HIDROLOGIA GENERAL

IC-441

Captulo 03

VARIABLES HIDROLOGICAS Y CLIMATOLOGICAS

Docente : Ing. Leonidas Arias Baltazar

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2INTRODUCCIN

El ciclo hidrolgico de una cuenca est dominado principalmente por procesos

atmosfricos. La Hidrometereologa es la ciencia encargada de estudiar estos

procesos atmosfricos (cantidad y distribucin de precipitacin, presencia de

hielo, viento, radiacin solar, temperatura, humedad y masa de aire) que

afectan el rgimen hidrolgico, y mediante su anlisis permiten determinar la

precipitacin mxima probable, condiciones ptimas de derretimiento de hielo,

prediccin de crecidas, determinacin de vientos mximos probables sobre

superficies de agua, pronstico de escorrenta para operacin de embalses y

para estimar tamaos de olas y as disear presas y diques, entre otras obras

hidrulicas. La Organizacin Meteorolgica Mundial (OMM) defini a la

hidrometereologa como una ciencia que estudia las fases atmosfricas y

terrestres del ciclo hidrolgico y en especial sus interrelaciones.

3LA ATMSFERA

La atmsfera es una mezcla de gases (no reaccionan entre si) llamada aire, en la

que estn en suspensin cantidades variables de partculas slidas y lquidas. Es

la capa de aire que rodea la tierra donde se desarrolla

gran parte del ciclo hidrolgico, bsicamente evaporacin y precipitacin. Las

funciones de la atmsfera son:

- Proteccin, porque absorbe la radiacin solar ultravioleta adems de servir de

pantalla fsica ante meteoritos, viento solar

- Regulacin, porque transfiere energa desde el ecuador a los polos y amortigua

los cambios de temperatura.

- Soporta las funciones fisiolgicas vitales.

Desde el punto de vista hidrolgico, la atmsfera constituye un enorme depsito

de vapor de agua con transporte y distribucin del agua atmosfrica por sobre los

continentes y los ocanos; adems de un gran colector de calor que absorbe una

pequea parte de la radiacin solar directa. El espesor de la atmsfera es

tericamente indefinido, pero hidrolgicamente lo que ms interesa es la capa

inferior de 30 km como mximo; y es en los primeros 5 km de altitud, donde

ocurren los fenmenos hidrometeorolgicos y donde se encuentra la mitad de la

masa de la atmsfera.

Segn la OMM, la composicin volumtrica de la atmsfera es: nitrgeno

(78,09%), oxgeno (20,95%), argn (0,93%), anhdrido carbnico (0,93%) y otros

(nen, helio, criptn, hidrgeno, xenn, ozono y radn) adems

de vapor de agua.

41.Troposfera: es la

capa ms cercana a la

superficie de la tierra,

contiene el 75% de la

masa total de aire, 100

% de vapor de agua y

100% de ncleos de

condensacin. Se

extiende hasta unos 12

km (19 km en el

Ecuador y 9 km. sobre

los Polos), la

temperatura disminuye

a una tasa promedio

de -6.5 C por

kilmetro.

En esta capa, que

concentra un 80% de

toda la masa de la

atmsfera, ocurren los

fenmenos

meteorolgicos ms

relevantes. Al lmite

superior de la

troposfera se le llama

tropopausa, donde la

temperatura deja de

disminuir y es cercana

a -55C.

2.Estratosfera: se

extiende hasta unos 45

km y la temperatura

aumenta con la altura

hasta un valor cercano a

0C. El calor que se

produce en esta capa se

debe a la radiacin

ultravioleta, por ello esta

capa tambin es

llamada ozonsfera.

3.Mesosfera: se

extiende hasta unos 80

km de altitud donde la

temperatura es de -90c

(mesopausa) y por

encima de ese nivel, y

hasta un nivel superior

no bien definido la

temperatura vuelve a

aumentar con la altura

definiendo la capa

denominada termosfera.

4.Termsfera: capa

que se extiende hasta

600-800 km; la

temperatura asciende

con la altura y la

absorcin de la

radiacin por oxgeno

atmico origina un

calentamiento de 200-

300C.

5RADIACIN SOLAR

La radiacin solar es la ms importante fuente de energa en el planeta y

puede cambiar grandes cantidades de agua lquida en vapor de agua. La

cantidad potencial de radiacin que puede llegar a la tierra viene

determinada por su localizacin y poca del ao. Debido a las diferencias

en la posicin del planeta y a su movimiento alrededor del sol, esta

cantidad potencial de radiacin es diferente para cada latitud y para las

diversas estaciones del ao. La radiacin solar real que alcanza la

superficie de la tierra depende de la turbidez de la atmsfera y de la

presencia de nubes que reflejan y absorben cantidades importantes de

radiacin. La radiacin se transmite por ondas electromagnticas.

