UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y DEL AMBIENTE
TESIS
PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:
QUILLATUPA ESPEJO, Yasu Tania CÁRDENAS BAQUERIZO, Elvis
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO FORESTAL Y AMBIENTAL
Huancayo – Perú 2016
RELACIÓN PRECIPITACIÓN, INFILTRACIÓN Y ESCORRENTÍA PARA LA ÉPOCA DE LLUVIA EN LA MICROCUENCA
YANANGO-CHANCHAMAYO
Dedicatoria
A Dios y a nuestros padres por habernos dado la vida y la oportunidad de formarnos profesionalmente.
Quillatupa Espejo, Yasu Tania Cárdenas Baquerizo, Elvis
Agradecimientos
A los docentes de la Facultad de Ciencias Forestales y del Ambiente de la UNCP, por sus enseñanzas y recomendaciones.
A nuestros familiares, amigos y a todas las personas que hicieron posible la realización de este trabajo de investigación.
III
ASESOR
Ing. EDWIN ZORRILLA DELGADO
IV
INDICE
I. INTRODUCCION ... 9
II. REVISION BIBLIOGRAFICA ... 11
2.1. Antecedentes de investigación. ... 11
2.2. Fundamento teórico. ... 17
2.2.1. Cuenca Hidrográfica. ... 17
2.2.2. Ciclo hidrológico. ... 18
2.2.3. Balance Hídrico Superficial. ... 19
2.2.4. Hidrogramas. ... 21
2.2.5. Crecida torrencial. ... 25
2.2.6. Relación precipitación-escorrentía. ... 26
2.2.7. Características de la cuenca y sus efectos en la escorrentía. ... 34
2.2.8. Método de regresión lineal simple. ... 35
2.2.9. Análisis de correlación. ... 36
2.3. Marco conceptual. ... 37
III. MATERIALES Y MÉTODOS ... 39
3.1. Ubicación del área de estudio. ... 39
3.2. Metodología. ... 41
3.3. Descripción del área de estudio. ... 45
3.3.1. Morfometría de la microcuenca. ... 45
3.3.2. Ecología. ... 60
3.3.3. Geomorfología. ... 64
3.3.4. Suelos. ... 66
3.3.5. Cobertura vegetal. ... 68
3.3.6. Grupo hidrológico de los suelos. ... 70
3.4. Materiales y equipos. ... 70
3.4.1. Materiales de campo. ... 71
3.4.2. Equipos de campo. ... 71
3.4.3. Materiales de gabinete. ... 71
3.4.4. Equipos de gabinete. ... 72
3.5. Procedimiento. ... 72
3.5.1. Fase de Pre – Campo. ... 72
3.5.2. Fase de Campo. ... 72
3.5.3. Fase de Gabinete. ... 73
IV. RESULTADOS ... 74
V. DISCUSIONES ... 84
VI. CONCLUSIONES ... 88
VII. RECOMENDACIONES ... 90
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 91
ANEXOS ... 95
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Hidrograma de un solo pico. ... 22
Figura 2. Hidrograma de varios picos ... 22
Figura 3. Escurrimiento base y directo ... 24
Figura 4. Cálculo del flujo base. ... 25
Figura 5. Localización y ubicación del área de estudio. ... 40
Figura 6. Longitud del cauce principal ... 46
Figura 7. Orden de corriente en la microcuenca Yanango. ... 47
Figura 8. Ancho y longitud máxima de la microcuenca.. ... 56
Figura 9. Curva hipsométrica de la microcuenca. ... 58
Figura 10. Zonas de vida. ... 61
Figura 11. Vista de Geomorfología en Google Earth. ... 65
Figura 12. Geomorfología ... 66
Figura 13. Suelos de la microcuenca. ... 67
Figura 14. Cobertura vegetal. ... 69
Figura 15. Grupo hidrológico de los suelos ... 70
Figura 16. Relación precipitación-escorrentía superficial periodo 2011-2014 ... 77
Figura 17. Relación precipitación-Infiltración periodo 2011 - 2014 ... 79
Figura 18. Relación infiltración-escorrentía superficial periodo 2011-2014 ... 81
Figura 19. Caudal medido en febrero, marzo y abril del año 2015. ... 83
Figura 20 Crecida del rio Yanango 01 de marzo del 2015 ... 84
INDICE DE TABLAS Tabla 1. Caudal para diferentes periodos de retorno del rio Yanango. ... 17
Tabla 2. Números de las curvas de escurrimiento para las diferentes combinaciones hidrológicas suelo-vegetación ... 31
Tabla 3. Rango de valores del coeficiente de correlación de Pearson ... 36
Tabla 4. Estaciones meteorológicas. ... 42
Tabla 5. Clases de valores de longitud del cauce principal ... 46
Tabla 6. Clases de orden de corriente ... 48
Tabla 7. Clases de afluentes ... 48
Tabla 8. Clases de valores de pendiente del cauce principal (%) ... 50
Tabla 9. Clases de valores de elevación media (m) ... 50
Tabla 10. Clases de densidad de drenaje ... 53
Tabla 11. Clases de valores de compacidad. ... 54
Tabla 12. Clases de valores de forma ... 55
Tabla 13. Clases de valores de alargamiento ... 57
Tabla 14. Fórmula para el tiempo de concentración ... 57
Tabla 15. Clases de tiempo de concentración (min) ... 58
Tabla 16. Intervalos de altitud de la microcuenca. ... 58
Tabla 17. Morfometría de la microcuenca Yanango ... 59
Tabla 18. Variables mórficas que se calculan por medio de fórmulas ... 60
Tabla 19. Zonas de vida ... 60
Tabla 20. Geomorfología ... 64
Tabla 21. Suelos de la microcuenca. ... 66
Tabla 22. Cobertura vegetal ... 69
Tabla 23. Grupo hidrológico del suelo ... 70
Tabla 24. Número de curva ponderado (CN). ... 74
Tabla 25. Precipitación y escorrentía superficial diaria en la microcuenca - febrero, marzo y abril periodo 2011-2014. ... 75
Tabla 26. Estadística descriptiva de la precipitación y escorrentía superficial estimada en febrero, marzo y abril periodo de 2011-2014. ... 75
Tabla 27. Precipitación e infiltración diaria en la microcuenca en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014. ... 77
Tabla 28. Estadística descriptiva de la precipitación e infiltración estimada en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014. ... 78
Tabla 29. Infiltración – escorrentía superficial en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014. ... 79
Tabla 30. Estadística descriptiva de la infiltración y escorrentía superficial estimada en febrero, marzo y abril periodo de 2011-2014. ... 80
Tabla 31. Caudal medido en febrero, marzo y abril del año 2015 ... 81
Tabla 32. Caudal base y máximo para febrero, marzo y abril del 2015 ... 83
RESUMEN
La presente investigación se desarrolló en la microcuenca del río Yanango que se encuentra ubicada entre las coordenadas geográficas 11°11'55.51" y 11°19'46.33" Latitud Sur; 75°25'48.35" y 75°30'27.54" Longitud oeste, cubre una extensión de 4953 ha. En el área de estudio se presentan frecuentes avenidas que provocan deslizamientos e inundaciones, poniendo en riesgo a poblaciones residentes en los márgenes del rio Tarma, ocasionado por la atribución de caudales compuestos de lodo y material rocoso del rio Yanango, por tanto es necesario predecir la escorrentía superficial e infiltración a partir de la precipitación. Los objetivos específicos son calcular la abstracción inicial (Ia), determinar la relación precipitación-escorrentía superficial, precipitación- infiltración, infiltración-escorrentía superficial y por ultimo medir la caudal base y máximo del rio Yanango. Se utilizó el método IDW (Pesos inversos a la distancia) para la interpolación de precipitación diaria (febrero, marzo y abril) de los años 2011 al 2014; el método del número de curvas (CN) para estimar la escorrentía superficial e infiltración y la formula de Manning para medir el caudal del rio Yanango. La abstracción inicial (Ia) se calculó a partir del análisis de mapas temáticos (geomorfología, tipo de suelo y cobertura vegetal) realizados por el proyecto de zonificación ecológica y económica para el desarrollo de la región Junín en el año 2012, teniendo como resultado una Ia = 33.95 mm; así mismo la relación precipitación-escorrentía superficial resulto alta, la relación precipitación-infiltración es moderada, la relación infiltración- escorrentía superficial es baja y el caudal base medido del rio Yanango es de 5.02 m3/s y máximo es de 136.46 m3/s.
