Ciclo Hidrológico y Balance Hídrico

8/18/2019 Ciclo Hidrológico y Balance Hídrico

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Presentado por :

Ing. Raúl Ortiz

Curso de Hidrogeología

Clase 2

1. Ciclo Hidrológico.

2. Balance Hídrico.

3. Componentes del

Balance Hídrico.

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1. Ciclo Hidrológico


Clase 2


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Ciclo Hidrológico

El movimiento permanente del ciclo se debe

fundamentalmente a dos causas: el Sol, que

p ro po rcio na la en er gía p ar a elev ar el ag ua d el

suelo, al evaporarla; y la gravedad, que hace queel

agua condensada precipite, y que, una vez sobre lasuperf ic ie vaya a las zonas más bajas.


Ciclo Hidrológico



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2. Balance Hídrico


Clase 2


Balance Hídrico

Definición

El balance hídrico consiste en aplicar el principio de laconservación de la masa a una región definida por determinados límites (espacial y temporal).

Establece que la diferencia entre las entradas y lassalidas del sistema que se ha definido debe ser igual alcambio de agua en el almacenamiento (considerandocierto margen de error).

Para calcular un balance hídrico se debe: Identificar los componentes del balance.

Cuantificar cada componente en forma individual.

Introducir estos datos en la ecuación del balancehídrico. [email protected]

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Balance Hídrico

Aplicaciones

Estimar la cantidad de recursos hídricosdisponibles.

Estimar parámetros difíciles de medir, talescomo la recarga y la evapotranspiración.

Estimar el impacto de las actividades humanasen el ciclo hidrológico.


Balance Hídrico

Cuenca como Límite

Un balance hídrico puederealizarse en regiones decualquier tipo, forma opropiedades.

Es común utilizar cuencascomo límites para losbalances hídricos.

Una cuenca se define como

un conjunto de puntos delterreno en los que el agua delluvia que se drena por escorrentía superficial, salepor un mismo punto de la redfluvial.



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Entradas – Salidas = Cambios en Almacenamiento + Error

Cambios en almacenamiento: (1) cambios en el volumen de aguasuperficial en arroyos, ríos, lagos y lagunas, (2) cambios en la humedad

del suelo en la zona vadosa, (3) hielo y nieve en la superficie, (4)almacenamiento temporal en depresiones, (5) agua interceptada enplantas en la superficie y (6) cambios en el volumen de aguasubterránea.

Balance Hídrico

Ecuación del Balance Hídrico

Entradas: precipitación, flujo de agua superficial hacia el área,escorrentía, flujo de agua subterránea que viene fuera del área y aguaimportada de agua hacia el área con tuberías y canales.

Salidas: evapotranspiración, evaporación, escorrentía, flujo de aguasubterránea y agua exportada fuera del área con tuberías y canales.


Balance Hídrico

Componentes de Ecuación Hidrológica

Qs i

Qg i

PQi i

Qso

Qgo

ETE Qeo

∆Sg = Recarga

∆Ss

(P + Qs i + Qg i + Qi i ) – (E + ET + Qso + Qgo + Qeo ) = ∆Ss + ∆Sg



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Balance Hídrico

Componentes de Ecuación Hidrológica


Balance Hídrico

Precisión en Estimación de Componentes

Componente de Salida de FlujoFlujo

Estimado(l/s)

Precisión deEstimado

(±%)

Variabilidad delComponente

(± l/s)

Evapotranspiración 60 25 15

Escorrentía que sale del sistema 20 5 1

Agua subterránea que sale del sistema 5 10 0.5

Agua exportada de la cuenca por uncanal 5 2 0.1

Total 90 16.6

Precisión del flujo (± %) [email protected] www.flosolutions.com28 de abril de 2015 12




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Balance Hídrico

Balances en Zonas de Recarga y Descarga

P

R

Qs

ET

D = R

ETPQs


Balance Hídrico

Componentes Típicos Globales

Precipitación = 100%Evapotranspiración = 66%Escorrentía + Flujo de agua subterránea = 34%



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Balance Hídrico

Componentes Típicos en Perú

100% 20 – 90%

25 – 40%5 – 40%

Rango de Error

50 – 170%


Balance Hídrico

Ejemplo 1



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Balance Hídrico

Ejemplo 2

9

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Balance Hídrico

Ejemplo 3

En la cuenca superior (3200 a 4000 msnm) se muestra las bandas conintervalos de altitud cada 200 m que se definieron para estimar laprecipitación total para el balance hídrico.



