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HIDROLOGÍA EN
LA INGENIERÍA
HIDROLOGÍA EN
LA INGENIERÍA
2 a E dición
Germán Monsalve Sáenz
Hi
Hidrologíaen laIngeniería
©Germán Monsalve
onsalveSáenz
Sáenz
©Escuela
Escuela Colombiana
Colombiana de
de Ingenierí
Ingenieríaa
2a. edición
Diseñode
decubierta
cubierta:: Mariana
arianaLópezBeníte
Benítezz
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1999
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GRUPOEDITOR
EDITOR,,S. A.de
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C. V.
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rass 113
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9,Col. DelValle, 031
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Editorial
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17
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Prólogo
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ambiental, ingeniería
ingeniería sanitaria e in
in 
geniería civil,
civil, cuyo
cuyoss autores
auto res ocupan cargos docentes
docentes,, se han
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d o a la investigación
investigación en la especialidad
especialidad y cuentan con
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embargo, la utilización
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términos difieren en los países
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hispana. Se consideró que lo anterior no representa un grave
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estu diante en estos niveles de la ingenie
ingeniería.
ría.
"Hay cuatro tipos de personas: aquéllas que se
sientan en silencioy no hacen nada; aquéllas
que hablan de sentarse en silencio sm hacer
nada; aquéllas que hablan sobre hacer cosas,
y aquéllas que hacen cosas".
Proverbio
Contenido
Capitulo i. hidrología
1.1 Definición
1.2 Ciclo hidrológico
12.1 Definiciones
12.2 Esquema del ciclohidrológico
1.3 Distribución del aguatotal en b Tierra de acuerdo
con su naturaleza
1.4 Ecuación fundamental de la hidrologb
13 Historia de la hidrologb
1.6 Aplicacionesde la hidrologb
Capitulo 2. Cuencas Hidrográficas
2.1 Generalidades
22 Regiones hidrológicas
22.1 Hoya hidrográfica
22.2 Divisorias
22.3 Clasificaciónde los cursos de agua
2.3 Características físicasde una hoya hidrográfica
2.3.1 Areade drenaje (A)
2.3.2 Forma de la hoya
2.3.2.1 índicede Graveliuso coeficiente
de compacidad (Kc)
2.32.2 Factor de forma (Kf)
2.3.3 Sistemade drenaje
2.3.3.1 Orden de lascorrientes de agua
2.3.3.2 Densidad de drenaje (Dd)
2.3.3.3 Extensión media de la escorrenoa superficial
2.3.3.4 Sinuosidadde lascorrientes de agua
21
21
22
25
25
26
26
3.6. Variación de la precipitación
3.6.1 Variación geográfica
3.6.2 Variación temporal
3.7. Precipitación media sobre una hoya
3.7.1 Método aritmético
3.7.2 Método de polígonosde Thiessen
3.7.3 Método de isoyetas
3.8. Análisis de lluvias intensas
3.8.1 Variación de la intensidad con la duración
3.8.2 Variación de la intensidad con lafrecuencia
3.8.2.1 Seriesanuales y series parciales
3.8.2.2 Relación intensidad-frecuencia
3.8.3 Relaciónintensidad-duración-frccucncia
3.8.4 Estudio de intensidades
3.8.4.2 Estudio de intensidades de lluvia en una cuenca
106
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114
115
Anexo Capitulo 3. AnAlisisde Frecuencias
Hidrológicas________________________________________ 117
I
Introducción
IIDistribución normal
IIIDistribución logarítmico-normal (log-normal)
IVDistribución Pearson tipo III
VDistribución log-Pearson upo III
VIDistribución Gumbel
119
120
121
121
123
126
Capitulo4. Infiltración
4.1 Generalidades
4.2 Distribución de la precipitación en el suelo