SUMMARY
The present investigation Yanango developed in the microwatershed of the river that finds itself located between the geographic coordinates 11°11'55.51 and 11°19'46.33 Southern Latitude; 75°25'48.35 and 75°30'27.54 Length west, cover glass an extension of 4953 is. In the area of study the frequent avenues that provoke slides and floodings show up, risking resident populations in the banks of the river Tarma, caused for the attribution of flows composed of mud and rocky material of the river Yanango, therefore it is necessary to predict the superficial run-off and infiltration from precipitation. The specific objectives are calculating the initial abstraction (AI), determining the relation precipitation superficial run-off, precipitation infiltration, infiltration superficial run-off and finally taking measurements her host and maximum flow of the river Yanango.
IDW (inverse Weights to the distance) for the interpolation used the method himself of daily precipitation (February, March and April) of the years 2011 to the 2014; The method of the number of curves (CN) to value the superficial run-off and infiltration and Manning's formula to calculate the flow of the river Yanango. The initial abstraction (AI) Junín in the year calculated from the analysis of theme maps (geomorphology, soil type and vegetal coverage) sold off by the project of ecological and cost-reducing developmental zoning of the region 2012 himself, having as a result an AI 33,95 mm; Likewise the relation precipitation superficial run-off I prove to be tall, the relation precipitation infiltration is moderate, the relation infiltration superficial run-off is low and the host flow measured of the river Yanango is of 5,02 and maximum is of 136,46.
I. INTRODUCCION
En la actualidad un problema clásico en hidrología está constituido por la obtención de la escorrentía superficial que corresponde a una determinada lluvia en un lugar específico, poder inferir el caudal proveniente de una precipitación tiene múltiples aplicaciones, por ejemplo, permite obtener los caudales sin estaciones hidrométricas o extender los registros cortos de caudales a fin de someterlos a análisis estadístico.
El proceso de escurrimiento superficial (E) sin control constituye un problema ambiental crítico, favorece la erosión hídrica del suelo, aumenta el caudal, la carga de sedimentos y de otros contaminantes en el agua (Freebairn, 1989).
En la actualidad, una herramienta útil para hallar la relación precipitación- escorrentía es la aplicación de modelos empíricos, como el método de curvas numéricas desarrollado por el Servicio de Conservación de Suelos (SCS-CN) de los Estados Unidos (Soil Conservation Service, 1972). Este método es aplicable a pequeñas cuencas agrícolas, previa estimación de la retención máxima potencial (S) y la abstracción inicial (Ia), permitiendo estimar el escurrimiento con precisión aceptable (Sánchez, 2003).
Las principales amenazas en la microcuenca del rio Yanango son las avenidas que causan deslizamientos e inundaciones en la zona, según un antecedente reciente ésta problemática viene originándose en la quebrada Umanpaccha que
se encuentra en la parte media de la microcuenca, consecuencia de su estrechez forma una represa natural que luego de romperse generó una avenida de lodo y piedras que destruyo el puente Yanango ubicado en la carretera Tarma-La Merced entre los kilómetros 77+200 a 79+00 en el año 2005, así mismo puso en riesgo de inundación a población asentadas en las riveras del rio Tarma el cual tiene como afluente al rio Yanango.
La evaluación de caudales máximos son muy importantes para limitar áreas vulnerables a inundaciones; ante la inexistencia de estaciones hidrométricas en el rio Yanango es necesario la predicción de escorrentía superficial e infiltración a partir de la precipitación, características de suelo, geomorfología y cobertura vegetal de la microcuenca, por tal motivo está presente investigación tiene como:
Objetivo general:
Determinar la relación precipitación, infiltración y escorrentía para la época de lluvia en la microcuenca Yanango.
Objetivos específicos:
Estimar la abstracción inicial (Ia) de la microcuenca del rio Yanango.
Determinar la relación precipitación - escorrentía superficial en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014.
Determinar la relación precipitación - infiltración en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014.
Determinar la relación infiltración - escorrentía superficial en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014.
Medir el caudal base y máximo del rio Yanango en febrero, marzo y abril del año 2015.
II. REVISION BIBLIOGRAFICA
2.1. Antecedentes de investigación.
Arrueta (2009) realizó un estudio “Balance hídrico y análisis de las relaciones precipitación-escorrentía en la microcuenca de la Quebrada El Gallo, San Antonio de Oriente - Honduras”. Considera que las cuencas hidrográficas enfrentan procesos de degradación de sus recursos naturales, reflejando cambios en los patrones hídricos e incrementando su vulnerabilidad.
Por ello se desarrolló un estudio hidrológico en la microcuenca El Gallo durante los meses de junio a septiembre que permitió evaluar las relaciones oferta- demanda hídrica y modelar las relaciones precipitación-escorrentía. Para estimar el balance hídrico se consideró: la precipitación, la evapotranspiración real, la escorrentía y la demanda. Para medir la precipitación se ubicaron tres pluviómetros en los extremos de la microcuenca. La evapotranspiración potencial se calculó con la ecuación Penman Monteith y la real con el método Thornthwaite - Mather. La escorrentía se estimó a partir de datos de altura de agua, por lo que se creó una curva de relación altura-caudal. Para calcular la demanda se consideró un suministro de 150 litros por persona, por día, conociendo la población (7,414 personas). Para la aplicación de hidrogramas se empleó un modelo hidrológico de relación precipitación - escorrentía mediante el procedimiento de “Soil Conservation Service” para obtener el número de curva de escorrentía y a partir de ello la abstracción inicial. Adicionalmente se obtuvo
el hidrograma con el programa HEC-HMS. El resultado del balance hídrico fue de -101.69 mm y la precipitación resultó 469.62 mm para el periodo de estudio, la evapotranspiración 353.32 mm, la escorrentía 205.05 mm y la demanda 12.93 mm. El número de curva de escorrentía es 58.07. El hidrograma predice que de la precipitación total, el 53% genera escorrentía directa, donde la mayor influencia de la escorrentía se relaciona con las variables cobertura vegetal y uso del suelo.
