Teoría del hidrograma unitario: edición internacional

Introducción a los hidrogramas unitarios

El hidrograma unitario muestra el cambio en el caudal, o flujo, por unidad de escorrentía a lo largo del tiempo; en otras palabras, muestra cómo la adición de una unidad de escorrentía influirá en el caudal de un río con el tiempo. El hidrograma unitario es una herramienta útil en el proceso de predecir el impacto de la precipitación sobre el caudal.

En esta sección aprenderá a:

  • explicar por qué necesitamos usar los hidrogramas unitarios;
  • describir el uso de la teoría del hidrograma unitario como herramienta para predecir la escorrentía;
  • definir algunos de los componentes básicos de un hidrograma unitario.

¿Por qué necesitamos usar el hidrograma unitario?

Diagrama de flujo del proceso de predicción de crecidas

El rol de la teoría del hidrograma unitario en el proceso de predicción de crecidas consiste en proporcionar una estimación del caudal fluvial a partir de una cantidad de precipitación.

Una vez determinada la cantidad de lluvia o de agua de deshielo que se ha producido o puede producirse, y qué parte de dicha cantidad se transformará en escorrentía, aún queda por determinar el impacto de la escorrentía en el caudal del río con el paso del tiempo. El hidrograma unitario, que forma parte integral de muchos sistemas de modelado hidrológico, nos brinda una forma de estimar dicho impacto.

Precipitación media en la cuenca

Imagen de un pluviómetro que contiene 4 centímetros de lluvia azul.  En la vista superior, la cuenca está resaltada en azul para mostrar que esta cantidad de agua está distribuida de manera uniforme por toda la cuenca.

En una situación típica sin nieve, comenzamos el proceso de pronóstico hidrológico con la lluvia, específicamente con la lluvia media en la cuenca. Este dato, que solo indica cuánta lluvia ha caído o se pronostica que caerá en determinada cuenca, suele expresarse en términos de cierta altura o cantidad de lluvia por unidad de tiempo. La teoría del hidrograma unitario presupone que toda esta lluvia se distribuye de manera uniforme a través de la cuenca.

"Exceso de lluvia" medio en la cuenca

Representación del exceso de precipitación medio en una cuenca. El pluviómetro muestra los primeros 3 cm de agua in azul y el centímetro adicional o 'en exceso' en rosado.  En la vista superior correspondiente, la cuenca está resaltada en rosado para mostrar su distribución.

Dadas estas condiciones, necesitamos saber qué parte del exceso de lluvia medio en la cuenca se transformará en escorrentía. En la teoría del hidrograma unitario, la escorrentía se conoce también como "exceso de precipitación" o "precipitación efectiva". Típicamente, los modelos empleados para calcular la escorrentía producida por la lluvia generan un cálculo aproximado de lo que se transforma en exceso de lluvia.

Por ejemplo, si el 25 % de una precipitación media de 4 cm para la cuenca se transforma en exceso de lluvia, el exceso de lluvia medio de la cuenca será de 1 cm.

Escorrentía directa y caudal base

Animación del movimiento de la precipitación que alcanza la superficie y se convierte en escorrentía o almacenamiento a largo plazo y caudal base.  Corte transversal a través de un lecho fluvial. En un comienzo caen unas cuantas gotas de lluvia en la superficie, que desciende hacia el arroyo.  El agua comienza a correr cuesta abajo hasta verter en el arroyo y además se infiltra en el suelo.  El nivel del arroyo pronto comienza a subir. La diferencia entre el nivel inicial y el nuevo nivel del agua se identifica como escorrentía directa.   Eventualmente se infiltra una cantidad suficiente de agua en el suelo como para aumentar levemente el nivel de caudal base.  Conforme la lluvia se disipa, la escorrentía directa desaparece rápidamente, pero el el caudal base tarda más tiempo en regresar al nivel previo al episodio de precipitación.

