Hidrología Aplicada [PDF]
Autor: Ven Te Chow, David R. Maidment, Larry W. Mays
PREFACIO
Hidrología Aplicada es un libro de texto para cursos avanzados en pregrado y en posgrado en hidrología y es una referencia para los hidrólogos practicantes. La hidrología de agua superficial es el foco central del libro, la cual es presentada en tres secciones: procesos hidrológicos, análisis hidrológico y diseño hidrológico.
Los procesos hidrológicos se cubren en los capítulos 1 a 6, los cuales describen los principios científicos que rigen los fenómenos hidrológicos. El sistema hidrológico se visualiza como un volumen de control generalizado y se utiliza el teorema de transporte de Reynolds (o ecuación de volumen de control general) de la mecánica de fluidos para aplicar las leyes físicas que rigen la masa, el momentum y la energía en el flujo de agua atmosférica, agua subsuperficial y agua superficial. Esta sección se complementa con un capítulo dedicado a las mediciones hidrológicas.
El análisis hidrológico se trata en los siguientes seis capítulos (7 a 12), los cuales hacen énfasis en los métodos computacionales utilizados en hidrología para tareas específicas tales como la modelación del proceso lluvia-escorrentía, el tránsito de caudales y el análisis de eventos extremos. Estos capítulos se organizan en una secuencia que está de acuerdo con la forma en que los análisis tratan la variabilidad en el espacio y en el tiempo y la aleatoriedad del comportamiento del sistema hidrológico. En los capítulos 9 y 10 se da una especial atención al tema del tránsito de crecientes utilizando el método de la onda dinámica donde los programas de computador estandarizados recientemente disponibles han hecho posible la aplicación general de este método.
El diseño hidrológico se presenta en los tres capítulos finales (13 a 15), los cuales se concentran en los riesgos inherentes del diseño hidrológico, la selección de tormentas de diseño incluyendo la precipitación máxima probable y el cálculo de crecientes de diseño para varios tipos de problemas incluyendo alcantarillados de aguas lluvias, estructuras para el control de crecientes y embalses para el suministro de agua.
¿Por qué Hidrología aplicada es diferente de otros libros disponibles en este campo? Primero, este es un libro con un cubrimiento general de la hidrología de agua superficial. Existe un cierto número de libros recientemente publicados en campos especiales como evaporación, hidrología estadística, modelación hidrológica e hidrología de aguas lluvias. A pesar de que este libro cubre estos temas, enfatiza un fundamento sólido del tema de la hidrología como un todo. Segundo, Hidrología aplicada está organizado alrededor de un tema central que es utilizar el sistema hidrológico o volumen de control como un marco de referencia para el análisis con el fin de unificar el tema de la hidrología de tal manera que sus distintos métodos analíticos sean vistos como diferentes aspectos de la operación de sistemas hidrológicos en lugar de tópicos separados y no relacionados. Tercero, creemos que el lector aprende trabajando, de tal manera que 90 problemas ejemplos están resueltos en el texto y se presentan 400 problemas adicionales al final de cada capítulo para propósitos de autoestudio y tareas. En algunos casos, desarrollos teóricos demasiado extensos para ser incluidos en el texto se presentan como problemas al final del capítulo, de manera que resolviendo estos problemas el lector puede jugar un papel importante en el desarrollo de los temas. Algunos de los problemas están diseñados para ser solucionados utilizando programas de hoja electrónica, desarrollando un programa de computador o utilizando programas estándares de simulación hidrológica.
Este libro es utilizado para tres cursos en la Universidad de Texas en Austin: un curso de pregrado y uno de posgrado en el tema de hidrología de agua superficial y un curso de pregrado en diseño hidrológico. En el nivel de pregrado se presenta una selección de tópicos tomado de todo el libro y el curso de diseño hidrológico se centra en los capítulos de análisis y diseño. En el nivel de posgrado se hace énfasis en los capítulos de procesos hidrológicos y de análisis. Existen muchos cursos diferentes que podrían ser enseñados utilizando el libro en niveles de pregrado o de .posgrado, con títulos como hidrología de agua superficial, diseño hidrológico, hidrología urbana, hidrología física, hidrología computacional, etc.
Cualquier libro de hidrología refleja una percepción personal del tema desarrollada por sus autores a lo largo de años de enseñanza, investigación y experiencia profesional. Hidrología aplicada es nuestra visión del tema. Hemos tenido la intención de hacerla rigurosa, unificada, numérica y práctica. Creemos que el enfoque analítico adoptado será lo suficientemente sólido para que cualquier nuevo conocimiento en está área se construya sobre las bases aquí establecidas. Eventos hidrológicos, tales como crecientes y sequías, tienen un impacto significativo en el bienestar público, por lo cual sobre el hidrólogo descansa la correspondiente responsabilidad de proveer la mejor información que el conocimiento actual y los datos disponibles permitan. Este libro intenta ser una contribución hacia la eventual meta de una mejor práctica hidrológica.