Robredo et al, 2012 Estudio de un método aproximado para estimar caudales medios mensuales en pequeñas cuencas de montaña. Madrid. Se expone un método aproximado para determinar el caudal medio mensual en pequeñas cuencas de montaña, basado en la suma de los caudales superficiales y subterráneos medios mensuales. Los primeros estimados mediante unas correlaciones precipitacion/escorrentia, y los segundos aplicando el procedimiento de THORNTHWAITE & MATHER (1955). El caculo de la escorrentia superficial Q (mm) fue a partir de datos diarios de precipitación aplicando el método del Número de Curva del USDA SOIL CONSERVATION SERVICE (1956). La diferencia entre la precipitación registrada P (mm) y la escorrentía superficial Q (mm), obtenida con el procedimiento comentado, establece la parte de la precipitación incorporada al suelo INF (mm), estos cálculos se realizaron inicialmente con valores diarios (Pd, Qd, inf). Partiendo de lo anterior tiene como una de sus conclusiones establecer las correlaciones entre la escorrentía mensual directa superficial y la precipitación mensual, definiendo regresiones lineales, entre el valor de la precipitación mensual por encima del umbral de 75 mm y la escorrentía superficial estimada mediante el método CN.
En el 2006 Cárdenas, realizó una investigación “Escorrentía superficial e infiltración en sistemas ganaderos convencionales y silvopastoriles en el trópico subhúmedo de Nicaragua y Costa Rica”. Considera que la demanda de agua dulce se duplica cada veinte años a un ritmo dos veces mayor que el crecimiento de la población mundial. Pese a su gran importancia, el agua es uno de los recursos naturales más degradados a nivel mundial, debido principalmente a la reducción de la cobertura forestal y a los cambios en el uso del suelo que reducen la capacidad de captación y almacenamiento de agua en los mantos acuíferos. En este trabajo, se evaluó la infiltración y la escorrentía superficial en pasturas nativas sobre pastoreadas sin árboles, pasturas mejoradas con árboles en la época lluviosa (mayo a noviembre) en el trópico subhúmedo de Nicaragua y Costa Rica. Los suelos evaluados fueron similares en los sistemas en Nicaragua y Costa Rica (Alfisoles e Inceptisoles, respectivamente). En ambas localidades, los suelos presentan textura franca a franca arcillosa con pendientes moderadas a altas. La escorrentía superficial fue evaluada mediante la instalación de tres parcelas de escorrentía por sistema. La capacidad de infiltración fue estimada mediante el método de inundación o anillos concéntricos, realizando tres pruebas simultáneas en cada sistema. Las pasturas nativas sobre pastoreadas presentaron la mayor escorrentía superficial, la cual fue cuatro y cinco veces más alta que la del tacotal; dos y tres veces mayor que la de la pastura mejorada con árboles; y siete y once veces más que la del banco forrajero en Costa Rica y Nicaragua, respectivamente. El tacotal mostró la mayor capacidad de infiltración en comparación con los demás sistemas, mientras que las pasturas arboladas tuvieron mayor infiltración que las pasturas nativas sobre pastoreadas. Los árboles dispersos en pasturas nativas o mejoradas disminuyen la escorrentía superficial e incrementan la infiltración.
Estudio geológico geotécnico e hidrológico de la quebrada Yanango (Km.76+270 - Km. 76+420), elaborado por la Dirección de Estudios Especiales, Dirección General de Camino del Ministerio de Transportes y Comunicaciones, septiembre de 1986. En el estudio se hace mención del análisis de fotografías aéreas del año 1951, se observa grietas y/o superficies de deslizamientos, donde el ancho del cauce activo de inundación del río Yanango no sobrepasa los 40 m, con presencia de cubierta arbórea en el resto del cauce. En 1986, se observó en la parte alta del cerro numerosas rajaduras, grietas y superficies de deslizamientos activados por efecto de la sobre extracción, voladuras de material rocoso que existen en la base de los cerros, se menciona que el cauce activo de inundación del río Yanango sobrepasa los 80 m, y la vegetación anexa en dicho río ya no existe; del análisis de frecuencia elaborado para la estación de San Ramón considerada como representativa, se determinaron las siguientes precipitaciones máximas en 24 horas, para el periodo 1961-1980: Para un periodo de retorno de 50 años un precipitación de 124.41 mm y para un periodo de retorno de 100 años una precipitación de 136.46 mm, de acuerdo al método empírico utilizando la fórmula de Mac-Math, para una superficie de 49.56 km2, se estimaron los siguiente caudales máximos, para un periodo de retorno de 50 años un caudal de 173.62 m3/s y para un periodo de retorno de 100 años 190. 45 m3/s. El estudio concluye recomendando la construcción de un puente de un solo tramo de 150 m con una altura de 8.0 m estimando la profundidad de socavación en 8.0 m.
Estudio de la estabilidad de taludes y defensas rivereñas, carretera Tarma - La merced, elaborado por CORPEI para el MRCVC. Enero de 1999. El estudio se orienta a la dinámica de erosión, transporte y acumulación de acarreo
fluvio-aluvional que afectan el puente atirantado Yanango, el anillo vial y la carretera entre los kilómetros 77+200 a 79+00. El estudio indica que la microcuenca Yanango tiene 13 km de largo y 5 km de ancho como promedio, y se encuentra entre los 1600 a 4350 msnm. A 1.5 km aguas arriba de la unión con el río Tarma, está la confluencia con la quebrada Umanpaccha. La quebrada Umanpaccha tiene aproximadamente 4 km de largo por 1.5 km de ancho desciende desde 3350 a 1850 msnm, es la que genera crecidas torrenciales durante la ocurrencia de lluvias. El flujo de lodos y rocas por la estrechez de la quebrada, se represan escalonadamente que luego de romperse originan crecidas torrenciales de lodo y piedras que discurren con pendientes de 10° a 20° comprometiendo la estabilidad de las estructuras y obras como el anillo vial, puente atirantado Yanango; también represan al rio Tarma que luego con sus descargas erosionan las defensas y plataforma de la carretera hacia aguas abajo. Se menciona que en octubre de 1998, se calculó un caudal entre 80 a 100 m3/s elevando el cauce en 7 metros.
Estudio de riesgos geológicos de la cuenca hidrográfica Yanango (Quebrada Umanpaccha), elaborado por Cónsul Control S.A. para la empresa EDEGEL en junio de 1999. El estudio indica que la comparación de topografías del año 1987 y 1998, muestra que el cono de deyección se habría elevado 12 m, también menciona que en octubre de 1998 se presentó una crecida torrencial sobre el cono de deyección elevando su cota en aproximadamente 8 metros hasta llegar a menos de 2 metros de la rasante del puente atirantado. Se menciona que la microcuenca Yanango tiene una superficie de 50 km2 y un pendiente promedio del cauce de 20°, la quebrada Umanpaccha tiene una superficie de 573 ha y una pendiente promedio de cauce
de 34°. En base a cálculos de precipitaciones en ceja de selva, se tendría previsiones máximas para Yanango del orden de 82 m3/s para un periodo de retorno de 100 años. El estudio indica que se habría cometido errores de concepción en los diseños del puente atirantado Yanango. La comparación de los valores reales de las descargas pico con los computados de los registros pluviométricos, indican que los valores reales han sido mucho más grandes que los registros calculados de los registros pluviométricos. Este desacuerdo es explicado por la composición de la masa que se desplaza donde el agua es el menor de los componentes y el resto de la masa fluida como compuesto de rocas agregados y arenas. Indica que el caudal transportado por las crecidas provienen del agua, sedimentos y detritus almacenados durante los meses de sequía en la quebrada Umanpaccha, más de los depósitos aluviales depositados en el lecho inferior de Yanango.