4.3 Parámetros característicos de la infiltración
4.3.1 Capacidadde infiltración o tasa de infiltración
4.3.2 Velocidadde infiltración
4.4 Métodos de medición de la capacidad de infiltración
4.4.1 Infiltrómetros
4.4.2 Medida de la capacidad de infiltración en una hoyapor
medio de la separaciónde las componentes del hidrograma
4.5. Factores que intervienen en la capacidad de infiltración
4.6. Ecuaciónde la curva de capacidadde infiltración contra tiempo
4.7. Indice ó de infiltración
131
131
134
134
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135
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137
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140
Capitulo 5. EvaporaciónyEvapotranspiración
143
5.1 Introducción
5.2 Definición y factores físicos
145
145
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
Definición
Interpretaciónde!fenómeno
Explicacióndel fenómeno
Condiciones básicaspara !aocurrencia
5.3 Influencias meteorológicas P
5.3.1 Temperatura de la superficie
5.3.2 Temperatura y humedaddel aire
5.3.3 Viento
5.3.4 Otros
5.4 Definiciones básicas
5.4.1 Evaporaciónpotencial
5.4.2 Transpiración
5.4.3 Evapotranspiración
5.4.3.1 Evapotranspiraciónpotencial
5.4.3.2 Evapotranspiraciónreal
5.5 Fórmula general de evaporación
5.6 Determinación de evaporacióny evapotranspiración
5.6.1 Métodos deestimación
5.6.1.1 Métodoaerodinámico
5.6.1.2 Métodode balanceenergético
5.6.1.3 Métodode Penman
5.6.1.4 Métodode Thorntwaitc
5.6.1.5 Métodode Blancyy Criddle
5.6.1.6 Fórmulade Ture
5.6.2 Métodos de medida
5.6.2.1 Aparatos
5.6.2.2 Métodode balancehídrico
Capitulo6. EscorrentIaSuperficial___________
146
146
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148
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166
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171
172
175
6.2.2.3 Determinación del punto E de inicio
de la curva de agotamiento
6.2.3 Curva de agotamiento de agua de un acuífero
6.2.4 Clasificación de crecientes
6.3 Medidas de caudales
6.3.1 Vertederos
6.3.2 Molinetes
6.3.3 Curva de calibración de caudales líquidos
6.3.4 Establecimiento de estaciones hidromctricas
6.4 Estimación de la escorrentía superficial a través
de los datos de lluvia
6.4.1 Fórmula racional
6.4.2 Fórmulas empíricas
6.4.3 Hidrogramaunitario de una hoya
6.4.3.1 Definición
6.4.3.2 Generalidades
6.4.3.2.1 Teoría clásica de lincaridad
6.4J.2.2 Hidrogramas unitarios producidos
por una lluvia neta de 1 mm de altura
6.4.3.3 Duraciónde la lluvia neta
6.4.3.4 Tiempode retardo de la hoya
6.4.3.5 Duración crítica de la lluvia neta adoptada
en la definición del hidrograma unitario
6.4.3.6 Curvas S y la transformación de hidrogramas
6.4.3.6.1 Definición
6.4.3.6.2 Procedimiento
6.4.3.6.3 Determinación de la duración crítica de
la lluvia neta por mediode la utilización
de las curvas S
6.4.3.7 Ejemplos de cálculos analíticos de curvas S
6.4.3.7.1 Caso en que la duración de la lluvia neta
ti es igual al intervalo de tiempo At para
descripción del hidrograma unitario
(casol)
6.4.3.7J Caso en que la duración de la lluvia neu
ti es diferente y mayor del intervalo de
dempo At para descripción del
hidrograma unitario (caso 2)
6.4.3.8 Ejemplos de cálculos analíticos de hidrogramas
unitarios
6.4.3.8.1 Ejemplo 1
6.4.3.8.2 Ejemplo 2
6.4.3.9 Hidrogramaunitariosintérico-Métodode Snydcr
6.4.3.10 Gráfica de distribución
Capítulo 7. Estimaciónde Crecientes
188
192
192
193
193
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198
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200
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210
210
211
212
215
215
217
219
222
HlDBOlQOlAENtAiHOBtIBtU
72
73.
7.4.