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Balance Hídrico

Ejemplo 3Precipitación - ETP

( 8.5Mm3/año)

Almac enamien to

Acu ífero (1710 Mm3)

Almac enamien to

Acu ífero (1710 Mm3)

Infiltración CuencaSuperior(1.8 Mm3/año)

Infiltración CuencaIntermedia (6.4 Mm3/año) = 202 l/s

Evapotranspiración CuencaIntermedia (0.3 Mm3/año)

Escorrentía(6.7 Mm3/año)

Descarga de agua subterráneafuera del área del modelo (8.2

Mm3/año)


Flujo neto desde Roca

hasta acuífero(0.7 Mm3/año)

Abas teci mien to

Cuenca Intermedia(2.4 Mm3/año)

EvapotranspiraciónCuenca

Intermedia (0.3 Mm3/año)

Infiltración Cuenca

Intermedia(6.4 Mm3/año)

Flujo subterránea

(4 Mm3/año)

Descargasubterránea fuera del área Al macenami ent o Acu ífero2011 = 1710 Mm3

2023 = 1660 Mm3

Al macenami ent o

Acu ífero2011 = 1710 Mm3

2023 = 1660 Mm3

Balance Hídrico

Ejemplo 4



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Balance Hídrico

Ejemplo 5


3. Componentes del Balance

Hídrico


Clase 2



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Precipitación


Clase 2


Precipitación

Definición

Es el agua que cae en la superficieterrestreen estado líquido o sólido.

La unidad de medida es el mm de precipitación:1 mm = 1 L/m2 = 10 m3/ha.

Formación: una masa de aire húmeda con presencia de núcleos decondensación o congelamiento se enfría a la temperatura de punto de rocío.Alrededor de estos núcleos se unen pequeñas gotas hasta formar gotas delluvias, las cuales deben tener el tamaño suficiente para no evaporarsetotalmente antes de alcanzar el suelo.

Efectos orográficos: en áreas montañosas se pueden tener diferentes

microclimas en pequeñas distancias.

Datos: Precipitación diaria de un número suficiente de estaciones en o en losalrededores del área de estudio. Considerar:

Variaciones temporales: períodos húmedos y secos. Variaciones espaciales: elevación, latitud, longitud, proximidad a la costa y

efectos orográ[email protected] www.flosolutions.com28 de abril de 2015 24


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Precipitación

Distribución del Agua de LLuvia


Precipitación

Interflujo

Factores que afectan a la inf ilt ración



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Precipitación

Instrumentos de Medición

.

Pluviómetro: Está compuesto por un

cilindro recto, de sección conocida,abierto por un extremo (boca) y undispositivo graduado (colector) pararecoger el agua. En este recipiente sepuede leer directamente las unidades dealtura del agua.

Pluviógrafo: mide la distribución de la

lluvia con el t iempo en un puntodeterminado y por lo tanto puedecalcularse la intensidad de precipitación.Tiene un sistema de registro que graficael llenado del recipiente a lo largo deltiempo.


Precipitación

Instrumentos de Medición

.Nivómetro: mide la nieve precipitadaen un determinado punto. Elfuncionamiento es parecido al de lospluviómetros pero con algunasmodificaciones.

Radar y Pluviómetro: El radar define laforma y la evolución espacial y temporal dela lluvia. Puede l legar a medir unaaproximación de la intensidad de lluvia en elaire, que no es la lluvia que cae en elterreno. El pluviómetro define la lluvia totalen tierra en un punto único, en un periodo detiempo dado. El pluviómetro sirve paracalibrar el [email protected]



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Precipitación

Representaciones Gráficas

Curva Intensidad –

Duración - Frecuencia

La curva deintensidad/duración confrecuencia 1/10, significaque en los 50 años, hasucedido 5 veces (columna5). La curva deintensidad/duración con

frecuencia 1/5 significa queha sucedido 10 veces enlos 50 años (columna 10).