La radiacin solar como procede del sol

que tiene una elevadsima temperatura,

se caracteriza por presentar longitudes

de onda corta mientras que la radiacin

terrestre por ser un cuerpo mas fro que

el sol, emite radiacin de onda larga, es

decir la superficie terrestre absorbe

energa del sol, se calienta y emite

radiacin de onda larga hacia el exterior.

Unidades de Radiacin:

[radiacin] =

[energa]/[superficie][tiempo]=

[potencia]/[superficie]

6La radiacin solar se puede manifestar de tres formas distintas dependiendo de cmo se recibe en los objetos:Radiacin Directa: Es la que procede directamente del sol.

Radiacin Difusa: Es la que se recibe de la atmsfera debido a la dispersin de la radiacin solar en la misma.

Radiacin Reflejada: Es la que se refleja en la superficie terrestre.

La superficies horizontales reciben ms radiacin difusa que reflejada y las superficies verticales ms reflejada

que difusa.

7TEMPERATURA

La temperatura es el grado o nivel trmico de los cuerpos y est relacionado con la

energa cintica de las partculas que lo componen. Es un ndice de energa calrica y de

radiacin recibida por un cuerpo (suelo, vegetacin, nieve). El ciclo diario de la

temperatura est determinado por factores como: radiacin solar, latitud, estacin del

ao, ubicacin del lugar en relacin a masas de agua y la topografa. Importancia de la

Temperatura:

-Contribuye al poder evaporante de atmsfera y derretimiento de hielos y glaciares

- Participa en los procesos de estabilidad atmosfrica que originan precipitaciones y

forma de estas.

- Es un factor importante del ciclo hidrolgico, interviene en todas sus procesos.

- Se usa como parmetro en frmulas para estimar evapotranspiracin potencial y

necesidades de agua de plantas.

Temperatura promedio diaria: se obtiene a partir de la media aritmtica de 24 registros

horarios que surgen de la lectura de la banda del termgrafo.

Temperatura de roco de saturacin: es la temperatura a la que empieza a condensar

el vapor de agua actual contenido en el aire, produciendo roco, neblina o, en caso de

que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.

Unidades de Temperatura :

8Instrumentos de Medicin de Temperatura

- Termmetro de bulbo seco: mide la temperatura real del aire y se hace la

lectura en el extremo del mercurio alejado del bulbo.

- Termmetro de bulbo hmedo: es un termmetro de mercurio que tiene el

bulbo envuelto en una masa hmeda (muselina). Al proporcionarle una

corriente de aire, el agua se evapora ms o menos rpidamente dependiendo

de la humedad relativa del ambiente, enfrindose ms cuanto menor sea

sta, debido al calor latente de evaporacin del agua.

- Termmetro de Mxima, este termmetro es tambin de mercurio y

presenta un estrangulamiento del tubo capilar el cual impide que el mercurio

regrese al deposito al contraerse por enfriamiento ambiental, quedando rota

la columna y marcado el extremo mas alejado del bulbo.

- Termmetro de Mnima, es de alcohol y tiene una escala graduada 5/10

C. Dentro del alcohol, en el tubo capilar existe un pequeo ndice de metal o

porcelana, el cual con el extremo mas alejado del bulbo indica la temperatura

mnima ocurrida desde la ltima observacin.

Los termmetros de mnima y mxima registran la temperatura mnima y

mxima del aire en un perodo de 24 horas. Los termgrafos generan

grficos de las temperaturas instantneas durante un da o una semana. Las

estaciones meteorolgicas electrnicas comnmente hacen un muestreo de

la temperatura del aire cada minuto y entregan promedios horarios adems

de los valores mximo y mnimo en 24 horas.

9Caseta Meteorolgica

Son pequeas casillas de paredes de madera, puerta y

fondo de doble persiana que favorece la ventilacin interior

e impide que la radiacin solar afecte a los instrumentos

colocados en su interior. Deben estar pintadas de blanco

para provocar la reflexin de la radiacin solar.

Estas casetas nos permiten proteger los instrumentos de la

incidencia directa de la radiacin solar y se orientan de

modo que sus puertas miren al norte y funciona de tal

manera que cuando se haga la medicin no incida los

rayos sobre los instrumentos.