Estudio hidrológico e hidráulico para la construcción del túnel Yanango y accesos elaborado por el Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC) -consorcio INGESONDEX-2013. El objetivo central del proyecto es contar con fácil acceso y con seguridad la cruzar la quebrada Yanango, mediante la construcción de un túnel, reduciendo costos de transporte y tiempo de espera de los usuarios y sobre todo, evitar que los usuarios estén en riesgo permanente al tener que cruzar la quebrada en condiciones inseguras. La importancia del estudio radica en evaluar tanto hidrológica e hidráulicamente el rio y la quebrada por donde se ubicara el túnel para determinar los niveles de agua que alcanzara en la boca de entrada y salida del túnel. Los resultados del analisis de generación de caudales con el Método de Soil Conservation Service (SCS), resulto un número de curvas (CN) de 61.12 con una infiltración potencial (S) de
161.58 mm y una abstracción inicial (Ia) de 33.32 mm. Las conclusiones a las que llega el estudio con referencia a caudales son:
El “n” de Manning para la microcuenca Yanango es de 0.035.
Las velocidades medias del flujo para máximas ordinarias y máximas extraordinarias se encuentran en el orden de 2.73 m/s y 3.65 m/s en la quebrada Yanango.
Los caudales de diseño para diferentes periodos de retorno son:
Tabla 1. Caudal para diferentes periodos de retorno rio Yanango.
Periodo de retorno Caudal quebrada Yanango (m3/s )
25 años 92.27
50 años 123.40
100 años 161.72
200 años 202.82
500 años 261.19
Fuente: INGESONDEX-2013.
La capacidad de arrastre de la quebrada Yanango, muestra un diámetro que va en el rango de 179 a 320 cm.
El gasto solido de la quebrada Yanango para máximas avenidas ornidarias y extraordinarias están en el orden de 0.71 y 1.75m3/s.
2.2. Fundamento teórico.
2.2.1. Cuenca Hidrográfica.
La cuenca hidrográfica es el espacio de territorio delimitado por la línea divisoria de las aguas, conformado por un sistema hídrico que conducen sus aguas hacia un mismo punto de salida. En la cuenca hidrográfica se encuentran los recursos naturales y la infraestructura creada por las personas, en las cuales
desarrollan sus actividades económicas y sociales que generan diferentes efectos favorables y no favorables para el bienestar humano.
Las cuencas hidrográficas son consideradas sistemas hidrológicos, por lo cual existen entradas y salidas que pueden ser cuantificables. En ellas se producen interacciones entre sus distintos elementos y existe una alta interdependencia entre usos y usuarios (Campos, 1992).
2.2.2. Ciclo hidrológico.
Uno de los conceptos básicos en hidrología es el ciclo hidrológico, que supone un movimiento o transferencia de masas de agua, de forma continua, en diferentes estadios o etapas. El carácter cíclico de este movimiento permite abordarlo desde cualquiera de sus etapas, por ejemplo, desde el agua contenida en estado de vapor en la atmósfera, parte de este vapor se condensa, dando origen a las precipitaciones en forma líquida (lluvia) o sólida (nieve esencialmente), parte de la precipitación no llega a alcanzar la superficie de la tierra, por evaporación y otra es retenida en las hojas de los árboles, edificaciones, carreteras, intercepción volviendo a la atmósfera de nuevo en forma de vapor, del agua que alcanza la superficie de la tierra, una pequeña porción es retenida en las irregularidades del terreno (almacenamiento superficial), parte se une y escurre hacia los ríos (escorrentía superficial) que irá a parar al mar o a los lagos, para evaporarse posteriormente o infiltrarse parcialmente en el terreno, otra porción de la precipitación se infiltra en el terreno, en los poros y fisuras, con una porción de la misma que percola en profundidad y otra que es retenida para posterior evaporación y uso en las actividades biológicas de los seres vivos transpiración; al conjunto de ambas se le denomina
evapotranspiración. El agua así infiltrada surgirá por manantiales, directamente en cauces de superficie, en lagos o mares directamente, o será extraída por el hombre, parte de la cual vuelve a evaporarse o transpirarse, otra se infiltra y otra escurre por los cauces al mar (Custodio, 1997).
2.2.3. Balance Hídrico Superficial.
Para Pladeyra (2003), la evaluación de los recursos hídricos de una cuenca requiere de una estimación correcta del balance hidrológico, es decir, comprender el ciclo en sus diferentes fases, la forma en que el agua que se recibe por precipitación y se reparte entre el proceso de evapotranspiración, escorrentía e infiltración.
La ecuación de Balance Hidrológico es una expresión muy simple, aunque la cuantificación de sus términos es normalmente complicada por la falta de medidas directas y por la variación espacial de la evapotranspiración, de las pérdidas profundas (en acuíferos) y de las variaciones del agua almacenada en la cuenca.
En general podemos afirmar que:
P = ET + E + I Ecuación 1.
Donde.
P= Precipitación ET = Evapotranspiración E = Escorrentía
I = Infiltración
2.2.3.1. Precipitación.
Como precipitación se conocen todas las formas de humedad que caen a la tierra, provenientes de las nubes, como agua, nieve y hielo. La precipitación constituye la entrada primordial del sistema hidrológico y es el factor principal que controla la hidrología de una región.
El conocimiento de los comportamientos y patrones de la lluvia en el tiempo y en el espacio es esencial para entender procesos como la variación de la humedad del suelo, recarga de acuíferos y caudal en los ríos (Aparicio, 1989).
La evaporación desde la superficie de los océanos es la principal fuente de humedad para la precipitación, ya que no más del 10% de la precipitación continental se puede atribuir a la evaporación en los continentes.
Por otra parte, el 25% de la precipitación total que cae en áreas continentales regresa al mar como escorrentía directa o flujo de agua subterránea. Sin embargo, la cercanía a los océanos no necesariamente implica altas precipitaciones, como es el caso de islas desérticas.
2.2.3.2. Infiltración.
Para Castañeda & Barros (1994), la infiltración es el flujo de agua que transita desde el suelo hacia las zonas no saturada y saturada. La capacidad de infiltración está en función al flujo de agua por unidad de tiempo y de área total.
Los factores que afectan a la infiltración son:
Tipo de cubierta vegetal.
Características hidráulicas del suelo.
Estado de humedad del suelo.
Intensidad de la lluvia o cantidad de agua de riego.
Trabajos agrícolas.
2.2.3.3. Escorrentía.
Para Serrato & Díaz (1998). La escorrentía es la parte de la precipitación que llega a alimentar a las corrientes superficiales, continuas o intermitentes, de una cuenca. Existen distintos tipos de escorrentías dependiendo de su procedencia.
La escorrentía superficial depende básicamente de:
Factores climáticos.- Relacionados con la precipitación y evaporación
Factores fisiográficos.- Ligados a las características físicas; como es la permeabilidad y coeficiente de escorrentía y características geométricas de la cuenca; tal como son el área, pendiente y forma.
Factores de vegetación.- Debido al tipo y densidad de vegetación determina el volumen de agua interceptada y evapotranspirada.
Factores de naturaleza humana.- Relacionados con la intervención humana.
2.2.3.4. Escurrimiento base.
El flujo subterráneo está conformado por el agua que fluye desde el almacenamiento del agua subterránea hacia los cauces. Este ocurre cuando los cauces interceptan el agua subterránea, ya sea desde el nivel freático como de acuíferos más profundos, éste flujo es llamado caudal base.