Precipitación

Representaciones Gráficas

Curva Intensidad - Duración - Frecuencia

Si se produce una precipitación con una intensidad constante, el caudaldel río irá aumentando hasta un máximo, que coincide con el tiempo deconcentración de la cuenca. Si se conoce el tiempo de concentración dela cuenca se podrá evaluar el caudal máximo que deberá superar unadeterminada obra que se quiera [email protected] www.flosolutions.com28 de abril de 2015 32


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Evaporación


Clase 2


Evaporación

Factores Condicionantes y Proceso

Factores

Condicionantes

de la

Evaporación

Proceso: Las moléculas de agua están en continuo movimiento, de maneraque al llegar a la superficie, reciben radiación y se calientan, aumentando suenergía cinética lo suficiente como para superar la atracción molecular yescapar al aire en forma de vapor. La evapor ación seguirá hasta que el airellegue a estar saturado con [email protected] www.flosolutions.com28 de abril de 2015 36


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Evaporación

Humedad en el Aire

Humedad absoluta de una masa de ai re dada = gramos de aguapor metro cúbico de aire.

Humedad de saturación = máxima humedad que el aire puedetener a una temperatura dada. Es directamente proporcional a latemperatura del aire.

Humedad relat iva de una masa de aire dada = humedad absoluta/ humedad de saturación a la temperatura de la masa de aire.Cuando la humedad relativa alcanza el 100%, la evaporación sedetiene.


Evaporación

Radiación

La radiación media recibida en una zona determinada es del orden de700 cal/cm2·día. De ésta, se produce una reflexión en el agua del 5 al15%. De manera que la radiación neta recibida será de 600-665cal/cm2·día, que serán aplicables para evaporar agua.

Para evaporar 1 cm3 de agua se requieren aprox. 595 calorías. Por lotanto, una radiación neta de 600 a 665 cal/cm2·día producirá unaevaporación del orden de 1-1.1 cm3/cm2, es decir, 10-11 mm/día,como máximo, pero normalmente se produce alrededor de 2-3mm/día. Este valor variará considerablemente dependiendo de si setrata de la evaporación de agua contenida en el suelo, o de agua librecirculante, o de agua contenida en un charco o en un gran lago.





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Evaporación

Instrumentos de Medición – Superficie Libre

Tanques de evaporación

Evaporímetro de Piché[email protected] www.flosolutions.com28 de abril de 2015 39

Evaporación

Instrumentos de Medición – Suelo

Lisímetro.- es un instrumento de forma paralepípeda con una superficiede unos 8 m2 y unos 2 m de altura de material impermeable y nocubierto. En su base se introduce un suelo artificial para experimentar con el proceso de evaporación y obtener medidas. Se debe controlar elvolumen de agua que precipita sobre esta superficie, el volumen deagua de escorrentía superficial que se forma y también la escorrentíasubterránea.

Parcelas experimentales.- su funcionamiento es el mismo que el de los

lisímetros, pero utilizando el suelo natural que nos interesaexperimentar. Se asimila esta superficie a una cuenca pequeña conunas condiciones que serán las generales en relación a la cuenca real.Aislando una zona real con pantallas impermeables que llegan hasta laprofundidad de encontrar un material impermeable. Como en el caso dellisímetro, deben controlarse también todos los volúmenes de aguaimplicados en esta superficie de experimentación.



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Transpiración


Clase 2


Transpiración

Definición y Proceso

Definición: Es el paso del estado líquido al estado vapor, previo elrecorrido por el sistema circulatorio de las plantas. El crecimiento de lasplantas está continuamente bombeando agua del suelo hacia laatmósfera a través de un proceso llamado transpiración.

Proceso: El agua se absorbe por ósmosis a través de las célulasepidérmicas de las raíces, y pasa, célula a célula, hasta llegar a losvasos y las traqueidas, y de allí a las hojas, desde donde sale al exterior por los estomas, quedando así sometida a evaporación. Una pequeña

parte (


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Transpiración

Tipos de Plantas - Necesidad de Agua

Hidrófitas: Plantas acuáticas. Viven total o parcialmente sumergidas. Tienensus raíces sumergidas.

Xerófitas: Plantas del desierto. Toman el agua de la zona no saturada del suelo.Tienen raíces poco profundas y que se esparcen alrededor de la planta.

Mesófitas: Plantas de ambientes que no son ni demasiado secos ni demasiadoshúmedos. Se encuentran entre las hidrófitasy las xerófitas.

