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Universidad Nacional Autónoma de Honduras en El Valle de Sula UNAH-VS

Departamento de Ingeniería Civil Hidrología: Guía de Estudio – I Periodo 2015

Este es un contenido adicional a las notas de clase.

A. Tema Evaporación

Definiciones: 1) Evaporación

Es el proceso físico mediante el cual, el agua cambia de estado líquido a gaseoso. La evaporación ocurre en cuerpos de agua y áreas húmedas tales como ríos, piscinas, lagos, embalses, calles, techos, etc. El vapor de agua asciende a la atmosfera.

2) Transpiración

Es un proceso biológico que ocurre en todas las plantas, hierbas, arbustos y árboles. El agua es transportada por las plantas desde el suelo y es liberada a través de las hojas. Mientras las estomas están abiertos y el agua se evapora en las hojas, las raíces incorporan agua desde el suelo y el transporte ascendente del agua en la planta es continuo durante su ciclo de vida.

3) Evapotranspiración real Es la combinación de la evaporación y la transpiración que ocurre en una plantación (cultivo), en un matorral o en un bosque. Es una cantidad difícil de estimar.

4) Evapotranspiración potencial según Penman

Es la máxima evapotranspiración que puede ocurrir en función de condiciones climatológicas favorables. Penman la define como “La evapotranspiración que ocurre en una parcela cubierta de grama de altura uniforme, dándole sombra al suelo, que crece activamente y sin limitaciones en el suministro de agua de riego.”

5) Métodos que permites hacer mediciones directas de la evaporación

Estos métodos usados en estaciones climatológicas son:

Tanque evaporímetro clase A.

Atmómetros (el más común es el Piche)

Tanque evaporímetro Clase A

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6) Concepto del método aerodinámico para cuantificar la evaporación El transporte de vapor de agua, desde la superficie evaporante a la atmósfera, es esencialmente un proceso turbulento, en el que el vapor tenderá a pasar de puntos de mayor contenido de humedad a puntos de menor contenido, ayudado por la turbulencia del aire.

La evaporación se mide en mm/día:

𝐸 = 0.35(0.5 +𝜇2

100(𝑒𝑎 − 𝑒𝑑)

Donde: 𝜇2=velocidad del viento en mpd.

𝑒𝑎=presión de vapor en condiciones de saturación.

𝑒𝑑= presión de vapor en el punto de rocío (antes de saturación). 7) Concepto del método Balance de energía para cuantificar la evaporación Determina la evaporación por unidad de superficie, en función de la radiación neta que entra, de la densidad del agua, y del calor latente de evaporación (calor necesario para que una sustancia cambie de estado):

𝐸 = 1𝜌𝐿 (1 − 𝑟)(𝑄𝑠𝑜𝑙 − 𝑄𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 )

Donde: 𝜌= densidad del agua. L= calor latente de vaporización. r= albedo o coeficiente de reflectividad. Q= calor. 8) ¿Cuál es la importancia de las primeras dos ecuaciones en el cálculo de evaporación?

Los dos conceptos son importantes y representan variables que ayudan a producir evaporación, por lo tanto fueron combinados por Penman en una nueva ecuación (método combinado de Penman).

9) ¿Cuáles son los datos climatológicos promedio observados en el campo (en una estación climatológica) usados en la ecuación de Penman para el cálculo de la evaporación y la evapotranspiración potencial?

Temperatura ambiente

Humedad relativa

Velocidad del viento (mph)

Horas de sol diarias (n)

10) ¿Cuáles datos usados en la ecuación de Penman son constantes?

Pendiente ∆ de la curva de saturación de vapor de agua (Presión de vapor – Temperatura)

Constante Psicométrica (ɣ)

Constante de Stefan Boltzman (σ)

Coeficiente de reflectividad o albedo (r)

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11) Datos climatológicos usados en la formula de Penman para calcular tanto evaporación como evapotranspiración, obtenidos de tablas publicadas en libros o manuales de La FAO

Datos tabulados: ∆ es la pendiente de la curva temperatura – presión de vapor La constante γ

Radiación global máxima del sol. (Ra) Número máximo de horas sol por día. N

Presión de vapor de saturación ea 12) Factores que determinan tanto la tasa de evaporación como la tasa de Evapotranspiración potencial y la forma como intervienen en los procesos.

a) Radiación solar. b) Condiciones climatológicas (condiciones de secado) c) Disponibilidad de agua

13) Variaciones de la evaporación en función de a). El mes del año y b) La latitud