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN
1.1 El ciclo hidrológico
1.2 Concepto de sistemas
1.3 Modelo del Sistema Hidrológico
1.4 Clasificación de modelos hidrológicos
1.5 El desarrollo de la hidrología
2. PROCESOS HIDROLÓGICOS
2.1 Teorema de transporte de Reynolds
2.2 Ecuaciones de continuidad
2.3 Continuidad en tiempo discreto
2.4 Ecuaciones de momentum
2.5 Flujo en canales abiertos
2.6 Flujo en medios porosos
2.7 Balance de energía
2.8 Procesos de transporte
3. AGUA ATMOSFÉRICA
3.1 Circulación atmosférica
3.2 Vapor de agua
3.3 Precipitación
3.4 Lluvia
3.5 Evaporación
3.6 Evapotranspiración
4. AGUA SUPSUPERFICIAL
4.1 Flujo no saturado
4.2 Infiltración
4.3 Método de Green-Ampt
4.4 Tiempo de encharcamiento
5. AGUA SUPERFICIAL
5.1 Fuentes de flujo superficial
5.2 Hidrograma de caudal
5.3 Exceso de precipitación y escorrentía directa
5.4 Abstracciones utilizando ecuaciones de infiltración
5.5 Método SCS para abstracciones
5.6 Profundidad de flujo y velocidad
5.7 Tiempo de tránsito
5.8 Redes de ríos
6. MEDICIONES HIDROLÓGICAS
6.1 Secuencia de la medición hidrológica
6.2 Medición del agua atmosférica
6.3 Medición del agua superficial
6.4 Medición del agua subsuperficial
6.5 Sistemas de medición hidrológica
6.6 Medición de características fisiográficas
7. HIDROGRAMA UNITARIO
7.1 Modelo de sistema hidrológico general
7.2 Funciones respuesta en sistemas lineales
7.3 El hidrograma unitario
7.4 Deducción del hidrograma unitario
7.5 Aplicación del hidrograma unitario
7.6 Cálculo matricial del hidrograma unitario
7.7 Hidrograma unitario sintético
7.8 Hidrogramas unitarios para diferentes duraciones de lluvias
8. TRÁNSITO AGREGADO DE CRECIENTES
8.1 Tránsito de sistemas agregados
8.2 Tránsito de embalses nivelados
8.3 Método Runge-Kutta
8.4 Tránsito hidrológico en ríos
8.5 Modelo de embalse lineal
9. TRÁNSITO DISTRIBUIDO DE CRECIENTES
9.1 Ecuaciones de Saint-Venant
9.2 Clasificación de los modelos de tránsito distribuido
9.3 Movimiento de ondas
9.4 Solución analítica para la onda cinética
9.5 Aproximaciones por diferencias finitas
9.6 Solución numérica de la onda cinemática
9.7 Método de Muskingum-Cunge
10. TRÁNSITO DE ONDA DINÁMICA
10.1 Relaciones dinámicas de profundidad-caudal
10.2 Modelo implícito de onda dinámica
10.3 Ecuaciones de diferencias finitas
10.4 Solución por diferencias finitas
10.5 Modelo DWOPER
10.6 Tránsito de crecientes en ríos con meandros
10.7 Tránsito de crecientes causadas por rompimientos de presas
11. ESTADÍSTICA HIDROLÓGICA
11.1 Tratamiento probabilístico de la información hidrológica
11.2 Funciones de frecuencia y de probabilidad
11.3 Parámetros estadísticos
11.4 Ajuste a una distribución de probabilidad
11.5 Distribuciones de probabilidad para las variables hidrológicas
12. ANÁLISIS DE FRECUENCIA
12.1 Periodo de retorno
12.2 Distribuciones de valores extremos
12.3 Análisis de frecuencia utilizando factores de frecuencia
12.4 Gráficas de probabilidad
12.5 Método del Water Resources Council
12.6 Análisis de confiabilidad
13. DISEÑO HIDROLÓGICO
13.1 Escala del diseño hidrológico
13.2 Selección del nivel de diseño
13.3 Análisis de incertidumbre de primer orden
13.4 Análisis de riesgo compuesto
13.5 Análisis del riesgo de márgenes de seguridad y factores de seguridad
14. TORMENTAS DE DISEÑO
14.1 Profundidad de precipitación de diseño
14.2 Relaciones intensidad-duración-frecuencia
14.3 Hietogramas de diseño utilizando análisis de eventos de tormenta
14.4 Hietogramas de precipitación de diseño utilizando las relaciones IDF
14.5 Tormentas límites estimadas
14.6 Cálculo de precipitación máxima probable
15. CRECIENTES DE DISEÑO
15.1 Diseño de alcantarillado de aguas de lluvias
15.2 Simulación de crecientes de diseño
15.3 Análisis de planicies de inundación
15.4 Diseño de embalses para el control de crecientes
15.5 Pronóstico de crecientes
15.6 Diseño para uso de agua
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