Freatófitas: Toman alternativamente agua de la zona no saturada o de la zonasaturada del suelo en momentos de escasez. Plantas con un sistema de raícesque se extienden a la zona saturada. Pueden transpirar bastante aún en eldesierto, siempre y cuando el nivel freático no descienda bajo las raíces.


Evapotranspiración


Clase 2





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Evapotranspiración

Definición

Evaporación + Transpiración

Evaporación = paso del agua en estado líquido al agua enestado vapor.

Transpiración = paso del estado líquido al estado vapor, previorecorrido por el sistema circulatorio de las plantas.

La ET puede ser una parte importante de la precipitación total(entre el 70-90% de la precipitación).

Se tienen dos tipos de ET, la evapotranspiración potencial (ETP) yla evapotranspiración real (ETR)


Evapotranspiración

ETP y ETR

ETP.- es la evapotranspiración que se produciría si se cumplieran doshipótesis: que existe un desarrollo vegetativo óptimo y que lahumedad del suelo coincida con su capacidad de campo.

ETR.- representa lo que realmente vuelve a la atmósfera por evapotranspiración, en las condiciones reales del área estudiada.Ésta depende de la cantidad de agua disponible que se podráevapotranspirar en una zona determinada.

La ETP es el límite máximo de la ETR.

Cuando la ETR


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Evapotranspiración

Métodos de Estimación

Métodos Teóricos: Balance de energía Perfiles de humedad y velocidad del viento Flujo turbulento de humedad

Métodos Empíricos o Semiempíricos: Thornthwaite Turc Blaney-Criddle Penman

Métodos Directos o Instrumentales: Evapotranspirómetros Lisímetros Parcelas y cuencas experimentales. Perfiles de humedad del suelo.


Evapotranspiración

Método de Thornthwaite

El método de Thornthwaite (1948) utiliza como variable fundamental latemperatura media de cada mes, según el siguiente procedimiento:

i = índice de calor mensual.

t = temperatura media diaria del mes en °C.

I = índice de calor anual.

ε = ETP sin corregir en mm/mes.

N = Número máximo de horas de sol, según la latitud.d = Número de días del mes.

K = Factor de corrección.



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Evapotranspiración

Método de Turc

El método de Turc (1961) utiliza como variables fundamentales la insolacióny la temperatura media diaria.

En el mes de Febrero se sustituye el coeficiente 0.40 por el valor de 0.37.

Si HR


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Evapotranspiración

Método de Penman

Método de Penman (1948)

Donde:

E = evaporación en superficie de agua libre (mm/día).

Δ/ γ = valor en función de la temperatura del aire (ver Tabla 6.10).

f = coeficiente reductor cor respondiente al mes (ver Tabla 6.11)

d = número de días del mes.

Ri = RA(0,18+0,55 n/N) (cal/cm2.día).

m = 0.1+(0.9n/N)

ed = eaxHR/100

Re = 1440σ(Ta)4(0.56-0.092ed0.5)(m)

RN = Ri(1-r)-Re

Rn = RN/c1 (Ver Tabla 6.8 para c1)

Ea = (ea-ed)0,35(0,5+0,54 V2)


Evapotranspiración

Método de Penman

Datos Necesarios



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Evapotranspiración

Método de Penman

RA = Radiación global incidente (cal/cm2.día)

N = Número máximo diario de horas de sol según latitud (horas/día)

Ri = Radiación global incidente (cal/cm2.día)

Re = radiación reflejada de onda larga (cal/cm2.día).

RN= radiación neta, radiación incidente-radiación reflejada, (cal/cm2.día)

σ = constante de Stefan-Boltzman = 0,826x10-10 cal/cm2.min.°K4

r = albedo para distintas superficies evaporantes.

m = coeficiente de nubosidad en décimas de cielo cubierto.

Ta = temperatura del aire en grados Kelvin.ea = tensión de vapor saturante a la temperatura del aire “t” (mmHg)

ed = tensión de vapor de agua en el aire (mm Hg)

C1 = calor de vaporización necesario para evaporar 1 [email protected] www.flosolutions.com28 de abril de 2015 53

Evapotranspiración

Método de Penman



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Evapotranspiración


Estos métodos corresponden a una manera muycompleja de determinar la ETP, cuando lo que interesaes la ETR, cuya deducción se realiza multiplicando laETP por un coeficiente que entraña más error que losacumulados en los cálculos.