73
7.6
7.1.1 Cálculode un
7.1.2 Pronósticode crecientes
Periodode retorno, T
Análisis de la naturaleza de los datos de caudal
7.3.1 Diversos métodos de distribuciónde caudales máximos
7.3.2 Método de Fullcr
Métodos de pronóstico de crecientes basados en datos de lluvia
7.4.1 Hidrograma unitario
7.4.2 Fórmula racional
7.43.1 General
7.4.2.2 Lluvia total crítica media sobre una hoya
7.4.2.3 Métodos para elcálculodel tiempo
de concentración
Fórmulas empíricas para cálculo de caudales de creciente
7.5.1 Fórmula de Burkli - Ziegler
7.5.2 Fórmula de Kresnik
7.5.3 Fórmula de Creager
7.5.4 Fórmula de Baird y Mclllwrsith
Control de las crecientes e inundaciones
7.6.1 Introducción
7.6.2 Causas de lascrecientes
7.6.3 Métodos de combate contra las crecientes
7.6.3.1 Construcciónde embalses
7.6.3.2 Mejoramiento de canales
7.63.3 Desviación haciaotra hoya
7.6.4 Legislación adecuadaen el control de crecientes
7.6.5 Sistema dealarmaen el control de crecientes
Capitulo 8. Propagaciónde Crecientes_________________
8.1 Generalidades
8.2 Propagación de crecientes a través deembalses
8.2.1 Consideracionesteóricas
8.2.2 Consideracionesprácticas
8.2.2.1 Análisis teórico
8.2.2.2 Análisis práctico
8.2.23 Rebosadero con compuertas
83 Propagación de crecientes en ríos y canales
8.3.1 Consideraciones teóricas
8.3.2 Métodode Muskingum
8.3.2.1 Descripción
8.3.2.2 Formulación de la forma de trabajo
de laecuación de tránsitode Muskingum
8.3.23 Estimacionesde k y X
83.2.4 Guías generales
8.3.2.S Ejemplo de procedimiento de cálculométodo de Muskingum
Capitulo 9. RégimendeCorrientesde Agua________________ 27i
9.1 Generalidades
9.1.1 Factores geológicos
9.1.2 Factores pluviométricos
9.1.3 Otros factores
9.15.1 Humedad del suelo
9.1.3.2 Temperatura
9.1.3.3 Topografía
9.1.3.4 Tipo de vegetación
9.1.3.5 Forma de la hoya
9.1.3.6 Dirección de la lluviaasociada a la forma
de la hoya, cadenas de montañas, vientos
predominantes, etc.
9.2 Diagrama de frecuencias
9.3 Curva de duración o permanencia de caudales
9.3.1 Definición
9.3.2 Utilización de curvas de duración de caudales
paradeducciónde características de cuencas
hidrográficas
9.3.3 Extensión decurva de duración de caudales
de período de registro corto a período de registrolargo
9.3.4 Determinación de una curvade duración de caudales en una
hoyahidrográfica encasode inexistencia de datos de caudal
9.4 Curva de utilización
95 Caudales y volúmenes perdidos y deficitarios
9.5.1 Caudal y volumen perdido promedio
9.5.2 Caudal y volumen deficitariopromedio
9.5.3 Relaciones caudal dcrivablc contra caudal medio utilizablc,
caudal medio perdidoy caudal mediodeficitario
Capitulo 10. Regulación de Caudales
y Controlde SequIas_______________________
10.1 Generalidades
10.2 Cálculo del volumen de un embalse para atender a
una ley de regulación
10.2.1 Método analítico
10.2.2 Diagrama de masas
10.3. Volúmenes actuales deembalse
10.3.1 Métodoanalítico
10.3.2 Diagramade masas
10.4. Regulación máxima
105. Control de sequías
273
274
274
275
275
275
275
275
275
275
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284
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285
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289
291
292
292
294
297
297
297
300
301
CAPfruLQll. Generación Sintéticade Caudales_____________ 305
11.1. Generalidades
11J. Procedimiento de Monte-Cario
307
307
HlpntXQ0iAEHlAlMQ6MgllA
11.}. Fenómeno de persistencia
11.4. Modelo de Thomas-Fiering
113. Oleos modelos
11.6. Generación de números aleatorios
11.6.1 Números distribuidos uniformemente
11.6.2 Números normalmente distribuidos
11.7 Ejemplo de generaciónsintética de caudales anuales
Capitulo 12. Transportede Sedimentos
12.1 Introducción
12.2 Hidráulica de canales erosionables
12.3 Transporte sólido
12.3.1 Transporte de sedimentosen suspensión
12.3.2 Transporte de sedimentosde fondo
12.3.3 Clasificacióndel transporte de sedimentos
segúnmecanismoysegúnorigen
12.3.4 Tasa de abastecimientode sedimento
y capacidadde flujoparatransportarlo
12.3.5 Fórmulas de transporte de material defondo
12.3.6 Fórmulade Laurscnpara transporte total
12.3.7 Conclusiones
12.4 Medidas de concentración desedimentos