La variación diaria de la evaporación está estrechamente ligada a la de la temperatura, pues, la presión atmosférica varía muy poco, en general durante el día. Esta evolución puede alterarse de forma aleatoria e importante por las variaciones del viento. Para un mismo mes, en distintos años las medidas pueden ser muy diferentes. En cambio, los valores anuales varían poco. La evaporación mensual varía mucho con la estación del año, siendo valores corrientes entre 20-30 mm/mes, en la estación fría y superiores a 100 mm/mes en la estación cálida. 14) Otros factores que producen variaciones en la tasa de evapotranspiración

El clima, las características del cultivo, el manejo y el medio de desarrollo son factores que afectan la evaporación y la transpiración. Variables climáticas Los principales parámetros climáticos que afectan la evapotranspiración son la radiación, la temperatura del aire, la humedad atmosférica y la velocidad del viento. Factores de cultivo El tipo de cultivo, la variedad y la etapa de desarrollo deben ser considerados cuando se evalúa la evapotranspiración de cultivos que se desarrollan en áreas grandes y bien manejadas.

15) Significado del término (ea -ed) para el cálculo de evaporación.

Es la diferencia que hay entre la presión de vapor del aire en condiciones de saturación y la presión de vapor en el punto de rocío (antes de la saturación).

16) Significado del término H en la ecuación de Penman

Representa la energía neta disponible para producir evaporación o evapotranspiración potencial.

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17) Significado de ∆ en la ecuación de Penman. Representa la pendiente de la curva de presión de vapor de saturaciónen función de la temperatura

18) Explique que representa el albedo. El albedo es la fracción de la luz del sol entrante que nuestro planeta refleja de nuevo al espacio.El albedo es la cantidad, expresada en porcentaje, de radiación que incide sobre cualquier superficie y que se pierde o es devuelta. Las superficies claras tienen valores de albedo superior a las oscuras, y las brillantes más que las mates 19) Calcule la evaporación de un embalse con los siguientes datos:

a. Calor de entrada debido al sol: 6.47 mm/día b. Calor de salida debido a la tierra: 2.01 mm/día

c. Ea = 3.46 mm/día

d. ∆/γ = 2.23

𝐸 =

∆

𝛾𝐻 + 𝐸𝑎

∆

𝛾+ 1

𝐻 = (1 − 𝑟)(𝑄𝑠𝑜𝑙 − 𝑄𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 )

𝐻 = 1 − 0.05 6.47 − 2.01 = 4.1365

𝐸 =2.23 4.1365 + 3.46

2.23 + 1= 3.927 𝑚𝑚/𝑑í𝑎

20) Con el dato anterior calcule el volumen diario de evaporación que ocurre en el

embalse si la superficie de agua es de 4.85 km2.

Epp =3.927 mm/día=0.003927m/día A=4.85km2 = 4.85x106m2

𝑉 = 𝐸𝑝𝑝 ∗ 𝐴 = 0.003927𝑚/𝑑𝑖𝑎 ∗ 4850000𝑚2

𝑉 = 19045.95𝑚3 21) Para una zona donde no hay suficientes datos estación climatológica para calcular la

evapotranspiración potencial, pero si hay mediciones de evaporación en el tanque evaporímetro Clase A, ¿Cómo se puede estimar un valor para evapotranspiración potencial?

Se puede estimar utilizando una medición que se efectúa apoyando en un tubo de nivelación un tornillo micrométrico que tiene un extremo en forma de gancho cuya punta se enrasa con el nivel del agua que tiene el depósito y se aplica la fórmula para encontrar el valor de Etp:

𝑬𝒕𝒑 = 𝑲𝑻 ∗ 𝐸𝑇 Donde Et: es la evaporación desde el recipiente o tanque de evaporación y Kt: es un coeficiente del tanque evaporímetro y varía de

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0.6 a 0.8 siendo el valor más usado de 0.7. La FAO estima que un valor de 0.7 de la evaporación del tanque evaporímetro en zonas tropicales corresponde al valor de evapotranspiración potencial.

22) ¿Cuál es la principal característica de la ecuación de Thornthwaite?

EP = 16 Nm (10Ta/I) a (mm/mes)

Nm = n/N

I = Σ(Tm/5)¹˙⁵

a = 6.7x10⁻⁷ I ³ + 7.7x10⁻⁵I² + 1.8x10⁻² I + 0.49

La principal características es que se usa solamente datos de temperatura promedio mensual, lo cual resulta bastante bien para las condiciones de California en USA.

B. Tema: Flujo de Aguas Subterráneas

23) Explique cuáles son los factores básicos que determinan la disponibilidad

yaprovechamiento de agua subterránea.

