“Año del buen servicio al ciudadano”
ANÁLISIS DE TORMENTAS
ESTUDIANTES: CASTRO AVILA DIEGO GOMEZ MURILLO ALEXANDER LEON TAPIA MARITA MENDOZA LUJAN ELIZABETH PRINCIPE DE LA CRUZ ROCIO
CURSO
: HIDROLOGÍA GENERAL
DOCENTE
: CERNA CHAVEZ RIGOBERTO
CICLO
A : VII – A
ANÁLISIS DE TORMENTA
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo realizaremos el análisis de una curva de precipitación marcada por un fluviógrafo, es decir realizaremos el análisis de una tormenta: En la primera parte del trabajo se dará algunos conceptos básicos de lo relacionado con el análisis de tormentas, tales como la intensidad, duración, frecuencia, etc. Luego realizaremos el análisis para calcular las intensidades de lluvia, así como también la intensidad máxima y su periodo de duración. Luego graficaremos estos datos, para obtener las gráficas, tanto la de curva masa de precipitación de la tormenta, como también el histograma de precipitación. Finalmente realizaremos el cálculo de intensidades para distintos periodos de duración partiendo de los datos ya procesados del pluviograma.
En el Perú, la precipitación es registrada por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI), mediante su red de estaciones meteorológicas distribuidas en todo el territorio peruano. Adicionalmente, para la zona norte del país se han instalado algunas estaciones meteorológicas en las cuencas de los ríos Piura y Chira controladas por el Sistema de Alerta Temprana (SIAT).
OBJETIVOS
Obtener las características: altura o cantidad, superficie afectada y duración de la lluvia de una tormenta particular. La altura se determina a partir de las combinaciones pertinentes de la superficie y la duración, y usualmente se representa con tablas o curvas. Dichos análisis constituyen registros útiles para el diseño de vertedores y para la investigación de predicciones cuantitativas de precipitación.
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ANÁLISIS DE TORMENTA
ANÁLISIS DE TORMENTAS
I.
DEFINICIÓN: Se entiende por tormenta o borrasca, al conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación metereológica y de características definidas. De acuerdo con esa definición, una tormenta puede durar desde unos pocos minutos hasta varias horas y aún días, y puede abarcar extensiones de terrenos muy variables, desde pequeñas zonas, hasta vastas regiones.
II.
IMPORTANCIA DEL ANÁLISIS DE TORMENTAS: El análisis de las tormentas está íntimamente relacionado con los cálculos o estudios previos al diseño de obras de ingeniería hidráulica, como son:
Estudio de drenaje. Determinación de caudales máximos, que deben pasar por el aliviadero de una represa, o que deben en causarse, para impedir las inundaciones. Determinación de la luz de un puente. Conservación de suelos. Calculo del diámetro de alcantarillas
Las dimensiones de estas obras dependen principalmente de la magnitud que las tormentas tengan, y de la frecuencia o periodo de retorno, esto a su vez determina el coeficiente de seguridad que se da a la obra, o los años de vida probable de la misma.
III.
ELEMENTOS FUNDAMENTALES
Intensidad:
Es la cantidad de agua caída por unidad de tiempo. Lo que interesa particularmente de cada tormenta es la intensidad máxima que se haya presentado. Es decir, la altura máxima de agua caída por unidad de tiempo. De acuerdo con esto la intensidad se expresa de la siguiente manera:
i =
P t
donde:
i = Intensidad máxima en mm/h t = Tiempo en hora P = Precipitación en altura de agua en mm.
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ANÁLISIS DE TORMENTA
Duración Es el tiempo que transcurre entre el comienzo y el fin de la tormenta, tomado en minutos u horas, dentro del total que dura la tormenta. Tiene mucha importancia en la determinación de las intensidades máximas. Estos parámetros: intensidad y la duración se obtienen de un pluviograma o banda pluviográfica.
Frecuencia Es el número de veces que se repite una tormenta de características de intensidad y duración definidas en un período de tiempo más o menos largo, tomado generalmente en años.
IV.
PROCESO PARA EL ANÁLISIS DE UNA TORMENTA REGISTRADA POR UNA PLUVIOGRAMA: Para realizar el análisis de una tormenta, registrada por un pluviograma, hacer lo siguiente: 1. Conseguir el registro de un pluviograma. 2. Realizar una tabulación con la información obtenida del pluviograma, donde sus columnas son:
Hora: se anota las horas en que cambia la intensidad, se reconoce por el cambio de pendiente, de la línea que marca la precipitación. Columna 1
Intervalo de tiempo: es el intervalo entre las horas. Columna 2 Tiempo acumulado: es la suma sucesiva de los tiempos parciales. Columna 3 Lluvia parcial: es la lluvia caída en cada intervalo de tiempo. Columna 4 Lluvia acumulada: es la suma de las lluvias parciales. Columna 5 Intensidad: es la altura de precipitación referida a una hora de duración, para cada intervalo de tiempo. Columna 6 Su cálculo se realiza mediante una regla de tres simple, obteniéndose: (Columna (4)*60) /Columna (2)
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ANÁLISIS DE TORMENTA
Dibujar el hietograma, ploteando las columnas (3) en el eje horizontal y (6) en el eje vertical.