2.2.4. Hidrogramas.
El hidrograma de una corriente, es la representación gráfica de las variaciones
del caudal con respecto al tiempo, arregladas en orden cronológico en un lugar dado de la corriente. En las figuras 1 y 2 se han representado los hidrogramas correspondientes a una tormenta aislada y a una sucesión de ellas respectivamente. En el hietograma de la figura 1 se distingue la precipitación que produce la infiltración, de la que produce escorrentía directa, ésta última se denomina precipitación en exceso, precipitación neta o efectiva. El área bajo el hidrograma, es el volumen de agua que ha pasado por el punto de aforo, en el intervalo de tiempo expresado en el hidrograma. Es muy raro que un hidrograma presente un caudal sostenido y muy marcado, en la práctica la forma irregular de la cuenca, la heterogeneidad espacial y temporal de la lluvia, la influencia de las infiltraciones, etc., conducen a hidrogramas de uno o muchos picos (Figura 2).
Figura 1. Hidrograma de un solo pico.
Figura 2. Hidrograma de varios picos
El hidrograma en la (figura 1) presenta los siguientes componentes:
Curva de concentración.- Es la parte que corresponde al ascenso del hidrograma.
Pico del hidrograma.- Es la zona que rodea al caudal máximo.
Curva de descenso.- Es la zona correspondiente a la disminución progresiva del caudal.
Punto de inicio de la curva de agotamiento.- Es el momento en que toda la escorrentía directa provocada por esas precipitaciones ya ha pasado. El agua aforada desde ese momento es escorrentía básica, que corresponde a escorrentía subterránea.
Curva de agotamiento.- Es la parte del hidrograma en que el caudal procede solamente de la escorrentía básica. Es importante notar que la curva de agotamiento, comienza más alto que el punto de inicio del escurrimiento directo (punto de agotamiento antes de la crecida), eso debido a que parte de la precipitación que se infiltró está ahora alimentando el cauce.
En hidrología, es muy útil ubicar el punto de inicio de la curva de agotamiento, a fin de determinar el caudal base y caudal directo.
2.2.4.1. Análisis de un hidrograma.
El escurrimiento total que pasa por un cauce, está compuesto de:
Q = Qd + Qb Ecuación 2. Donde:
Q = Caudal total
Qd = Escurrimiento directo, producido por la precipitación.
Qb = Flujo base, producido por aporte del agua subterránea.
Figura 3. Escurrimiento base y directo
No todas las corrientes reciben aporte de agua subterránea, ni todas, las precipitaciones provocan escurrimiento directo. Solo las precipitaciones importantes, es decir, intensas y prolongadas, producen un aumento significativo en el escurrimiento de las corrientes. Las características del escurrimiento directo y del flujo base, difieren tanto, que deben tratarse separadamente en los problemas que involucran períodos cortos de tiempo. No hay medios cortos, para diferenciar estos escurrimientos una vez que se hayan juntado en una corriente, y las técnicas para efectuar análisis son más bien arbitrarias. Prácticamente el método de análisis, debe ser tal, que el tiempo base del escurrimiento directo, permanezca relativamente constante de una precipitación a otra.
2.2.4.2. Separación de la escorrentía base.
Se han sugerido varias técnicas, para separar el flujo base del escurrimiento directo de un hidrograma, éstos se pueden agrupar en métodos simplificados y métodos aproximados.
Métodos simplificados
Consiste en admitir como límite del escurrimiento base la línea recta A-A1 (figura 4), que une el punto de origen del escurrimiento directo y sigue en forma paralela al eje X.
Figura 4. Cálculo del flujo base.
2.2.5. Crecida torrencial.
Las crecidas torrenciales constituyen respuestas hidrológicas generadas por cuencas de montaña ante la ocurrencia de lluvias de cierta intensidad y duración con flujos muy rápidos y de gran poder de arrastre de materiales lo que los hace sumamente destructivos cuando exceden la capacidad de transporte de sus secciones hidráulicas. Todas las cuencas hidrográficas de montaña se caracterizan por presentar, en mayor o menor grado, condiciones de torrencialidad, las condiciones dependen en primer lugar de las características naturales intrínsecas de la cuenca receptora, geología, morfometrica, pendientes, suelos, cobertura vegetal, clima, etc. Pero también son consecuencia del grado y tipo de intervención que el hombre haya hecho de sus recursos naturales. La ocurrencia de lluvias extremas puede ocasionar grandes picos de crecida con movilización de enormes volúmenes de sedimentos finos, arena, grava, piedras y grandes rocas, troncos de árboles denominados flujo de detritos o coladas detríticas, cuya fuerza tiene un alto poder destructivo (Houston, 2001).
2.2.6. Relación precipitación-escorrentía.
Las relaciones precipitación-escorrentía, conforman la base para establecer eficazmente predicciones a través de proyectos hidráulicos, así como también registrar volúmenes de agua en cuencas hidrográficas y estimar caudales que no cuenten con puntos de control. En este marco, Linsley et al, (1988) expresan que los métodos gráficos para establecer relaciones precipitación-escorrentía a nivel anual, otorgan una buena correlación, especialmente en áreas donde la mayoría de las precipitaciones caen durante el invierno.
Según Chow et al, (1994), las relaciones precipitación-escorrentía son posibles de establecer en lugares donde se cuente con los datos necesarios, teniendo en cuenta que el objetivo es conseguir un adecuado nivel de predicción sobre la cantidad de agua que se espera que aparezca en los cauces, o que contribuya a un mejor conocimiento de los procesos hidrológicos.
Entonces, lo primero a establecer es que existe una relación entre la precipitación caída y las escorrentías generadas; consecuentemente e independiente de los períodos analizados, las escorrentías directas e indirectas dependen de la cantidad de agua que cae. Por lo tanto, siempre será válido intentar establecer relaciones que describan el comportamiento de la relación precipitación-escorrentía (Pizarro, 1996). Asociado a lo explicitado se plantea que está claramente establecido que existe una relación general causa-efecto entre la precipitación y la escorrentía resultante, definiendo además que, dicha relación no es directa; lo anterior se explica por el hecho que, habitualmente, no se contemplan variables como almacenamiento de agua en el suelo, la intercepción y la evaporación. Luego destaca que cuando los factores de
importancia están bien determinados, la mayoría de los errores se remiten a la forma y las condiciones en que se obtiene la información básica, destacando un método usualmente utilizado que consiste en el establecimiento de correlaciones entre los registros históricos de escorrentía y ciertas variables específicas.
Así mismo Pizarro (1996) estipula que utilizar métodos de regresión y correlación para estimar funciones matemáticas que permitan determinar escorrentías, constituyen una herramienta de amplio uso en el área hidrológica. Tal validez de los métodos de regresión y correlación, se plantea en términos de construir un modelo que asume directamente escorrentía por medio de variables independientes, o bien en términos de construir un modelo más complejo, facilitando las demandas paramétricas internas de él.
Llamas (1993), plantea que un modelo es “la representación simplificada de un sistema complejo, bajo una forma física o matemática, en el cual las respuestas producidas por una serie de solicitaciones externas son difícilmente previsibles a causa del gran número de factores que entran en juego”.
Singh (1988), señala que los sistemas precipitación-escorrentía no son lineales y que su representación lineal es sólo un supuesto, debido principalmente a factores estacionales; además, expresa que para establecer este tipo de relaciones es necesario conocer la distribución en el tiempo y en el espacio de la precipitación, las características fisiográficas de las cuencas, algunas leyes físicas, antecedentes de humedad del suelo y condiciones iniciales del sistema.