12.4.1 Muestrcadorcs de sedimentos en suspensión
12.4.2 Mucstreadores de sedimento depositadoen
el lechode los ríos
12.4.3 Medida de la carga total de sedimento por eliminación
delsedimentodel lecho
123. Colmatacióndeembalses
Capitulo 13. AguasSubterráneas_________________
13.1 Generalidades
13.2 Modos deocurrencia deaguas subterráneas
13.2.1 Acuífero freático
13.2.2 Acuífero artesiano
133 Coeficientes que definen un acuífero
13.3.1 Coeficiente de transmisibilidad (T)
13.3.2 Coeficiente de almacenamiento (S)
13.4 Determinación de loscoeficientes de
Almacenamiento (S) y transmisibilidad (T)
13.4.1 Lincamientosteóricos
13.4.2 Ejemplo
Capitulo 14. Hidrometríae Instrumentación
Referencias Bibliográficas
Prefacio
r U I libro Hidrología en la Ingeniería se ofrece, en primer lugar,
I -3*wcom0 text0 Para estudiantes de cursos de hidrología en los niveles
'
Ide pregrado y posgrado en las carreras de ingeniería civil, ingenie
ría agrícola, ingeniería forestal, agronomía y ciencias afines y, en segundo
lugar, como guía de diseño para hidrólogos dedicados a la consultoría.
El libro cubre los elementos básicos del ciclo hidrológico, describiendo
los principios científicos que gobiernan los fenómenos hidrológicos, y
adicionalmente presenta las técnicas más utilizadas en la práctica respecto
a la cuantificación de tales fenómenos aplicada a la solución de problemas
en ingeniería. El texto, de acuerdo con la experiencia del autor en los
campos de la hidrología, la hidráulica y los recursos hidráulicos, y la revi
sión bibliográfica pertinente, expone de manera balanceada el tratamiento
y la cuantificación de las diferentes componentes del referido ciclo hi
drológico, y trata problemas específicos de hidrología aplicada, tales
como el cálculo de crecientes y su tránsito a través de embalses y corrien
tes de agua, el dimensionamiento de bocatomas y embalses, la generación
sintética de caudales y el aprovechamiento de aguas subterráneas. El au
tor considera que una adecuada utilización de este libro redundará en
mejores y más económicos diseños de obras civiles en Colombia.
En los capítulos Nos. 1 a 6 se tratan los principios y componentes bási
cos del ciclo hidrológico, cubriendo respectivamente el ciclo hidrológico
propiamente dicho, las características de las cuencas hidrográficas como
unidades superficiales básicas para la cuantificación de los diferentes pa
rámetros hidrológicos, y los fenómenos de precipitación, infiltración,
evaporación y evapotranspiración, y escorrentía superficial. En los capí
tulos Nos. 7 a 13 se estudian problemas de hidrología aplicados a la inge
niería, abarcando en su orden los temas de estimación de crecientes y su
propagación a través de embalses y corrientes naturales de agua, el régi
men de corrientes de agua relacionadocon el diseño de bocatomas, la re
gulación de caudales y el control de sequías a través de embalses, la
generación sintética de caudales, el transporte de sedimentos en corrien
tes de agua y el depósito de éstos en embalses, y el aprovechamiento de
aguas subterráneas. Finalmente, en el capítulo No, 15 se mencionan los
principales aparatos de medidas climatológicas e hidromelricas.
Debido a la gran extensión de los temas tratados por el libro y del desa
rrollo de las metodologías para la cuantificación tanto de los diferentes
parámetros hidrológicos como de los problemas de hidrología aplicada
propiamente dichos, no ha sido posible incluir ejemplos prácticos en los
diferentes capítulos. Se espera que en un futuro próximo la obra pueda
ser suplcmcntada con ejercicios prácticos que involucren la definición de
parámetros hidrológicos para diseños de obras civiles.
Muchas personas colaboraron en la edición de este libro, a quienes deseo
expresar mi gratitud. Agradezco especialmente a la Escuela Colombiana
de Ingeniería la oportunidad de publicar este libro, del cual sinceramente
espero que sea de gran utilidad como texto universitario y como obra de
consulta a nivel profesional para todas aquellas personas relacionadas con
diseños de obras hidráulicas.
Dedico este libro a mi esposa Claudia y a mis hijos Alejandro, Daniel y
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