Cierta parte de la lluvia se infiltra en el suelo y percola hasta que se incorpora al almacenamiento a largo plazo, con lo cual contribuye al caudal base. El caudal base es la parte del caudal que responde lentamente a las variaciones de precipitación y mantiene los arroyos durante los períodos secos.

Parte de la lluvia restante se evapora, parte se almacena en lagos y embalses, y el resto se desplaza rápidamente hacia el canal fluvial, ya sea en la superficie o justo debajo de ella. Este es el exceso de precipitación, o escorrentía directa, que a veces se denomina también flujo directo.

El hidrograma unitario representa el exceso de precipitación o escorrentía directa.

Conversión de escorrentía a caudal

Ejemplo de hidrograma unitario para una cuenca mediana que muestra un aumento súbito y luego la reducción en el nivel a lo largo de un período de 192 horas.

La información sobre la lluvia y la escorrentía que está a nuestra disposición solo nos brinda una estimación de la cantidad de agua que corre rápidamente hacia el canal fluvial. El hidrograma unitario brinda una estimación del caudal o flujo resultante.

Por ejemplo, si estamos trabajando en milímetros, el hidrograma unitario puede proporcionar una estimación del caudal que provocaría 1 cm de exceso de precipitación. En muchos países, los hidrogramas unitarios de preparan sobre la base de un exceso de precipitación de 1 mm. En ambos casos, el concepto es el mismo.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

El hidrograma unitario se define como el hidrograma que resulta de __________ durante un período dado.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es a):

una unidad de exceso de lluvia.

Escoja una opción.

Pregunta 2

El hidrograma unitario es una herramienta empleada en el proceso de pronóstico de caudal que permite _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

La respuesta correcta es c).

El hidrograma unitario es una herramienta empleada en el proceso de estimar el caudal que produce una unidad de exceso de precipitación a la largo del tiempo.

Escoja una opción.

Pregunta 3

El hidrograma unitario muestra la respuesta del caudal a _____.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

La respuesta correcta es a).

Escoja una opción.

Pregunta 4

Corte transversal de terreno que vierte en un lecho fluvial con cuatro puntos rotulados para contestar la pregunta.  Las flechas indican la dirección de movimiento del agua.  La letra 'a' se encuentra inmediatamente encima de la superficie del suelo junto a una flecha que apunta cuesta abajo.  La letra 'b' está en la capa más alta del subsuelo, junto a una flecha que apunta cuesta abajo.  La letra 'c' se halla en la capa más profunda del subsuelo, junto a una flecha que apunta cuesta abajo, y la 'd' está también en la capa más alta del subsuelo, pero la flecha apunta hacia abajo.

¿Cuáles de los elementos rotulados en la imagen contribuyen a la escorrentía directa?
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son a) y b).

La escorrentía directa incluye el exceso de precipitación que corre rápidamente sobre la superficie y justo debajo de la superficie.

Escoja una opción.

Terminología y suposiciones

Representación gráfica de un hidrograma completo en el cual se ha separado visualmente la escorrentía directa del caudal base mediante colores distintos.

En esta sección consideraremos algunos términos importantes de la teoría del hidrograma unitario y examinaremos las suposiciones clave en las que se basa dicha teoría.

En esta sección aprenderá a:

  • identificar términos y suposiciones importantes de la teoría del hidrograma unitario.

Separación del caudal base

Representación gráfica de un hidrograma completo en el cual se ha separado visualmente la escorrentía directa del caudal base mediante colores distintos.  El caudal aumenta a lo largo del eje y, y el tiempo se refleja en el eje x.  La parte correspondiente al caudal base representa aproximadamente la mitad inferior del área debajo de la curva y presenta un pico menor más tarde en el tiempo.  La parte correspondiente a la escorrentía directa representa la parte superior del área debajo de la curva y presenta un pico antes que el caudal base.  La escorrentía directa termina abruptamente al final de su pico, de modo que durante el tercio final del período contemplado, debajo de la curva del hidrograma sólo hay caudal base.