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HUMEDAD ATMOSFERICA

Para el hidrlogo el contenido de vapor de agua de la atmsfera es de gran

importancia, dado que esta humedad da origen a la precipitacin.

Presin de vapor (e): es la presin del vapor de agua contenida en el aire

(peso del vapor de agua por unidad de rea). Para una temperatura y presin

dadas, siempre hay una cantidad mxima de vapor que puede existir sin

condensarse, es decir sin pasar al estado lquido.

Presin de vapor de saturacin (es): es la presin de vapor que existe en

una masa de aire cuando est saturada para una temperatura dada. A esta

presin, la razn de evaporacin y condensacin son iguales. Ver Figura

siguiente, cuya ecuacin aproximada es:

Humedad relativa (Hr): es la relacin porcentual

entre la presin de vapor actual y la presin de

vapor de saturacin :

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Instrumento de Medicin de humedad

La humedad del aire se mide con el psicrmetro, que consta de dos

termmetros (de bulbo seco y de bulbo hmedo). Cuando el aire est

saturado no habr evaporacin de la masa y ambos termmetros marcaran lo

mismo. En caso de que el aire este seco existir una diferencia, y con ayuda

de tablas psicromtricas podemos conocer las presiones de vapor.

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Presin Atmosfrica: es la presin ejercida por el peso de la atmsfera

terrestre. La evaporacin en altitudes elevadas ocurre en parte gracias a la baja

presin atmosfrica que se expresa con la constante psicromtrica.

Este efecto es, sin embargo, pequeo y en los procedimientos del clculo, el

valor medio para una localidad es suficiente. Para calcular P puede emplearse

una simplificacin de la ley de los gases ideales, a una temperatura atmosfrica

estndar de 20C:

Donde:

P- Presin atmosfrica, Kilopascal

Z - Elevacin sobre el nivel del mar, m

Donde:

P presinT - temperatura en K

G gravedad atmosfricaR constante del aire (aire hmedo) gradiente trmico

Unidades de Presin

Conversin de unidades:

1 milibar = 100 Pascal = 100 N/m2 = 100 Kg/m-s2

1 Newton = Kg-m/s2

1 Joule = N-m = Kg-m2/s2

La presin atmosfrica, es de gran importancia para la meteorologa ya

que tiene incidencia en el comportamiento de la atmsfera y por ende en

el clima.

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Barmetro de Mercurio:La presin atmosfrica puede levantar una columna de mercurio que es

proporcional a la presin existente; sin embargo es necesario corregir la

presin leda:

- Correccin por gravedad: como la gravedad vara desde 9,78 m / seg2

en el ecuador hasta 9,83 m /seg2 en los polos, la lectura debe referirse

al valor de gravedad normal: g = 9,8066 m/seg2 = 9,81 m / seg2.

- Correccin por temperatura: debe considerarse, el efecto de dilatacin

de la columna de mercurio y tambin del propio barmetro (vidrio,

metal).

Los valores de correccin se obtienen mediante tablas dadas por el

fabricante del instrumento.

Barmetro Aneroide.El sensor es un conjunto de cpsulas al vaco que

acopladas entre si, permiten detectar pequeas

variaciones de presin. Mediante un sistema especial

de palancas, se amplifica el movimiento de

deformacin de las cpsulas, tal que este puede ser

detectado en un visor analgico o bien registrado

grficamente en una hoja graduada que es movida

por un sistema de relojera (Bargrafo).

Como no utiliza mercurio, la correccin por

temperatura es compensada por el sistema de

palancas indicadoras. La correccin gravimtrica se

logra al instalar el instrumento en la Estacin por

comparacin con un barmetro de mercurio o con un

dato de una estacin cercana.

Figura N 8. Barmetro de Mercurio

Figura N 9. Barmetro Anaeroide

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VIENTO

La mecnica de los desplazamientos de las masas de aire es el resultado de una

combinacin de efectos (rotacin terrestre, accin gravitatoria de los cuerpos y radiacin

solar) que hacen de la atmsfera una especie de mquina trmica en que la diferencia

constante de temperatura entre los polos y el ecuador, proporciona energa calrica que

transfiere energa cintica al aire, llamado circulacin atmosfrica.