Sin embargo, se puede intentar definir una determinación directa de la escorrentía a partir de las precipitaciones.
Sin embargo, para Bedient y Huber (1992) citados por Pizarro (1996), la aplicación poderosa de los métodos de regresión en hidrología consiste en poder
relacionar valores observados de una variable dependiente con una o más variables independientes, situación dada por la precipitación y la escorrentía. Al mismo tiempo, exponen que si se logra obviar los efectos estacionales, se puede relacionar linealmente las precipitaciones (extrayendo las pérdidas) y las escorrentías.
El poder inferir el caudal proveniente de una precipitación tiene múltiples aplicaciones. Por ejemplo, permite obtener los caudales en un rio sin estaciones hidrométricas; o extender los registros cortos de caudales a fin de someterlos a análisis estadístico. Por éstas y otras razones, un problema clásico en Hidrología está constituido por la obtención de la escorrentía directa que corresponde a una determinada lluvia, en un lugar específico. El primer método es a través del coeficiente de escorrentía C. El segundo método es mediante la separación en el histograma usando la curva de infiltración, el tercer método consiste en el empleo de los índices de infiltración. Existen todavía otros métodos, como el que usa los datos de suelos y cubierta vegetal, el método racional y los métodos de simulación por computadora; Se hace notar que todos los métodos reseñados son para el cálculo de la escorrentía por tormenta individual; en la práctica se requiere también el cálculo para períodos largos de tiempo (mensual o anual) (Monsalve. 2000).
2.2.6.1. Usando los datos de suelos y cubierta vegetal
El método que se describe aquí es el desarrollado por el U.S.C (Soil Conservation Service).
El método consiste en:
Asignar a la cuenca una de las curvas de escorrentía (un número en escala de 0 a 100), según los tipos de suelo y de cubierta vegetal.
Hallar la lámina de escorrentía directa que es de esperar ocurra en dicha cuenca, después de una lluvia intensa y prolongada.
El método se basa en la relación que existe entre la infiltración y escorrentía potenciales y los valores reales de ambos.
2.2.6.1.1. Grupo hidrológicos del suelo
Bajo potencial de escorrentía (A).- Suelos que tienen alta tasa de infiltración aun cuando estén muy húmedos. Consisten en arenas o gravas profundas bien drenadas y con alta transmisión de agua.
Moderadamente bajo potencial de escorrentía (B).- Suelos con tasa de infiltración moderada cuando están muy húmedos. Suelos moderadamente profundos a profundos, moderadamente bien drenados a bien drenados, suelos con texturas moderadamente finas a moderadamente gruesa y permeabilidad moderadamente lenta a moderadamente rápida. Suelos con tasas de transmisión de agua moderadas.
Moderadamente alto potencial de escorrentía (C).- Suelos con infiltración lenta cuando están muy húmedos. Consisten de suelos con un estrato que impide el movimiento del agua hacia abajo; suelos de textura moderadamente finas a finas, suelos, con infiltración lenta debido a niveles freáticos moderados. Esos suelos pueden ser pobremente drenados a moderadamente bien drenados, con estratos de permeabilidad lenta a muy lenta a poca profundidad.
Alto potencial de escorrentía (D).- Suelos con infiltración muy lenta cuando están muy húmedos. Consisten de suelos arcillosos con alto potencial de
expansión; suelos con nivel freático alto permanente; suelos con estrato arcilloso superficial; suelos con infiltración muy lenta y poco profundos sobre material casi impermeable. Estos suelos tienen tasas de transmisión de agua muy lenta.
2.2.6.1.2. Clases de usos y tratamientos del suelo
La evaluación de un uso o tratamiento se hace con respecto a sus efectos hidrológicos. La idea es que cuanto más uso o tratamiento de la tierra, aumentan la retención total, tanto más descenderá en la escala de producción de avenidas.
Los usos o tratamientos principales son:
Rotación de cultivos.- Las buenas rotaciones contienen alfalfa u otras legumbres que se siembran muy juntas, o pastos, para mejorar la textura de la tierra y aumentan la infiltración. Las buenas rotaciones entonces aumentan la infiltración y las malas la disminuyen.
Cultivos en hileras rectas.- En esta clase se incluyen los cultivos que siguen la mayor pendiente y los transversales en hileras rectas.
Cultivos por líneas de nivel.- Son usados en cuencas experimentales con taludes 3 a 8% de pendiente.
Praderas naturales o pastizales.- Las praderas malas tienen exceso de pastoreo o tienen una cubierta vegetal en menos del 50% del área. Las praderas regulares tienen una cubierta vegetal entre el 50% y el 15% del área. Las praderas buenas tienen más del 75% de cubierta vegetal y están sujetas a un pastoreo ligero.
Lotes de bosque.- Se consideran tres tipos. Lotes de bosque malos, con pastoreo excesivo, que se queman regularmente, lo que destruye el arrope, árboles pequeños y broza. Lotes de bosque regulares, con algo de pastoreo
pero que no se queman. Lotes de bosque buenos, protegidos contra el pastoreo, de manera que el suelo está cubierto por arrope y arbustos.
2.2.6.1.3. Condición hidrológica para la infiltración.
Está determinada por el porcentaje de cubierta vegetal en una determinada área que influirá en la intercepción de las precipitaciones, están condiciones son:
Buena.- Con cobertura mayor a 75%
Regular.- Cobertura entre 50 y 75%
Mala.- Cobertura menor al 50%
2.2.6.1.4. Combinaciones hidrológicas de suelo-vegetación.
En la tabla 2, se combinan los grupos de suelos, el uso del suelo y las clases de tratamiento, formando complejos hidrológicos suelo-vegetación. Los números se muestran en una escala de 0 a 100, el valor relativo de los complejos como productores de escorrentía directa (curvas de escurrimiento). Cuanto más elevado es el número, mayor es el volumen de escorrentía directa que puede esperarse de una tormenta. El sistema de numeración se indica más adelante.
Esta tabla se preparó en parte usando datos de cuencas aforadas con suelo y vegetación conocidos.
Tabla 2. Números de las curvas de escurrimiento para las diferentes combinaciones hidrológicas suelo-vegetación
Cobertura Grupo hidrológico de suelos
Uso del Práctica Condición A B C D
Terreno hidrológica
Barbecho Surco recto Pobre 77 86 91 94
Cultivos en surco
Surco recto Pobre 72 81 88 91
Surco recto Buena 67 78 85 89
Surco a nivel Pobre 70 79 84 88
Surco a nivel Buena 65 75 82 86
Surco a nivel y terraza Pobre 66 74 80 82
Surco a nivel y terraza Buena 62 71 78 82
Cereales finos
Surco recto Pobre 65 76 84 88
Surco recto Buena 63 75 83 87
Surco a nivel Pobre 63 75 83 87
Surco a nivel Buena 61 73 81 84
Surco a nivel y terraza Pobre 63 73 80 83
Surco a nivel y terraza Buena 59 70 78 81
Surco recto Pobre 66 77 85 89
Legumbres o con Surco recto Buena 58 72 81 85
rotación de pradera Surco a nivel Pobre 64 75 83 85
Surco a nivel Buena 55 69 78 83
Surco a nivel y terraza Pobre 63 73 80 83
Surco a nivel y terraza Buena 51 67 76 80
Pobre 68 79 86 89
Regular 49 69 79 84
Pradera natural Buena 39 61 74 80
y Pastizal Surco a nivel Pobre 47 67 81 88
Surco a nivel Regular 25 59 75 83
Surco a nivel Buena 6 35 70 79
Pradera permanente Buena 30 58 71 78
Pobre 45 66 77 83
Bosque Regular 36 60 73 79
Buena 25 55 70 77
Cascos de hacienda 59 74 82 86
Caminos de tierra 72 82 87 89
Caminos con pavimento 74 84 90 92
Superficie impermeable 100 100 100 100
2.2.6.1.5. Determinación de la escorrentía directa.
El método del número de curva (CN) se basa en la relación que existe entre la infiltración y escorrentía potenciales y los valores reales de ambos. La relación fundamental es:
F S= Q
Pe Ecuación 3.