Como no deseamos incluir el aporte del caudal base en el hidrograma unitario, necesitamos separarlo de la escorrentía directa. Existen varios métodos para hacerlo.

Representación gráfica de un hidrograma completo en el cual se ha separado visualmente la escorrentía directa del caudal base mediante colores distintos. En la curva del hidrograma, se ha trazado una recta que se extiende hacia arriba y la derecha desde el punto donde comienza la escorrentía directa hasta el punto donde la escorrentía directa termina.  La recta separa la parte superior del pico de caudal base.

El método de la línea recta que se muestra es una aproximación sencilla que permite separar el caudal base de la escorrentía directa.

Representación gráfica de un hidrograma completo en el cual se ha separado visualmente la escorrentía directa del caudal base mediante colores distintos.  La parte del pico del caudal base que se encontraba arriba de la línea de separación ahora forma parte de la escorrentía directa.  Una parte similar de la escorrentía directa que se encontraba debajo de la línea de separación ahora forma parte del caudal base.

La recta resultante es la línea de separación del caudal base. Dicha línea separa la parte del hidrograma total que es el resultado del flujo a largo plazo (caudal base) de la porción de flujo a corto plazo, es decir, la escorrentía directa.

Terminología de la teoría del hidrograma unitario

Hidrograma unitario rotulado con varios términos importantes.  La duración del exceso de precipitación se representa por medio de una flecha horizontal, en la dirección de aumento en el tiempo.  La longitud de la flecha es proporcional a la duración de todo el exceso de precipitación.  El caudal base es la parte sombreada inferior debajo de la curva (verde).  La escorrentía directa es la parte sombreada superior debajo de la curva (azul).  La línea de separación del caudal base es la recta entre el área de escorrentía directa y la parte inferior que corresponde al caudal base. La rama ascendente es la parte de la curva del hidrograma entre el punto donde la pendiente es positiva (asciende, de izquierda a derecha).  La rama descendente o de recesión es la parte de la curva del hidrograma donde la pendiente es negativa (la línea desciende de izquierda a derecha).  El punto de inflexión es el punto en la rama descendente donde la pendiente cambia abruptamente de muy negativa a más gradualmente negativa.

La duración del exceso de precipitación es el tiempo que tarda en producirse el exceso de precipitación. No se refiere al tiempo de la respuesta fluvial real en el hidrograma. Los hidrogramas se identifican por medio del período de duración. Por ejemplo, un hidrograma unitario de 6 horas muestra el impacto de 6 horas de exceso de precipitación.

La curva o rama ascendente es la parte del hidrograma entre el punto donde el flujo comienza a ascender y el caudal máximo.

La curva o rama de recesión, o descendente, es la parte del hidrograma entre el caudal máximo y el punto donde el flujo vuelve a un estado relativamente estacionario.

El punto de inflexión es el punto en la curva de recesión del hidrograma donde comienza el descenso de la pendiente del gráfico. Este punto indica el momento en que el caudal base vuelve a cobrar mayor importancia para el flujo total que la escorrentía directa.

Hidrograma rotulado con la terminología científica, como tiempo al pico y tiempo de concentración, ambos con flechas.  El tiempo al pico se muestra con una flecha que abarca el intervalo entre el medio del período de exceso de precipitación y el momento en que el hidrograma muestra el caudal máximo.  El tiempo de concentración se muestra con una flecha que abarca el intervalo entre el fin del período de exceso de precipitación y el momento en que se produce el punto de inflexión.

Hay varios intervalos de tiempo asociados con la teoría del hidrograma unitario.

El tiempo al pico, que también se denomina tiempo de retardo o de retraso, es el intervalo entre el medio del período de precipitación y el caudal máximo.

El tiempo de concentración es el intervalo que transcurre entre el fin del período de precipitación y el fin de la escorrentía directa en el hidrograma. Este intervalo representa el movimiento de la escorrentía proveniente del lugar más remoto de la cuenca hidrológica.

