conocemos que la precipitación pluvial máxima horaria, es de 8
cm/hora; por lo que observando el plano de localización general del estudio de
escurrimientos superficiales exteriores, podemos establecer según la información
topográfica, las áreas de aportación a cada una de las corrientes como se
muestra en el plano de referencia.
Bajo estas condiciones podemos determinar los gastos y dimensiones para cada
uno de los canales propuestos.
El método a emplear es el de máxima eficiencia hidráulica que plantea:
Para ciertas condiciones topográficas (clases de terreno en que se ubique) de un
canal, puede presentarse el problema de que dada el área de la sección
transversal y la pendiente longitudinal en el mismo, se debe encontrar la forma
más conveniente que se dará a dicha sección transversal para que por ella
escurra el gasto máximo posible.
Usaremos la ecuación de la continuidad Q = Av y la de Maning para la velocidad,
o sea 4.1 2 1
3 2
S R n A Q =
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
128
Para que sea máximo el gasto, puesto que el área permanece constante, deberá
serlo la velocidad, para que ésta, así resulte, deberá tenerse el radio hidráulico
máximo puesto que las demás magnitudes permanecen constantes.
Específicamente hablando de canales trapeciales, podemos tener infinitas
combinaciones de ancho de plantilla, tirante y taludes para la misma área “A”.
La posibilidad que hace máximo al radio hidráulico es cuando el perímetro mojado
es mínimo; si suponemos también que los taludes están obligados, tendremos:
A = bd + td 2 4.2 2 1 2 t d b p + + = 4.3
De (4.2) obtenemos …………………… 4.2’ que sustituimos en (4.3) da:
…………………………………………… 4.3’
Para que este perímetro sea mínimo, se deberá cumplir que:
……………………………….4.4
por lo tanto ( ) t t d A − + = 2 2 1 2
Si ponemos k t t = − + 2 1 2 , resulta
A = k d 2 .............4.5 , o ……………………….4.5’
Sustituyendo este valor en (4.3’):
( )= − + + = + + − = t t d Kd t d td d d K p 2 2
2
1 2 1 2
P = Kd + Kd = 2 Kd…………………4.6
td d A b − =
K A d =
( ) 2 1 2 t d td d A p + + − =
2 2 1 2 0 t t
d A
dd dp
+ + − −
= =
t t d A
− + 2 2 1 2
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
129
Sustituyendo ahora la (4.5) en (4.2’):
…………..4.7
En idéntica forma: B = d (K+t)…………………...4.8
Como ............4.9
Esta es la condición que debe cumplirse con cualquier forma de sección
transversal de canal, para que ella sea de máxima eficiencia ósea que el radio
hidráulico debe ser la mitad del tirante.
Entonces, para que prácticamente se cumpla la condición de máxima eficiencia en
la sección transversal de un canal trapecial deberán verificarse las ecuaciones
(4.5). (4.6), (4.7), (4.8), (4.9) y al mismo tiempo la ecuación (4.1) o sea
……………………………4.1’
Generalmente, en un problema determinado se procederá por tanteos a modo de
igualar los valores dados por las expresiones (4.5) y (4.1’). La sección que
siempre cumple con la condición de máxima eficiencia es la semicircular, puesto
que.
2 4 2
8 ;
2 ,
8
2 2 d D D
D p A R D p D A = = = = = =
π π π π
R
) ( 2
t K d td kd td d Kd b − = − = − =
2 2
2 d Kd Kd
p A R = = =
2 1
3 2 S R Qn A=
2 D R d = =
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
130
Una vez delimitadas las áreas, y con la información topográficas disponible para
determinar las pendientes de fondo de los canales, según la localización
propuesta, procedemos a calcular las dimensiones de cada uno de ellos .
Sección optima para un canal trapecial
Se sabe que el radio hidráulico optimo vale.
( ) [ ] t t d b
− + = 2 1 2
( ) [ ] t t C − + = 2 1 2 1
b = C1d
Por otro lado:
( ) 2 1
3 2
2 ) ( 1
2
S d n td d d C Q
+ =
( )
8 3
2 1
3 2
1
2
+ =
S t C
Qn d
pm Ah d Rh = =
2
( ) ( ) 2 1 2 2
2 d t d b
td bd = + +
+
( ) ( ) 2 2 1 2 2 t d b d td bd + + = +
2 2 2 1 2 2 2 t d bd td bd + + = +
td t d bd bd 2 1 2 2 2 2 − + = −
( ) [ ] t t d bd − + = 2 1 2 2
( ) [ ] t t d bd
− + = 2 2 1 2
( ) ( ) 2 1
3 2
2 1
3 2
2
2
S d n td bd S Rh
n Ah Q
+
= =
( )
+ =
+ = 3
8 2 1 3
2
2 1 3
2
2
2 1 1
2 1 d S
n t C S d
n t C d Q
( ) 2 1
3 2
3 8
1
2
S t C
Qn d
+
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
131
4.3 PROPUESTAS DE SECCIÓN TRANSVERSAL DE CANAL COLECTOR
APLICACIÓN PROPUESTA 1, CANAL 7.