La utilización de un método complejo no garantizamejores resultados.

La medición directa por lisímetro o evapotranspirómetromejorará cualquier deducción numérica.


Cambio en Almacenamiento


Clase 2





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Balance Hídrico

Cambio de Almacenamiento

Puede estimarse a partir de la variación de los niveles piezométricos,al principio y al f inal del período de tiempo considerado.

Es muy útil escoger un período de tiempo largo, de manera que estosniveles no varíen desde el principio hasta el final del período, así sepodrá considerar que las reservas no han variado. Generalmentecuando se considera 1 año se asume que ΔS = 0.

En el caso de un acuífero libre, el almacenamiento se puede calcular a partir de la variación de los niveles piezométricos y de la porosidad

En el caso de un acuífero confinado, el almacenamiento se puedecalcular a partir de la variación de los niveles piezométricos y delcoeficiente de almacenamiento. Esto hasta antes de que el acuíferoconfinado pase a comportarse como acuíf ero [email protected]


Infiltración


Clase 2



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Infiltración

Definición

Es el paso del agua a través de la superficie del terreno. También se ledenomina recarga potencial, pues sólo una parte del agua infiltrada podríaeventualmente alcanzar la zona saturada.

De esta agua infiltrada, una parte es retenida por el suelo, hasta alcanzar lacapacidad de campo, y una vez superada esta retención máxima, el resto delagua desciende por gravedad hasta el nivel de saturación (o nivel freático) y sedenomina recarga, infiltración eficaz, infiltración efectiva, infiltración neta,percolación profunda (o recarga por infiltración vertical).

Componentes de lainfiltración


Infiltración

Capacidad de Infi ltración

La capacidad de infiltración no esconstante en el tiempo y se mide enmm/tiempo (en general, mm/día omm/hora).

= + −



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Infiltración

Capacidad de Infi ltración


Infiltración

Instrumentos de Medición - Infiltrómetros

Cilindros

ConcéntricosSimulador de

LLuviaLisímetros

Se utilizan para medidas locales.

Determinan la infiltración directamente.

Cuando la cuenca es mayor, y no homogénea en suelo o vegetación, deberásubdividirse en áreas que lo sean y utilizar infiltrómetros en cada una de ellas



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Infiltración

Instrumentos de Medición - Lisímetros

Lisímetros

Está construido con una tapacerámica porosa conectada a un tubotransparente para la extracción desolución de suelo. Lleva insertado uncapilar de goma que pasa a través deuna tapa de goma y llega a la puntacerámica.

Determina la infiltración midiendo elvolumen de agua que ha percoladopor el lisímetro. El resto del agua oha quedado retenida en el suelo o seha evapotranspirado.

Permite recoger muestras de solucióndel suelo y real izar análisiscuantitativos.


Infiltración

Instrumentos de Medición-Cilindros Concéntricos

Cilindros

Concéntricos Tienen dos superficies cilíndricas abiertas

por las dos bases y unidas entre sí paramantenerse concéntricas al hincarlasparcialmente en el terreno a unaprofundidadde unos 10 cm.

Se añade una cantidad conocida de aguahasta que cubra suficientemente la puntade una varilla de medición situada enposición vertical en el área encerrada por el cilindro interior, y entre los dos

cilindros, se mantiene ese mismo nivel deagua.

La misión del cilindro exterior es impedir la expansión lateral del agua infiltrada através del área que limita el cilindrointerior.





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Infiltración

Instrumentos de Medición –

Simulador de Lluvia Se distribuye el agua (con un

sistema tipo aspersión) por laparcela de la que se quiere conocer la capacidad de infiltración. Estasparcelas son de pequeño diámetro(1 a 40 m2).

Se deben tener algunospluviómetros para medir el aguarecibida y comprobar la uniformidadde reparto. También debe existir unsistema para medir la escorrentíadirecta.

Conocidas la lluvia (P) y laescorrentía (S) y despreciando laevapotranspiración, por ser muycortos los intervalos entre medidassucesivas, el valor de la inf iltración(I) es: I = P - S

Simulador

de LLuvia


Escorrentía


Clase 2



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Escorrentía

Estimación de Escorrentía


Recarga


Clase 2





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Recarga

Definiciones

Recarga: parte del agua infiltrada que alcanza el acuífero. Esto seconfirma con estudios hidrogeológicos (elevación de los niveles de aguasubterránea).