Suposiciones de la teoría del hidrograma unitario

Representación conceptual de la precipitación sobre una cuenca hidrográfica con los distintos niveles de lluvia acumulada indicados con colores.  Los colores cálidos denotan cantidades altas de precipitación, los colores fríos cantidades bajas.  Hay un foco circular de lluvia intensa y colores cálidos en el norte de la cuenca, mientras que la zona al sur está cubierta por colores más fríos y en una región no hubo nada de precipitación.

La suposición principal de la teoría del hidrograma unitario es que la distribución de la lluvia es uniforme, tanto en extensión (con variaciones mínimas) como en duración, en toda la cuenca; en otras palabras, la intensidad de la lluvia varía poco durante el evento.

Imagen de radar de la precipitación total producida en 12 horas por una tormenta tropical sobre una cuenca hidrográfica.  Los colores cálidos en las zonas del centro y este de la cuenca indican entre 100 y 200 mm de precipitación, mientras que los colores morados y grises en la mitad occidental de la cuenca indican entre 1 y 25 mm de precipitación.

En realidad, los episodios de precipitación rara vez son uniformes en extensión y duración, y de hecho es frecuente que la precipitación sea más intensa en algunas partes de una cuenca que otras. Es más, mientras dure la tormenta es probable que la proporción de la lluvia que se transforma en exceso de precipitación aumente debido a la saturación del suelo.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

El hidrograma unitario se define como el hidrograma que resulta de una unidad de exceso de lluvia durante un período dado, con _____ a lo largo de la cuenca.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es a).

Escoja una opción.

Pregunta 2

Un hidrograma unitario de 6 horas indica que _____ tardó 6 horas en producirse.
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

La respuesta correcta es c).

Escoja una opción.

Pregunta 3

Use los cuadros de selección para elegir la palabra que corresponde a la definición dada.

a) El intervalo entre el fin del exceso de precipitación y el fin de la parte de escorrentía directa en el hidrograma. Este intervalo representa el tiempo que la escorrentía directa tarda en viajar desde el lugar más remoto de la cuenca.
b) El intervalo entre el medio del período de exceso de precipitación y el caudal máximo en el hidrograma de escorrentía.
c) El tiempo que tardó en producirse el exceso de precipitación.
Escoja una opción.

Pregunta 4

Partes de un hidrograma identificadas mediante letras.  a) identifica la parte de la curva del hidrograma entre el punto donde la pendiente es positiva (asciende, de izquierda a derecha).  b) está en la parte sombreada inferior debajo de la curva (verde).  c) identifica la parte de la curva del hidrograma donde la pendiente es negativa (la línea desciende de izquierda a derecha).  d) se encuentra en la curva del hidrograma donde la pendiente cambia abruptamente de muy negativa a más gradualmente negativa.  e) marca una flecha que apunta en la dirección positiva del eje x.  f) marca la recta entre las áreas rotuladas b) y g), que es la parte inferior verde debajo de la curva.

Escoja el término que corresponde a cada letra en el diagrama de arriba.

a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Partes de un hidrograma identificadas correctamente.  La rama ascendente identifica la parte de la curva del hidrograma entre el punto donde la pendiente es positiva (asciende, de izquierda a derecha).  La escorrentía directa es la parte sombreada superior debajo de la curva (azul).  La curva de recesión es la parte de la curva del hidrograma donde la pendiente es negativa (la línea desciende de izquierda a derecha).  El punto de inflexión se encuentra en la curva del hidrograma donde la pendiente cambia abruptamente de muy negativa a más gradualmente negativa.  La duración del exceso de precipitación se representa por medio de una flecha que apunta en la dirección de aumento en el tiempo.  La línea de separación del caudal base es la recta que separa el área de escorrentía directa del caudal base, que es la parte inferior verde debajo de la curva.
Escoja una opción.