Donde:
F = Infiltración real (mm) S= Infiltración potencial (mm) Q= Escorrentía real (mm)
Pe= Escorrentía potencial o exceso de precipitación (mm)
La relación presentada en la ecuación 3, se considera válida a partir del inicio de la escorrentía. Toda la precipitación (P) ocurrida antes del inicio de ésta es considerada como pérdida y no contribuye al flujo superficial. Estas pérdidas son denominadas abstracciones iniciales (Ia) y constan de varios componentes tales como: Intercepción, almacenamiento en depresiones e infiltración inicial. En cuencas grandes parte del agua infiltrada retorna como flujo sub-superficial o subterráneo, pero no son considerados en el análisis de tormentas puesto que tienen un tiempo de retardo suficientemente largo como para influenciar el hidrograma de escorrentía directa. De acuerdo con lo anterior:
Pe = P - Ia Ecuación 4.
F = Pe - Q Ecuación 5. Combinando las ecuaciones 3,4 y 5 se obtiene:
Q = Pe2
Pe + S Ecuación 6.
Un estudio de gran cantidad de tormentas permitió la obtención de una relación empírica entre Ia y S.
Ia = 0.2S
Ecuación 7.
Sustituyendo la ecuación 4 y 7 por (Ia) en 6 se obtiene:
Q = (P - 0.2S)2
P + 0.8S Ecuación 8.
2.2.7. Características de la cuenca y sus efectos en la escorrentía.
Resulta apropiado describir ahora cómo varias propiedades de la cuenca afectan la cantidad de escorrentía.
Pendiente.- A mayor pendiente de la cuenca mayor rapidez en el viaje de la escorrentía, de modo que los caudales pico son mayores. La infiltración tiende a ser menor. Algunas veces se conviene definir como pendiente de la cuenca a la pendiente del curso principal pero medida entre dos puntos estándar, por ejemplo a 10% y 85% del punto de desagüe de la cuenca.
Orientación.- La orientación de la cuenca es importante con respecto a la meteorología del área en que ella se encuentra. Si los vientos dominantes tienen un patrón estacional definido, el hidrograma de escorrentía dependerá en algún grado de la orientación de la cuenca. Aquí juega papel importante el conocimiento que tenga el hidrólogo de la región en estudio.
Forma.- El efecto de la forma puede demostrarse mejor considerando los hidrogramas de descarga de tres cuencas de diferente forma e igual área sometidas a una lluvia de igual intensidad.
Densidad de arroyos.- El esquema de los cursos de agua en la cuenca puede tener un efecto marcado en la tasa de escorrentía. Una cuenca bien drenada tendrá comparativamente hidrogramas más empinados que una cuenca con muchas depresiones superficiales. Una manera de cuantificar esta densidad de cursos de agua consiste en medir las longitudes de cursos por unidad de área. Otra manera consiste en expresarla mediante el número de uniones de cursos por unidad de área.
Lagos.- Los lagos, lagunas y reservorios actúan como almacenamientos superficiales del agua y tienen el efecto de suavizar los hidrogramas de escorrentía a la salida de las cuencas que los contienen.
Otros.- Aparte de los citados hay otros factores que afectan la cantidad de la escorrentía, como el déficit de humedad del suelo, la altitud (con su efecto sobre la temperatura), el uso de la tierra (ya sea área de bosques o tierras de cultiva), la proporción del desarrollo urbano, etc.
2.2.8. Método de regresión lineal simple.
Uno de los aspectos más relevantes de la estadística es el análisis de la relación o dependencia entre variables. Frecuentemente resulta de interés conocer el efecto que una o varias variables pueden causar sobre otra, e incluso predecir en mayor o menor grado valores en una variable a partir de otra.
Los métodos de regresión estudian la construcción de modelos para explicar o representar la dependencia entre una variable respuesta o dependiente (Y) y las variables explicativas o dependientes (X).
La estructura del modelo de regresión lineal es la siguiente: Y = a + bX
En esta expresión estamos admitiendo que todos los factores o causas que influyen en la variable respuesta (Y) pueden dividirse en dos grupos: el primero contiene a una variable explicativa (X) y el segundo incluye un conjunto amplio de factores no controlados que englobaremos bajo el nombre de perturbación o error aleatorio, ε, que provoca que la dependencia entre las variables dependiente e independiente no sea perfecta, sino que esté sujeta a incertidumbre.
2.2.9. Análisis de correlación.
El análisis de correlación es la herramienta estadística de que nos valemos para describir el grado de relación que hay entre dos variables; este análisis se usa junto con el análisis de regresión para medir la eficacia de la línea de regresión, ya que revela la variación de la variable dependiente. También puede usarse para medir el grado de asociación entre dos variables. (Caldera, 2003).
2.2.9.1. Coeficiente de correlación de Pearson (R).
El coeficiente de correlación de Pearson es la medida con al que se puede describirse la eficacia con que una variable es explicada por otra. Este coeficiente se denota con la letra R y es la raíz cuadrada del coeficiente de determinación R2.
Tabla 3. Rango de valores del coeficiente de correlación de Pearson
Valor Significado
-1 Correlación negativa grande y perfecta
-0.9 a -0.99 Correlación negativa muy alta
-0.7 a -0.89 Correlación negativa alta
-0.4 a -0.69 Correlación negativa moderada
-0.2 a -0.39 Correlación negativa baja
-0.01 a -0.19 Correlación negativa muy baja
0 Correlación nula
0.01 a 0.19 Correlación positiva muy baja
0.2 a 0.39 Correlación positiva baja
0.4 a 0.69 Correlación positiva moderada
0.7 a 0.89 Correlación positiva alta
0.9 a 0.99 Correlación positiva muy alta
1 Correlación Positiva grande y perfecta
2.2.9.2. Coeficiente de determinación (R2)
El coeficiente de determinación es la manera primaria de medir el grado o fuerza de la asociación que existe entre dos variables “X” y “Y”.
2.3. Marco conceptual.
Microcuenca.- Las microcuencas son unidades geográficas que se apoyan principalmente en el concepto hidrológico de división del suelo.
Quebrada.- Es un relieve natural muy estrecho, más pequeño que un valles pero más grandes que un barranco, aunque algunas quebradas pueden acabar convirtiéndose en valles durante un periodo de tiempo de miles de años.
Numero de curvas (CN).- Es un numero adimensional que tiene valores de 1 a 100 que posibilita la estima de la escorrentía e infiltración en una cuenca hidrográfica para una precipitación dada.
Aforar.- Acción de medir y registrar los caudales de un río, manantial u otra fuente de agua.
Caudal.- Es el volumen de agua en relación a un tiempo determinado, empleado para mediciones de líquidos principalmente utilizado en hidrología.