El hietograma permite apreciar más objetivamente como varia la intensidad durante la tormenta.
ANALISIS DE FRECUENCIAS DE INTENSIDADES MAXIMAS (mm/h):
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ANÁLISIS DE TORMENTA Analizar todas las tormentas caídas en el lugar, siguiendo el proceso ya indicado, es decir para cada tormenta hallar la intensidad máxima, para diferentes duraciones. Tabular los resultados en orden cronológico, tomando la intensidad mayor de cada año para cada período de duración (10, 30, 60, 120, 240 min), en una tabla similar a la anterior. Ordenar en forma decreciente e independiente del tiempo, los valores de las intensidades máximas correspondientes a cada uno de los periodos de duración. Para cada valor, calcular su periodo de retorno se utiliza la fórmula de weibull: Donde: T = periodo de retorno
T=
(n+1) m
m = número de orden n = número de observaciones, en este caso número de años.
Para cada frecuencia o tiempo de retorno se construye la curva IDF (intensidad – duración – periodo). Con intensidades de precipitación diferentes tormentas, se obtiene intensidades máximas para periodos de duración de 10’, 30’, 60’, 120’. Se ordenan los datos anteriores en forma decreciente. Se asigna valores de frecuencia con fórmula de weibull: m F= (n+1) Tabla de análisis de frecuencias de intensidades máximas (mm/h) para diferentes tiempos de duración.
Construir las curvas intensidad - duración – periodo de retorno (IDF) Según los pasos siguientes:
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ANÁLISIS DE TORMENTA
Trazar los ejes coordenados: en el eje X, colocar las duraciones (min) mientras que en el eje Y, colocar los valores de las intensidades (mm/hr). Para un espacio de retorno T (en años ubicar los pares duración, intensidad), para ese periodo de retorno T. Trazar una curva que una los puntos (duración, intensidad). Repetir los dos últimos pasos para otros valores de T.
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ANÁLISIS DE TORMENTA ECUACION GENERAL PARA CURVAS IDF:
=
( + )
Donde:
i: intensidad (mm/h) Tr: Periodo de retorno (años) d: duración k, c, d, n: parámetros
COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA (c): Métodos para la determinación del coeficiente de escorrentía: Es característico para cada cuenca, y depende fundamentalmente de sus condiciones topográficas, edáficas y de uso. Seguro que no se te escapa el hecho de que una misma lluvia, de la misma intensidad y duración, no provocará la misma escorrentía en una zona muy abrupta e inclinada que en un valle ancho de suelos profundos y bien drenados. Tampoco responderá igual una ladera cubierta de una buena masa forestal bien desarrollada que un monte bajo disperso y de poco porte, incluso bajo las mismas condiciones de tipo de suelo y pendiente. El coeficiente de escorrentía (c) representa la fracción de agua del total de lluvia precipitada que realmente genera es correntía superficial una vez se ha saturado el suelo por completo Su valor depende de las características concretas del terreno que determinan la infiltración del agua en el suelo.
Cierre El cálculo del coeficiente de escorrentía una cuenca hidrográfica es uno de los aspectos básicos a determinar a la hora de gestionar los recursos agua y suelo, ya sea para su mejor aprovechamiento como su correcto manejo y conservación. Su cálculo se realiza mediante la aplicación de algunos de las gráficas o ecuaciones determinadas empíricamente a partir de la toma de datos en campo, lamentablemente en climas y situaciones diferentes a las condiciones mediterráneas de nuestro entorno. Nuestros suelos, su génesis y desarrollo, responde a las condiciones naturales (clima, vegetación, topografía y material parental) típicas de nuestra geografía, no quedando reflejadas en ninguno de los métodos disponibles para la determinación del coeficiente de escorrentía.
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ANÁLISIS DE TORMENTA La determinación del coeficiente de escorrentía se realiza con ayuda de tablas o ecuaciones empíricas, siendo las más utilizadas las de Raws, la de Molchanov y la de Prevert; en cuanto a las ecuaciones, destacan la relación la ecuación de Nadal y la fórmula de Keler. MÉTODO DE RAWS
C
Bosque Relieve ondulado
0.18
Bosque Relieve quebrado
0.21
Pasto Relieve ondulado
0.36
Pasto Relieve quebrado
0.42
Cultivos Relieve ondulado
0.60
Cultivos Relieve quebrado
0.72 METODO DE MOLCHANOV
Tipo de escorrentia
Pendiente del terreno (en grados)
I
1 – 35
II
5 – 35
III
5 – 40
IV
5 – 40
V
5 - 40
Densidad y usos de la cubierta vegetal D > 0.6 Sin pastoreo 0.5 > D > 0.4 Con pastoreo ocasional 0.4 > D > 0.1 Con pastoreo permanente 0.4 > D > 0.1 Con pastoreo intensivo 0.4 > D > 0.1 Con pastoreo intensivo
Tipo de suelo Franco arenoso Franco pedregoso Franco pedregoso Franco pedregoso Arcilloso
C% 5 6 – 25 25 – 50 50 – 75 > 75
METODO DE PREVERT
Uso del suelo
Bosque
Pastizal
Cultivo agrícola
Pendiente % 0 – 5 5 – 10 10 – 30 > 30 0.15 5 – 10 10 – 30 > 30 0 – 5 5 – 10 10 – 30 > 30
Textura del suelo % Arenoso - Limoso Limoso Limoso - Arenoso Limoso - Arcilloso 0.10 0.30 0.25 0.35 0.30 0.40 0.32 0.42 0.15 0.35 0.30 0.40 0.35 0.45 0.37 0.47 0.30 0.50 0.40 0.66 0.50 0.70 0.53 0.74
Arcilloso 0.40 0.50 0.60 0.63 0.45 0.55 0.65 0.68 0.60 0.70 0.80 0.84
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ANÁLISIS DE TORMENTA FORMULA DE NADAL
C = 0.25 x K1 x K2 x K3 K1 es el factor de la extensión de la cuenca K2 es el factor de la lluvia media anual K3 es el factor de la pendiente y de la permeabilidad del suelo Extensión 2
V.