Pregunta 5

Hidrograma en el cual se ha marcado la duración del exceso de precipitación con una flecha corta que comienza en T = 0 y termina cuando se acaba la precipitación.  Una flecha marcada a) abarca el intervalo entre el medio del período de exceso de precipitación y el momento en que el hidrograma muestra el caudal máximo.  Otra flecha, marcada b), abarca el intervalo entre el fin del período de exceso de precipitación y el momento en que se produce el punto de inflexión.

Escoja el término que corresponde a las dos letras en la figura del hidrograma.

a)
b)
Hidrograma en el cual se ha marcado la duración del exceso de precipitación con una flecha corta que comienza en T = 0 y termina cuando se acaba la precipitación.  La flecha marcada a) que abarca el intervalo entre el medio del período de exceso de precipitación y el momento en que el hidrograma muestra el caudal máximo corresponde al tiempo al pico.  La otra flecha, marcada b), que abarca el intervalo entre el fin del período de exceso de precipitación y el momento en que se produce el punto de inflexión corresponde al tiempo de concentración.
Escoja una opción.

Creación de un hidrograma unitario

Podemos derivar un hidrograma unitario a partir del hidrograma de caudal (izquierda superior) correspondiente a una estación de aforo si contamos con tres datos de entrada adicionales: el área de la cuenca (derecha superior), la lluvia media para la cuenca (izquierda inferior) y la duración de exceso se lluvia (derecha inferior).

Es posible derivar un hidrograma unitario a partir del hidrograma de caudal total correspondiente a una determinada estación de aforo si contamos además con la información siguiente:

  • el área de la cuenca,
  • la profundidad media de la lluvia para la cuenca y
  • la duración o tiempo que tardó en producirse el exceso de precipitación.

En esta sección exploraremos los pasos que se siguen para derivar un hidrograma unitario.

En esta sección aprenderá a:

  • describir los pasos básicos a seguir para derivar un hidrograma unitario.

Paso 1: Seleccionar el episodio de precipitación adecuado

Representación conceptual de la precipitación sobre una cuenca hidrográfica con los distintos niveles de lluvia acumulada indicados con colores.  Los colores cálidos denotan cantidades altas de precipitación, los colores fríos cantidades bajas.  Hay un foco circular de lluvia intensa y colores cálidos en el norte de la cuenca, mientras que la zona al sur está cubierta por colores más fríos y en una región no hubo nada de precipitación.

Para derivar un hidrograma unitario, es importante comenzar con un hidrograma archivado que represente la escorrentía directa correspondiente a una sola tormenta. Además, esa tormenta debe haber producido el exceso de precipitación con una cobertura temporal y espacial casi uniforme sobre la cuenca.

Paso 2: Eliminar la contribución del caudal base

Hidrograma separado en dos secciones, arriba y abajo de la línea de separación del caudal base.  La parte arriba de dicha línea es la escorrentía directa y la parte debajo de ella es el caudal base.

Recuerde que el hidrograma unitario representa la escorrentía directa.

Para que el hidrograma unitario muestre solo el efecto de la escorrentía, es preciso separar la contribución del caudal base.

Hidrograma sin el caudal base, es decir, sólo el componente de escorrentía directa, que se ha desplazado hacia abajo de modo que descansa sobre el eje x.

El hidrograma que se obtiene eliminando la contribución del caudal base muestra solo la contribución del exceso de precipitación, o la escorrentía directa.

Paso 3: Calcular el volumen de escorrentía directa

La escorrentía directa es todo lo que queda del hidrograma, pero se han agregado los promedios horarios para parte del hidrograma.  Los volúmenes horarios promedio se determinan trazando un rectángulo vertical que abarca una hora sobre el eje x de modo que el medio del lado superior corte la curva de escorrentía directa en el hidrograma.  La suma de los volúmenes horarios dará el volumen total de agua de la escorrentía directa.