Deposito aluvial.- Son suelos que se han formado a partir de materiales arrastrados y depositados por corrientes de agua.
Deposito coluvial.- Son acumulaciones constituidas por materiales de diverso tamaño pero de litología homogénea,
Sedimento.- Es un material sólido acumulado sobre la superficie terrestre (litósfera) derivado de las acciones de los vientos, variaciones de
temperatura, precipitaciones meteorológicas, circulación de aguas superficiales o subterráneas
Relación.- Correspondencia o conexión que hay entre dos o más variables en evaluación.
Prevención.- Conjunto de actividades y medidas diseñadas para proporcionar protección permanente contra los efectos de un desastre.
Vulnerabilidad.- Es el grado de debilidad o exposición de un elemento o conjunto de elementos frente a la ocurrencia de un peligro natural o antrópico de una magnitud dada.
Amenaza.- Es un fenómeno causado por el ser humano o un proceso natural que puede poner en peligro personas, infraestructura y el medio ambiente.
Riesgo.- Es la probabilidad de que ocurra un desastre, en función de la amenaza y la vulnerabilidad. Es la probabilidad de que una amenaza natural o humano impacte sobre un sistema vulnerable.
III. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Ubicación del área de estudio.
3.1.1. Ubicación geográfica.
La microcuenca del rio Yanango se encuentra ubicada entre las coordenadas geográficas 11°11'55.51" y 11°19'46.33" Latitud Sur; 75°25'48.35" y 75°30'27.54" Longitud oeste presentando altitudes que van desde los 1700 a 4300 msnm, con una superficie de 4953 ha.
3.1.2. Ubicación hidrográfica.
La microcuenca del el rio Yanango se encuentra ubicada en la cuenca del río Perené y ésta a su vez pertenece a la vertiente del Amazonas,
3.1.3. Ubicación política
En la figura 5 se observa que la microcuenca del rio Yanango se ubica entre los kilómetros 77+200 al 79+000 de la carretera asfaltada Las Vegas - Tarma – La Merced, perteneciente al distrito de San Ramón, provincia de Chanchamayo, región Junín.
3.2. Metodología.
Método descriptivo correlacional, el tipo de investigación es aplicada, ya que se hace uso de conocimientos previos para resolver el problema de investigación, diseño no experimental de corte transversal.
3.2.1. Cálculo de la abstracción inicial (Ia) en la microcuenca del rio Yanango.
Se determinó con el método de número de curvas (CN) desarrollado el
“Soil Conservation Service” de los Estados Unidos de América (SCS), a continuación se muestra un diagrama para estimar el número de curva (CN) mediante sistemas de información geográfica.
Se calculó el número de curva (CN) medio ponderado de cada tipo de suelo, adoptando como ponderador el área correspondiente a cada valor de CN.
La abstracción inicial (Ia) es determinada por la siguiente ecuación:
Ia=0.2 [25.4(1000
CN -10)] Ecuación 9.
Mapa de tipo de
suelo
Mapa geomorfológico
Mapa de Grupo hidrológico de los
suelos Mapa de vegetación
Condición Hidrológica de
infiltración
Mapa de número de
curvas
CN (Número de curvas ponderado) ponderado
Donde:
Ia = Abstracción inicial (mm)
CN = Número de curva ponderado (Adimensional)
3.2.2. Relación precipitación-escorrentía superficial en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014.
Estimación de la precipitación diaria
Se determinó con el método de interpolación (IDW), utilizando como herramienta el software ArcGis 10.1, para febrero, marzo y abril, con datos diarios de precipitación periodo 2011 al 2014 de 3 estaciones meteorológicas (Tabla 4)
Tabla 4. Estaciones meteorológicas.
Estación Este Norte Altitud
(m.s.n.m.) Distrito Provincia Región
Tulumayo 463657 8762250 1259 Vitoc Chanchamayo Junín
Huasahuasi 430245 8754348 3359 Huasahuasi Tarma Junín
Ricran 442516 8724214 3687 Ricran Jauja Junín
Estimación de la escorrentía superficial diaria
Se estimó con la siguiente ecuación propuesta por el “Soil Conservation Service”
de los Estados Unidos de América (SCS).
Q = (P - Ia)2
(P + 4Ia) ; P ≥ Ia Ecuación 10.
Donde:
Q = Escorrentía acumulada (mm) P = Precipitación acumulada (mm) Ia = Abstracción inicial (mm).
Relación precipitación - escorrentía superficial
Es determinó por el modelo de regresión lineal simple (y=ax+b), y para medir el grado de asociación entre las variables se determinó con el coeficiente de correlación de Pearson (r).
3.2.3. Relación precipitación - Infiltración en febrero marzo y abril periodo 2011-2014.
Cálculo de la precipitación diaria
Se determinó con el método de interpolación (IDW), utilizando como herramienta el software ArcGis 10.1
Cálculo de la infiltración diaria
Según Llamas (1993), si conocemos la lluvia y el valor de la escorrentía, despreciando en la ecuación de balance hídrico el valor de la evapotranspiración debido al corto intervalo de medición y la representación de su valor en el conjunto), podemos determinar la infiltración como:
I = P - E Ecuación 11.
Donde:
I = Infiltración (mm) P = Precipitación (mm) E = Escorrentía (mm)
Relación precipitación - infiltración
Se determinó por el modelo de regresión lineal simple (y = ax+b), y para medir el grado de asociación entre las variables se determina con el coeficiente de correlación de Pearson (R).
3.2.4. Relación infiltración - escorrentía superficial en febrero, marzo y abril periodo 2011-2014.
La infiltración y escorrentía se estimaron con el método del número de curvas (CN), el cual se utilizó datos de precipitación interpolada.
Relación infiltración - escorrentía
Es determinada por el modelo de regresión lineal simple y para medir el grado de asociación entre las variables se determina con el coeficiente de correlación de Pearson (R).
3.2.5. Medición del caudal mínimo y máximo del rio Yanango en febrero, marzo y abril del año 2015.
Medición del caudal
Se utilizó la fórmula de Manning:
Q =A√3 R2 √S
n Ecuación 12.
Donde:
Q = Caudal (m3/s)
A = Área de la sección transversal (m2) R = Radio hidráulico (m)
S = Pendiente del cauce (m/m)
n = Parámetro de rugosidad de Manning
Para calcular del caudal base se utilizó el método de la línea recta en un hidrograma.
3.3. Descripción del área de estudio.
3.3.1. Morfometría de la microcuenca.
Las variables evaluadas se realizaron con el uso de información cartográfica y con procedimientos automatizados (SIG).
Perímetro (P)
Es la longitud de la divisoria topográfica, medida a partir del punto de salida de la cuenca. Se utilizó el programa ArcGis, la extensión Xtools Pro opción tabla de operaciones calcular perímetro.
P = 36.05 Km
Longitud del cauce principal (Lcp)
Es la distancia del cauce principal desde el río receptor hasta su naciente cerca de la divisoria. Se utilizó la herramienta Measure del ArcGis, obteniendo una longitud de 12.97 Km.
Figura 6. Longitud del cauce principal Lc = 12.97 Km
Tabla 5. Clases de valores de longitud del cauce principal Rangos de longitud (km) Clases de longitud del cauce
7-11 Corto
11-15 Mediano
<15 Largo
Longitud total de cauces (Ltc)
Es la suma de las longitudes de todas las corrientes efímeras, intermitentes y perennes de la cuenca (Km).
Ltc = 41.73 km.