1. Lluvia La cual provee el agua que se deberá infiltrar y percolar al subsuelo para ingresar a los acuíferos. 2. Relieve El cual determina la pendiente del terreno y la gradiente para el flujo subterráneo por gravedad y también las condiciones para la infiltración del agua. 3. Geología Determina el tipo de material del subsuelo y las condiciones para que haya flujo de agua a través del mismo, puede ser material permeable o impermeable.

4. Calidad Determina si el agua puede ser usada para un uso particular, principalmente consumo humano, o no. Posiblemente se requerirá tratamiento. Cuando la calidad química no es apropiada por contaminación la fuente de agua podría no ser aprovechada.

24) Escriba una definición para:

a. Acuífero

Son formaciones geologías que permiten el almacenamiento y flujo de agua subterránea de forma que su aprovechamiento sea económico para un fin dado

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b. Nivel freático Se puede definir como el nivel permanente de humedad que hay en el subsuelo, en acuíferos libres cuya superficie esta a presión atmosférica.

25) Explique que representan la porosidad y la permeabilidad en un acuífero.

Porosidad Es relación de vacíos que hay en un volumen de suelo en relación al volumen total, se expresa en porcentaje (%).Representa los espacios disponibles para almacenar agua.

Permeabilidad Es la facilidad que ofrece el medio para que haya flujo de agua a través de él, se representa con la letra K, la arena tiene alta permeabilidad y las rocas baja permeabilidad.

26) Explique la ecuación de Darcy para flujo de agua subterránea. La ecuación de Darcy puede ser utilizada para resolver algunos problemas simples de flujo vertical o lateral de agua subterránea. Q = k. i. An Dónde: Q: caudal que fluye a través del medio (acuífero) K: coeficiente de permeabilidad de Darcy o conductividad hidráulica; tiene las mismas unidades que velocidad. An: área efectiva de la sección por donde fluye el agua (n es la porosidad del medio) i: gradiente hidráulico (prácticamente igual a la pendiente de la línea piezométrica); no tiene unidades. Representa la diferencia entre dos alturas piezometricas dividida por la distancia entre los dos puntos. (h1 – h2)/L

27) Explique la diferencia de la permeabilidad de un acuífero aluvial y la de una formación

de roca metamórfica.

Acuífero aluvial: Está formado por sedimentos como arena, grava, limo y arcilla que almacena agua debido a su alta porosidad y permiten mayor flujo por su alta permeabilidad primaria.

Acuífero en roca: su permeabilidad es descrita como secundaria porque se debe a fracturas en la roca.

Estos acuíferos son heterogéneos, constituyen pequeñas reservas y un recurso que pueden resolver problemas de abastecimiento de pequeños núcleos urbanos.

28) Explique las características del acuífero aluvial de San Pedro Sula.

Por ser aluvial tiene mayor producción que los acuíferos de otras zonas del país. Es un valle con una pendiente baja y los suelos son permeables lo que ayuda a que haya infiltración de agua. El agua es de buena calidad con excepción de hierro y manganeso.

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29) Explique que ocurre en un acuífero si la extracción de agua subterránea es mayor que el volumen de agua que ingresa por infiltración.

Se reduce el almacenamiento de agua en el acuífero y bajan los niveles de agua creándose un desbalance.

30) ¿Qué efecto tienen en el balance hídrico anual las urbanizaciones que se construyen en las áreas de recarga de San Pedro sula? Estas reducen el área de recarga del acuífero a través de la impermeabilización que producen las calles y áreas techadas, por lo tanto la escorrentía es conducida hacia los cauces de los ríos. Gradualmente se reduce el volumen anual de recarga.

31) Dada una zona de recarga con una extensión de 10 km2 y una precipitaron anual de

1,500 mm que volumen representa una infiltración anual de 10% de esa precipitación.

10 km2 =10 x 107 m2 1500 mm/anual = 0.15 m Volumen = 10 x 106m2*0.15 m=1500000m3

32) Las mediciones del nivel freático en dos pozos localizados a 1200m entre si, son

10.50 m y 5.3 m; las elevaciones topográficas son 100.50 msnm y 80,45 msnm respectivamente. ¿Cuál es la gradiente hidráulica? h1=10.5m h2=5.3m L=1200m cota1=100.50-10.5 = 90.00 msnm cota2=80.45 – 5.3 = 75.15 msnm ∆h=h1-h2=90.00 - 75.15 =14.85 m

𝑖 = ∆ℎ

𝑙=

14.85𝑚

1200𝑚= 0.01237

33) Explique porque el agua puede fluir por si sola sobre el suelo en un pozo perforado.