Ahora necesitamos calcular el volumen total de agua de la escorrentía directa. Para ello, sumaremos las áreas de escorrentía directa en el hidrograma correspondientes a cada incremento de tiempo, que en nuestro ejemplo son horas.

Paso 4: Determinar la altura del exceso de precipitación de la cuenca

Si tomamos el volumen total de agua de la escorrentía directa (el recipiente parcialmente lleno) del hidrograma anterior y distribuimos ese volumen de manera uniforme sobre la cuenca (vista en plano) obtenemos una columna de agua uniforme para toda la cuenca (la 'lámina' de agua con la forma de la cuenca).

Una vez calculado el volumen estimado de la escorrentía directa para la cuenca, necesitamos determinar la altura media para la cuenca que produciría ese volumen. Esto se hace distribuyendo el volumen uniformemente a lo largo de la cuenca.

La ecuación general que utilizamos para calcular la altura media del agua sobre la cuenca se expresa en términos de volumen dividido entre el área.

Esta cantidad se deriva matemáticamente dividiendo el volumen de la escorrentía directa entre el área de la cuenca para obtener la altura media del exceso de precipitación.

Si dividimos 2.000.000 de metros cúbicos entre 100.000.000 de metros cuadrados, obtenemos una altura media de agua de 0,02 metros, es decir, 2 centímetros.

Supongamos, por ejemplo, que nuestra cuenca mide 100 km2, es decir, 100 000 000 m2. Supongamos además que ya se ha calculado un volumen de agua de escorrentía directa de 2 000 000 m3. Podemos dividir el volumen entre el área (2 000 000 m3 / 100 000 000 m2) y obtener 0,02 m, es decir 2 cm de altura. Estos 2 cm representan la altura media del exceso de lluvia sobre la cuenca.

Paso 5: Reajustar el hidrograma de escorrentía directa

A la izquierda se muestra un hidrograma de escorrentía directa (tiempo y caudal).  A la derecha aparece un hidrograma unitario reajustado (tiempo y caudal por unidad) en el cual la curva refleja una sola unidad de precipitación.

Es poco probable que la altura del exceso de precipitación se ajuste exactamente a la exigencia de una unidad de la teoría del hidrograma unitario, de modo que es muy probable que tengamos que reajustar el hidrograma de escorrentía directa para mostrar la respuesta que produciría una unidad.

Ecuación general para calcular el factor de reajuste:  Unidad de hidrograma dividida entre exceso de precipitación igual a factor de reajuste.

Podemos determinar el factor de reajuste de forma sencilla dividiendo la unidad de hidrograma (que en este caso son 25 mm) entre el exceso de precipitación. A continuación podremos utilizar este factor de reajuste para convertir los puntos del hidrograma al hidrograma unitario.

Ejemplo de uso de la ecuación para calcular el factor de reajuste: 1 cm (unidad) dividido entre 2 cm (unidad de exceso) igual a 0,5.

En nuestro ejemplo, la medida de altura de nuestro hidrograma unitario es 1 cm, y acabamos de calcular el exceso de precipitación en 2 cm. El resultado es un factor de reajuste de 0,5, con el cual podemos calcular cualquier punto en el hidrograma.

Si multiplicamos cada punto del hidrograma por el factor de reajuste de 0,5, generaremos un hidrograma unitario que corresponde exactamente a un exceso de precipitación de 1 cm.

Observe que en los hidrogramas el eje y corresponde al caudal, por ejemplo, en metros cúbicos por segundo (m3/s). En los hidrogramas unitarios, el eje y muestra el caudal por unidad, por ejemplo, en m3/s por cm.

Paso 6: Determinar la duración

Un reloj indica 9 horas de precipitación (entre las 12 y las 9).  En este caso, después de 2 horas la precipitación ya no se puede infiltrar o almacenar, de modo que la precipitación durante 6 horas se vuelve exceso (entre las 2 y las 8).  Durante la última hora del evento, la precipitación ya no excede la tasa de infiltración, de modo que se infiltra en el suelo (de 8 a 9).