Los movimientos verticales del aire son mucho menores que los horizontales, ya que la

fuerza hacia el exterior de la atmsfera por la disminucin de la presin con la altura, es

prcticamente contrarrestada por la fuerza gravitatoria que ejerce la Tierra sobre el aire

atmosfrico. El viento juega un papel muy importante en los procesos

hidrometeorologicos, ya que son los transportadores de calor y humedad de una zona a

otra.

Unidades de Viento

El viento se cuantifica mediante su velocidad y direccin.

La Direccin del viento se define por el punto cardinal desde el cual procede el viento.

Puede expresarse mediante los puntos cardinales de la "Rosa de los Vientos" de ocho

puntas (N,NE,E,SE,S,SW,W,NW) o bien por el ngulo a partir de la direccin N (0 a

360).

La Velocidad del Viento, se mide en m/seg, Km/h, milla terrestre/hr, nudos (1milla

marina/hr).

(1 milla terrestre = 1 mi = 1609 metros) y (1 milla marina = 1852 metros)

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Instrumentos de medicin de viento

El instrumento de medicin es la Veleta. La lectura se

hace segn el modelo de veleta y puede ser desde la

simple observacin visual hasta la lectura en un dial

analgico o digital (para procesamiento electrnico). Las

partes principales de la Veleta son: la "punta", que

seala la Direccin y la "cola" que permite el

alineamiento paralelo a la trayectoria del viento por su

aerodinmica.

Es importante la direccin del viento, ejemplo: medicin

del radio del cultivo en el tanque de evaporacin tipo A

(lectura a barlovento), en mediciones de puntos de

monitoreo de calidad del aire.

El Anemmetro: Consiste en un contador de

revoluciones de un sistema de cazoletas, las que giran

por efecto del viento. El nmero de revoluciones,

entregado por el instrumento, multiplicado por un factor

define el Desplazamiento" o "Carrera" del viento tal que,

a partir del tiempo entre mediciones consecutivas, se

encuentra la rapidez promedio, en dicho perodo.

Figura N 10. Anemmetro

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PRECIPITACION

La precipitacin para el hidrlogo, es el agua que se origina en las nubes

de la atmsfera y cae al suelo. Antes de que el agua llegue al suelo, es de

suma importancia para el meteorlogo; pero luego se convierte en un

elemento bsico para la hidrologa. La medicin de la precipitacin,

consiste en medir la altura de la lmina de agua precipitada. Este valor se

determina diariamente y se obtiene el total mensual o total anual. Si sobre

1 m2 de una superficie horizontal caen 1 litro de agua, la precipitacin

alcanza una altura de 1mm. Por lo que se acostumbra expresar la

precipitacin en "milmetros". As, si se registran 25 mm de precipitacin

significa que en esa zona han cado 25 litros de agua en cada metro

cuadrado de una superficie horizontal colocada en el suelo.

Instrumento de Medicin

El instrumento de medicin se llama Pluvimetro y consiste en una

superficie colectora del agua, colocada a 1,50 m del suelo, la cual

conduce el lquido hacia un depsito para su posterior medicin o bien el

paso del agua por una seccin detectora permite su registro (Pluvigrafo)

o su medicin inmediata (Pluvimetro de pulsos).

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EVAPORACION

La evaporacin se expresa como volumen de agua evaporada por metro

cuadrado de superficie. Cuando de una superficie de 1 m2 de agua, se

evapora 1 lt. de agua (1000 cm3) y el nivel del agua disminuye en 1 mm.

Demodo que los instrumentos usados para medir la Evaporacin determinan

una evaporacin potencial o "poder evaporante" del aire segn las condiciones

del tiempo presente (radiacin solar , viento, presin).

Instrumentos de Medicin :

Evapormetro de Pich: Es una probeta graduada que se llena de agua

colocando en su boca un papel filtro el cual se expone libremente al aire

circundante. Las condiciones de radiacin y vientos existentes evaporan el

agua que impregna el papel filtro, haciendo bajar el nivel del agua en la

probeta. Lecturas consecutivas (cada 12 o 24 horas) permiten determinar la

cantidad de milmetros (litros por metro cuadrado) que se habran evaporado si

el suelo del lugar hubiese estado cubierto de agua.

Tanque clase A: Es un tanque con profundidad de 25 cm. y dimetro interior

de 122 cm. El nivel inicial del agua se marca en una varilla tubular, de modo

que las variaciones del nivel del agua pueden evaluarse en referencia a este

"cero fijo". Para determinar la evaporacin ocurrida en un intervalo de tiempo

se agrega o quita una cantidad conocida de agua, segn si haya ocurrido

precipitacin.

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