Ocurre en zonas donde el flujo subterráneo ocurre a través de estratos que están confinados, principalmente en la superficie, por materiales impermeables. Al perforar en un sitio bajo el agua tiende a subir a la altura piezometrica que tiene la zona alta de recarga.

C. Tema: La Calidad del Agua 34) ¿Cuáles son los principales elementos (iones) que constituyen la composición química

del agua? Cationes: Calcio Ca, Magnesio Mg, Sodio Na y Potasio K.

Aniones: Cloruro CL, Nitrato NO3, bicarbonato HCO3, y Sulfato SO4

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35) Explique las diferencias en la concentración de minerales del agua del mar y el agua lluvia.

Agua del mar: Es salada por la concentración de sales minerales disueltas que contiene, un 35,000 mg/L como media, entre las que predomina el cloruro sódico, también conocido como sal de mesa.

Agua lluvia: procede de la evaporación de los océanos, desde este punto de vista parece lógico que lloviese salado, pero lo que ocurre es que al evaporarse el agua en estos solo se evapora el agua, no se evaporan los iones del cloruro sódico, por lo que se evapora agua dulce, que es exactamente lo que llueve. La concentración mineral es muy baja.

36) Explique cómo varia estacionalmente la calidad del agua de los ríos.

Varia debido a que en la estación lluviosa se recibe constantes aportes de escorrentía superficial y el caudal medio del rio es alto, mientras que en la estación seca el aporte de agua es mínimo y procede del almacenamiento en el suelo y aportes subterráneos, los caudales son bajos y el agua tiene mayor concentración mineral.

37) ¿Qué efecto puede tener en el organismo humano el exceso de magnesio Mg en el agua? Tiene efectos purgantes y afecta el aparato digestivo provocando diarreas

38) ¿Cuales son fuentes potenciales de contaminación de las fuentes de agua?

Fuentes Puntuales Las fuentes puntuales descargan contaminantes en localizaciones específicas a través de tuberías y alcantarillas. Ejemplo de ello son las: Fábricas, plantasde tratamiento de aguas negras, minas, pozos petroleros, derrames accidentales Fuentes No Puntuales Las fuentes no puntuales son grandes áreas de terreno que descargan contaminantes al agua sobre una región extensa.

1. Escapes o fugas de sustancias químicas desde tanques de almacenamiento subterráneo.

2. Infiltración de sustancias químicas orgánicas y compuestos tóxicos desde sitios localizados aguas arriba o cerca de los acuíferos.

3. Infiltración accidental en los acuíferos desde los pozos utilizados para inyección de desechos peligrosos en estratos profundos bajo tierra

39) ¿Qué característica tiene el agua que fluye a través de roca caliza?

El agua que se obtiene de pozo o manantiales ubicados en zonas donde predomina la roca caliza tienen altas concentraciones de carbonato de calcio y el agua tiene alta dureza.

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40) ¿Cuál es la importancia de las Normas Técnicas de Calidad del agua?

Estas normas determinan las concentraciones de minerales o compuestos permitidos en el agua de beber de forma que no afecten la salud de las personas. También regulan la calidad bacteriológica para evitar contaminación.

41) ¿Qué se entiende por cambio climático? Por "cambio climático" se entiende un cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera mundial y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante períodos comparables. La «variabilidad natural del clima», se produce constantemente por causas naturales. En algunos casos, para referirse al cambio de origen humano se usa también la expresión «cambio climático antropogénico». Ver: La Convención Marco de las Naciones

Unidas sobre el Cambio Climático

42) ¿Qué efectos adversos causa el cambio climático tanto por causas naturales como antropogenicas? El registro de datos climatológicos en todo el planeta y la observación de ecosistemas ha permitido observar cambios que están teniendo efectos negativos en las especies que habitan en estos. En relación a los balances hídricos anuales se ha observado cambios en la distribución del agua, ocurriendo tormentas extremas de alta intensidad y largos periodos de sequia.

43) Que acciones pueden tomar países con bajo nivel de desarrollo y a la vez bajo nivel de industrialización? Se debe recurrir a una de las medidas generales que ha sido planteada, las especies tienen que “adaptarse” y por otra parte, valorar y preservar los recursos disponibles como las fuentes de agua y los ecosistemas en general. Es decir prevenir y mitigar los daños antropogenicos locales. En particular, se debe proteger la calidad de las fuentes de agua superficial y subterránea.