La duración de un hidrograma unitario se refiere al período continuo durante el cual se produce una unidad de exceso de precipitación. Si lleva 6 horas producir una unidad de exceso de precipitación, estamos trabajando con un hidrograma unitario de 6 horas. Recuerde que la duración del hidrograma unitario no es la duración de la respuesta del caudal.

A la hora de determinar la duración de un hidrograma unitario, el aspecto más difícil consiste en calcular la parte del episodio de precipitación total que realmente contribuye al exceso de precipitación.

Animación que muestra una línea de función de pérdida constante (horizontal) sobre segmentos de exceso de precipitación de una hora (rectángulos verticales).  La línea de función de pérdida constante se desplaza hacia arriba y hacia abajo al lugar donde el exceso de precipitación arriba de ella equivale al exceso de precipitación previamente calculado dividiendo la escorrentía directa entre el área de la cuenca.

Recuerde que ni el agua que se infiltra y percola hasta el almacenamiento profundo ni el caudal base forman parte del exceso de precipitación.

Podemos obtener un cálculo aproximado de esta parte de la precipitación aplicando una función de pérdida constante a la lluvia.

Recuerde además que ya calculamos que la altura del exceso de precipitación es 2 cm. Ahora necesitamos saber cuánto tiempo llevó producir ese exceso.

Para hacerlo, desplazaremos la línea de la función de pérdida de modo que la cantidad de precipitación arriba de la línea equivalga a la altura del exceso de precipitación que ya hemos calculado para la cuenca.

La precipitación por debajo de esa línea pasa al almacenamiento a largo plazo. La precipitación por encima de ella es el exceso de precipitación.

Seis segmentos de una hora de duración (rectángulos verticales) de promedio de exceso de precipitación que estaban por encima de una línea de función de pérdida constante.  Ahora se han bajado hasta que descansen en el eje x.

Ahora contamos con un gráfico de barras del exceso de precipitación. Observe que solo están representadas las 6 horas, en comparación con las 9 horas del gráfico original de lluvia total. Eso significa que la duración del exceso de lluvia es de 6 horas, es decir, hemos generado un hidrograma unitario de 6 horas.

Observe que las cantidades de agua no son realmente uniformes de una hora a otra. Esto es normal.

Sin embargo, a los fines de calcular la duración de un hidrograma unitario suponemos que todo el exceso de precipitación se produjo de manera uniforme en el tiempo.

Hidrograma unitario final

Hidrograma unitario derivado de 6 horas que indica la duración del exceso de precipitación en la esquina superior izquierda (6 horas); la curva de exceso de precipitación coincide con los volúmenes horarios antes indicados.

Una vez realizados estos pasos, tendremos un hidrograma unitario de 6 horas que muestra la respuesta del caudal después de las 6 horas de exceso de precipitación que produjo una unidad de altura.

Un modelo de escorrentía de lluvia para un evento real incorporaría la información de este hidrograma unitario a la hora de predecir el caudal.

Elección de un hidrograma unitario sintético

Hidrograma unitario trazado en función de tiempo dividido entre tiempo al pico y caudal dividido entre caudal pico.  La curva del hidrograma alcanza el máximo abruptamente antes de regresar a cero para los últimos incrementos. También se muestra una curva de masa acumulativa que comienza en el origen y aumenta rápidamente hasta 1, antes de nivelarse y volverse horizontal en los incrementos finales.

Aunque los hidrogramas unitarios derivados de los datos de lluvia y de aforo de caudales constituyen el método preferido, para muchas cuencas no se cuenta con una cantidad suficiente de datos para derivarlos.

En estas zonas se suelen utilizar hidrogramas unitarios sintéticos. Los hidrogramas unitarios sintéticos suelen representar una cuenca hidrográfica sin la información de aforo de caudales adecuada y se generan a partir de la información disponible de numerosas cuencas dotadas de instrumentos de medición.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

El volumen total de la escorrentía directa y el área de la cuenca hidrográfica se utilizan para calcular _____.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es c).