Datos
Q = 7 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 0 1.14 ≈ 1.12
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
75 . 1 0005 . 0 0 2 018 . 0 7 2 2 8
3 8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 2*1.75 = 3.5 m
d = 1.75 m
bl =0.30
b = 3.5 m
( ) ( ) 2
0 0 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
132
APLICACIÓN PROPUESTA 2, CANAL 7.
Datos COMPROBACIÓN
Q = 7 m 3 /s V continuidad = V manning
S = 0.0005
n = 0.018 1.12 ≈ 1.22
t = 1.5:1
( ) ( ) 605 . 0
5 . 1 5 . 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
72 . 1 0005 . 0 5 . 1 605 .
018 . 0 7 2 2 8 3
8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.605*1.72 = 1.04 m
d = 1.72m
b = 1.04m
B = 7.01m
Bl = 0.30
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
133
APLICACIÓN PROPUESTA 3, CANAL 7.
Datos
Q = 7 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 1:1 1.16 ≈ 1.14
( ) ( ) 83 . 0
1 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
81 . 1 0005 . 0 1 83 . 018 . 0 7 2 2 8
3 8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.83*1.81 = 1.50 m
d =1.81m
b =1.50m
B = 5.72m
Bl = 0.30
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
134
APLICACIÓN PROPUESTA 1, DISEÑO DEL CANAL COLECTOR.
Datos
Q = 30 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 0 1.63 ≈ 1.63
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
03 . 3 0005 . 0 0 2 018 . 0 30 2 2 8
3 8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 2*3.03 = 6.06 m
d = 3.03 m
bl =0.30
b = 6.06 m
( ) ( ) 2
0 0 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
135
APLICACIÓN PROPUESTA 2, DISEÑO DEL CANAL COLECTOR.
Datos COMPROBACIÓN
Q = 30 m 3 /s V continuidad = V manning
S = 0.0005
n = 0.018 1.62 ≈ 1.59
t = 1.5:1
( ) ( ) 605 . 0
5 . 1 5 . 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
97 . 2 0005 . 0 5 . 1 605 . 018 . 0 30 2 2 8
3 8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.605*2.97 = 1.79 m
d = 2.97 m
b = 1.79 m
B = 9.97m
Bl = 0.30
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
136
APLICACIÓN PROPUESTA 3, CANAL 7.
Datos
Q = 30 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 1:1 1.67 ≈ 1.64
( ) ( ) 83 . 0
1 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
13 . 3 0005 . 0 1 83 . 018 . 0 30 2 2 8
3 8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.83*3.13 = 2.59 m
d =3.13m
b =2.59m
B = 8.24m
Bl = 0.30
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
137
APLICACIÓN PROPUESTA 1, CANAL 7 Diseño con el gasto mínimo.
Datos
Q = 0.5 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 0 0.59 = 0.59
( ) ( ) 2
0 0 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
65 . 0
0005 . 0 0 2
018 . 0 5 . 0 2 2 8 3
8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 2*0.65 = 1.3 m
d = 0.65 m
bl =0.30
b =1.3 m
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
138
APLICACIÓN PROPUESTA 2, CANAL 7 Diseño con el gasto mínimo.
Datos COMPROBACIÓN
Q = 0.5 m 3 /s V continuidad = V manning
S = 0.0005
n = 0.018 0.58 = 0.58
t = 1.5:1
( ) ( ) 605 . 0
5 . 1 5 . 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
64 . 0
0005 . 0 5 . 1 605 .
018 . 0 5 . 0 2 2 8 3
8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.605*0.64 = 0.38 m
d = 0.64m
b = 0.38m
B = 7.01m
Bl = 0.30
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
139
APLICACIÓN PROPUESTA 3, CANAL 7 Diseño con el gasto mínimo.
Datos
Q = 0.5 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 1:1 0.60 ≈ 0.60
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
67 . 0
0005 . 0 1 83 .
018 . 0 5 . 0 2 2 8 3
8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.83*0.67 = 0.55 m
d =0.67m
b =0.55m
B = 5.72m
Bl = 0.30
( ) ( ) 83 . 0
1 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
140
APLICACIÓN PROPUESTA 1, CANAL COLECTOR, Diseño con el gasto
intermedio.