Recarga neta = recarga real = diferencia entre la recarga que alcanzala superficie freática vía flujo vertical descendente a través de la zona nosaturada y la evapotranspiración de la superficie freática, la cual es unflujo ascendente vertical (recarga negativa).

Recarga difusa = recarga de la precipitación y riego que ocurreuniformementesobre grandes áreas.

Recarga concentrada = pérdidas de agua estancada (empozada) deplayas, lagos, cuencas de recarga o pérdidas de ríos hacia el subsuelovía sumideros (rasgos cársticos).


Recarga

Condiciones de Superficie

Ladera de caliza con alta pendiente ycubierta vegetal. Recarga ~ 10-15%de la precipitación anual.

Caliza cárstica horizontal. Recarga >50% de la precipitación anual.



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Recarga



Recarga


Balance de Cloruros

R = P – ES- ER· CR = (P - Es) · CP + aS – aV + a’VR · CR = (P - Es) · CP /* ver supuesto 1 */R· CR = P · CP /* ver supuesto 2 */R = P · CP/CRCoeficiente de R = R/P = CP/CR

Donde:

R = Recarga (mm/año)P = Precipitación (mm/año)ES = Escorrentía superficial (mm/año)E = Evaporación (mm/año)CR = Concentración de cloruros en el agua subterránea (mg/L)CP = Concentración de cloruros en la precipitación (mg/L)aS = Aporte de cloruros tomados del suelo (g/m2/año)aV = Retención de cloruros en la vegetación (g/m2/año)a’V = Devolución de cloruros por la vegetación al descomponerse (g/m2/año)

Supuesto 1.- Se trata de unterreno no abonado, en el que noexisten minerales evaporíticoscon lo cual as = 0, y en el queexiste un equilibrio entre lamateria viva y en descomposiciónsiendo av = a’v

Supuest o 2.- La escorrentíasuperficial es muy pequeña(terrenos muy llanos y con buenapermeabilidad superficial).



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Recarga


Ley de Darcy

El flujo recargado hacia el acuíferoes la diferencia entre el flujo queproviene aguas arriba del sector deriego y el flujo que sale aguas bajodel sector de riego.

Como en la zona de estudio el flujooriginal (pre-riego) aguas arriba delos sectores de r iego eraprácticamente despreciable por tener una gradiente subhorizontal ahorizontal, se puede asumir, al nohaber otra fuente de recarga en lazona, que la mayoría del flujo queactualmente circula por el acuíferodesde los sectores de riegoproviene solamente de la recargaproducida por las pérdidas del aguade riego. Entonces, calculandoeste flujo y dividiéndolo entre elárea de riego se puede estimar valores de recarga.


Recarga


Balance Hidrometeorológico en Suelos



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Recarga


Balance Hídrico

Qs i

Qg i

PQi i

Qso

Qgo

ETEQeo

∆Sg = Recarga

∆Ss

(P + Qs i + Qg i + Qi i ) – (E + ET + Qso + Qgo + Qeo ) = ∆Ss + ∆Sg

R = ∆Sg = (P + Qs i + Qg i + Qi i ) -(E + ET + Qso + Qgo + Qeo ) + ∆[email protected] www.flosolutions.com28 de abril de 2015 77

Recarga


Eficiencia de Riego:

Eficiencia de riego es elporcentaje del aguairrigada que es perdidapor ETP, es decir, quelas plantas utilizan. Elagua restante seria elagua que se infiltra yrecarga el acuífero.



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Recarga


Variación de Nivel Freático

R(tj) = Sy * ΔH(tj)

R(tj) = recarga ocurrida entre el tiempo t0 y tj (cm).Sy = porosidad eficaz ΔH(tj) = elevacion pico del nivel freatico atribuido al periodo de recarga (cm).


Recarga


Análisis de Curvas de Recesión



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Recarga


Datos Meteorológicos:

El factor de recarga indicaqué porcentaje de laprecipitación eficaz esrecarga y qué parte esescorrentía. Esto es masútil que asumir un solovalor de escorrentía paratoda la cuenca, puesdependiendo del materialgeológico se tiene un

coeficiente de escorrentíadiferente para cada uno.


Recarga


Datos Meteorológicos:


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Ciclo Hidrológico y Balance Hídrico

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