Lluvia media anual
Km
K1
mm
K2
10 20 40 100 200 500 1000 5000 10000 20000
2.60 2.45 2.15 1.80 1.70 1.40 1.30 1.00 0.90 0.87
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200
0.25 0.50 0.75 1.00 1.10 1.17 1.25 1.32 1.40 1.50
Características de la cuenca
Llana y permeable ondulada montañosa e impermeable
K3
0.5 – 0.7 0.5 – 1.2 1.2 – 1.5
INSTRUMENTOS PARA EL ANALISIS DE TORMENTAS La metodología usada fue prácticamente analizar los conceptos de los parámetros y con los datos obtenidos del pluviograma calcular las intensidades y luego realizar la gráfica de la curva masa de precipitación como también el del histograma. Para estos trabajos en la mayor parte son con ayudas computacionales, principalmente Excel. Existen básicamente dos tipos de medidores que registran la cantidad e intensidad de la lluvia, siendo ellos:
Medidores sin registro o pluviómetros:
Cualquier recipiente abierto de lados verticales, como los de la figura, es apropiado para medir la lluvia, pero debido a la variación del viento y el efecto de salpicadura las medidas no son comparables a menos que los recipientes sean del mismo tamaño, forma y exposición similar. Por lo que hay patrones preestablecidos para los medidores estándar y para su instalación y operación. El medidor estándar de la U.S. National Weather Service tiene un colector de 20.3 cm de diámetro. La lluvia pasa del colector hacia el interior de un tubo de medición cilíndrico dentro de un envase de demasías. El tubo de medición tiene un área de sección transversal igual a un décimo de la del colector, es decir que 0.1 mm de precipitación llenarán el tubo a una altura de 1 mm. Con una vara de medición graduada, la lluvia puede ser medida con precisión de hasta 0,1 mm. Este tipo de medidores se emplea generalmente para la medición de la precipitación diaria, para ello un observador toma la lectura en la vara de medición a una determinada hora todos los días.
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ANÁLISIS DE TORMENTA Otro tipo de medidores sin registro son los medidores de almacenamiento, los cuales se emplean para medir la precipitación en todo un período de tiempo, por ejemplo, un mes o una estación, por lo que deben estar dotados de un mayor volumen de 16 almacenamiento. Estos son ubicados en lugares remotos y de difícil acceso, en donde la toma de lecturas diarias es una labor muy complicada.
Medidores con registro o pluviógrafos:
Son instrumentos que registran la precipitación automáticamente y de manera continua en intervalos de tiempo de hasta una semana. Estos medidores son más costosos y más propensos a error, pero pueden ser la única forma posible para ciertos sitios remotos y de difícil acceso. Estos medidores tienen la gran ventaja que indican la intensidad de la precipitación, la cual es un factor de importancia en muchos problemas. Tres tipos de medidores con registro son comúnmente empleados, el medidor de cubeta basculante, el de balanza y el medidor de flotador. En el primero de ellos el agua es capturada por un colector que es seguido por un embudo, el cual conduce el agua hacia el interior de una cubeta de dos compartimientos. 0,1 mm de lluvia harán que la cubeta pierda el balance, por lo cual ésta se inclinará vaciando el contenido hacia el interior de un recipiente y moviendo el segundo compartimiento hacia el lugar debajo del embudo. Cuando el balde está inclinado acciona un circuito eléctrico y el aparato de registro mide la intensidad de la lluvia. Los medidores de balanza, pesan la lluvia que cae dentro de un balde, sobre la plataforma de un resorte o control balanceado. El incremento del peso del balde y su contenido es registrado en una gráfica.
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ANÁLISIS DE TORMENTA El medidor de flotador, posee un compartimiento donde se aloja un flotador que sube verticalmente a medida que va acumulando lluvia. Este medidor está dotado de un sifón que cada cierto tiempo desaloja el agua almacenada. Estos pluviógrafos trabajan porque tienen un papel de tambor, que rota por el accionar de una máquina de reloj, sobre el cual un lapicero registra en uno y otro sentido el movimiento basculante, la variación del pesaje, o los cambios en el flotador.
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