Datos
Q = 1.7 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 0 0.80 ≈ 0.79
( ) ( ) 2
0 0 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
03 . 1
0005 . 0 0 2
018 . 0 7 . 1 2 2 8 3
8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 2*1.03 = 2.06m
d = 1.03 m
bl =0.30
b = 2.06m
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
141
APLICACIÓN PROPUESTA 2, CANAL COLECTOR diseño con el gasto
intermedio.
Datos COMPROBACIÓN
Q = 1.7 m 3 /s V continuidad = V manning
S = 0.0005
n = 0.018 0.79 = 0.79
t = 1.5:1
( ) ( ) 605 . 0
5 . 1 5 . 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
01 . 1 0005 . 0 5 . 1 605 . 0 018 . 0 7 . 1 2 2 8
3 8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.605*1.01 = 0.611 m
d = 1.01m
b = 0.611m
B = 7.01m
Bl = 0.30
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
142
APLICACIÓN PROPUESTA 3, CANAL COLECTOR con el gasto intermedio.
Datos
Q = 1.7 m 3 /s COMPROBACIÓN
S = 0.0005 V continuidad = V manning
n = 0.018
t = 1:1 0.83 ≈ 0.81
( ) ( ) 83 . 0
1 1 1 2
1 2
1
2 1
2 1
=
− + =
− + =
C C
t t C
( )( ) ( )
( )( ) ( )
m d S t C n Q d
06 . 1 0005 . 0 1 83 . 0 018 . 0 7 . 1 2 2 8
3 8 3
1 2 1
3 2
2 1
3 2
=
+ =
+ =
b = C1*d
b = 0.83*1.06 = 0.88 m
d =1.06m
b =0.88m
B = 5.72m
Bl = 0.30
2 1
3 2 1 S Rh
n Ah Q
=
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
143
El diseño adoptado será el siguiente:
CANAL 1 CANAL COLECTOR
Q = 7m 3 /s t = 1.5:1 n= 0.018 s= 0.0005 b= 1.04 m d= 1.72 m
Q = 30 m 3 /s t = 1.5:1 n= 0.018 s= 0.0005 b= 1.79 m d= 2.97 m
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
144
4.5 CÁLCULO DEL DIÁMETRO EN LAS TUBERÍAS
TRAMO LONG.
(m)
Q
(lts/ s) S ∅(cm) TRAMO LONG(m) Q(lt/ s) S ∅(cm)
1 300 57 4 60 25 250 1350 4 40
2 200 272 7 60 26 200 2350 5 30
3 250 725 2 50 27 200 1250 3 50
4 200 1665 8 30 28 250 1350 4 50
5 200 1062 3 30 29 425 273 5 60
6 120 1750 11 60 30 300 1665 3 90
7 425 243 3 90 31 400 1340 5 90
8 200 965 9 40 32 300 2770 5 90
9 425 977 2 30 33 400 540 2 90
10 250 1350 8 30 34 300 677 4 60
11 425 1400 3 40 35 200 860 5 60
12 300 272 3 30 36 250 1260 4 60
13 200 320 6 30 37 250 4240 4 90
14 250 1550 4 60 38 200 255 3 50
15 120 2350 10 60 39 300 360 8 50
16 200 740 4 50 40 425 1350 1 60
17 200 57 4 50 41 300 111 5 90
18 425 965 5 40 42 400 290 5 90
19 250 1390 4 40 43 300 2340 5 90
20 400 1057 4 40 44 250 1400 5 90
21 300 1350 3 60 45 250 277 4 70
22 250 1490 3 60 46 300 890 4 50
23 300 269 5 60 47 200 750 4 60
24 120 359 9 60 48 300 1220 10 90
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
145
TRAM
O
LONG(m
)
Q(lts/ s
) S
∅(cm
)
TRAM
O
LONG(m
)
Q(lts/ s
) S
∅(cm
)
49 425 57 4 30 73 200 1350 4 40
50 300 272 7 30 74 425 2350 5 30
51 300 725 2 30 75 200 1250 3 50
52 250 1665 8 60 76 400 1350 4 50
53 300 1062 3 60 77 120 273 5 60
54 300 1750 1
1 90 78 400 1665 3 90
55 300 243 3 90 79 200 1340 5 90
56 300 965 9 40 80 200 2770 5 90
57 300 977 2 40 81 120 540 2 90
58 300 1350 8 50 82 425 677 4 60
59 120 1400 3 50 83 200 860 5 60
60 250 272 3 60 84 400 1260 4 60
61 200 320 6 60 85 200 4240 4 90
62 200 1550 4 40 86 400 255 3 50
63 200 2350 1
0 40 87 120 360 8 50
64 425 740 4 90 88 425 1350 1 60
65 120 57 4 90 89 120 111 5 90
66 400 965 5 40 90 400 290 5 90
67 200 1390 4 30 91 200 2340 5 90
68 350 1057 4 30 92 400 1400 5 90
69 250 1350 3 30 93 200 277 4 70
70 250 1490 3 30 94 400 890 4 50
71 120 269 5 30 95 120 750 4 60
72 200 359 9 60 96 200 1220 1 90
CAPITULO IV. DISEÑO HIDRAULICO
146
0
CONCLUSIONES
147
CONCLUSIONES
En los últimos años se han venido desarrollando proyectos de recursos hidráulicos y trabajos de ingeniería hidráulica en todo el mundo. El
CONCLUSIONES
148
conocimiento de la hidráulica de canales abiertos es esencial para el correcto funcionamiento de dichas estructuras
Para la canalización de agua pluvial de la refinería de Salina Cruz estado de Oaxaca se partió de la situación particular de inundación el cual ya era un problema añejo y por consecuencia se debía encontrarse una propuesta de solución pronto a dicha condición.
Debido a esto se hizo un estudio detallado y minucioso. La refinería “Ing. Antonio Do Valí Jaime” sufre el problema de inundaciones
Las aportaciones pluviales sobre la superficie de la refinería producen escurrimientos que es necesario que se canalice al zanjón (canal colector) evitando daños como inundaciones o deslaves.
En este proyecto se opto por la solución de dos canales abiertos a los cuales se conectan los escurrimientos provenientes del área interna.
La zona de estudio, esta perfectamente definida en su parte Topográfica, ya que de las cartas de la zona, se afinaron con levantamientos en el sitio de la refinería por lo que se concluye que la topografía disponible es confiable para la realización del proyecto.
El enfoque de la tesis, esta dirigido únicamente al aspecto hidráulico e hidrológico ya que esto nos da la pauta para dimensionar los canales. En el aspecto hidrológico se obtuvieron diversos coeficientes y gastos para partir al dimensionamiento y diseño.
El análisis hidrológico, lo consideramos confiable, ya que se tomaron como base los estudios topográficos de la zona y datos meteorológicos de la misma.
CONCLUSIONES
149
Una de las mayores discusiones en el estudio, fue la presenta sin duda alguna la selección del periodo de retorno asignado, sin embargo, se siguieron los procedimientos recomendados por diversos autores
En conclusión la ejecución de una obra de esta magnitud siempre será indispensable la presencia del Ingeniero Civil, desde los estudios de prefactibilidad hasta la ejecución misma , por ello es necesario la actualización diaria, esto se refleja en conocimientos y criterios más amplios, y con ello se garantiza que obras civiles tan importantes para la infraestructura del país estarán en buenas manos.
ANEXOS
153
anexos
ANEXOS
154
ANEXOS
155
ANEXOS
156
ANEXOS
157
BIBLIOGRAFÍA
150
BIBLIOGRAFÍA
• TITULO. FUNDAMENTOS DE HIDROLOGIA DE SUPERFICIES AUTOR. APARICIO MIJARES EDITORIAL. LIMUSA
BIBLIOGRAFÍA
151
• TITULO. HIDRÁULICA DE CANALES ABIERTOS AUTOR. VEN TE CHOW EDITORIAL. MC GRAW HILL
• BOLETIN HIDROLOGICO N O 21 Y N O 22. ACTUALIZACION SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL
• INFORMACIÓN SIMPLIFICADA DE BOLETINES HIDROLÓGICOS Y CLIMATOLOGICOS. SERVICIO METEOROLÓGICO NACIONAL
• TITULO. ANÁLISIS ESTADÍSTICO Y PROBABILISTICO DE DATOS HIDROLÓGICOS AUTOR. ROLANDO SPRINGALL GALINDO FACULTAD DE INGENIERIA DE LA UNAM
• MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES. RELACION ENTRE PRECIPITACIÓN Y ESCURRIMIENTO. COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD.
• MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES . ANÁLISIS ESTADÍSTICO COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD
• MANUAL DE DISEÑO DE OBRAS CIVILES OBRAS DE EXCEDENCIA COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD
• TITULO. HIDRÁULICA GENERAL TOMO 1. AUTOR. GILBERTO SOTELO AVILA EDITORIAL. LIMUSA.
BIBLIOGRAFÍA
152
• TITULO. MANUAL DE HIDRÁULICA AUTOR. HORACE WILIAMS KING
• TITULO. APUNTES DE HIDRAULICA II AUTOR. GILBERTO SOTELO AVILA FACULTAD DE INGENIERIA UNAM. 1978.
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