Escoja una opción.

Pregunta 2

A la hora de elegir la tormenta adecuada para derivar un hidrograma unitario, no importa si el verdadero exceso de precipitación promedio de la cuenca no corresponde exactamente a una (1) unidad de altura.
(¿Verdadero o falso?)

La respuesta correcta es a).

No importa si el exceso de precipitación del episodio de tormenta no corresponde exactamente a una (1) unidad de altura. Los pasos que se siguen para derivar el hidrograma incorporan reajustes para compensar la diferencia entre una (1) unidad de altura de exceso de precipitación. De hecho, es más importante escoger una tormenta con una cobertura de precipitación uniforme que obtener exactamente una unidad de altura de exceso de precipitación.

Escoja una opción.

Pregunta 3

¿Con qué información debemos contar para derivar un hidrograma unitario a partir de los datos de lluvia y de aforo de caudales?
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son a), b), c) y e).

Además de los datos de lluvia y de aforo de caudales, para derivar un hidrograma unitario es necesario saber el tamaño de la cuenca hidrográfica, la contribución del caudal que corresponde al caudal base, el período a lo largo del cual se produjo el exceso de precipitación y la parte de la lluvia que se transforma en escorrentía directa o exceso de precipitación.

Escoja una opción.

Aplicación de la teoría del hidrograma unitario

A la hora de aplicar la teoría del hidrograma unitario, es preciso adaptarla a factores del mundo real.

Por ejemplo, con algunos modelos hidrológicos de escorrentía se utiliza un tipo distinto de hidrograma unitario. Además, normalmente es necesario contemplar cantidades de exceso de precipitación que no corresponden exactamente a una unidad de altura o que se producen durante intervalos distintos o a lo largo de varios intervalos.

La teoría del hidrograma unitario se puede aplicar tanto a eventos de lluvia como a eventos de deshielo.

Finalmente, puede haber hidrogramas unitarios basados en distintas unidades de medida.

En esta sección aprenderá a:

  • explicar los aspectos más importantes de la aplicación de la teoría del hidrograma unitario;
  • identificar las causas de que un hidrograma unitario no represente con precisión algunos episodios de lluvia;
  • describir el proceso de aplicar hidrogramas unitarios a tormentas que cubren múltiples duraciones.

Uso de los modelos de escorrentía

En este hidrograma de escorrentía se han identificado tres áreas.  Desde arriba, tenemos las áreas de escorrentía directa, de interflujo y de caudal base.  Cada una de ellas representa un subconjunto de la curva de escorrentía, la cual sube rápidamente hasta alcanzar el pico y luego desciende de forma más gradual hasta terminar en un punto final más alto que el punto inicial.  El tamaño relativo de cada una de estas tres áreas cambia según el evento de precipitación y la cuenca objeto de estudio.

Ciertos modelos de escorrentía, como el modelo Sacramento de humedad del suelo (SACramento-Soil Moisture Accounting, SACSMA), ya contemplan el interflujo, es decir, la parte de la escorrentía directa que se produce justo debajo de la superficie. Esto significa que antes de trabajar con un modelo de escorrentía conviene averiguar si será preciso incluir el interflujo u otra parte del flujo subsuperficial en el hidrograma, para evitar la posibilidad de incluir estos aspectos dos veces inadvertidamente en los resultados finales.

Comparación del hidrograma de un modelo de escorrentía y un hidrograma unitario tradicional.  La curva que alcanza un pico más alto más rápidamente es típica del hidrograma de un modelo de escorrentía y la curva que alcanza un pico más bajo más tarde corresponde a un hidrograma unitario tradicional.

El hidrograma unitario generado por un modelo de escorrentía cuyos cálculos ya separan el caudal base y el interflujo alcanzará un pico más alto antes que un hidrograma unitario tradicional, porque la escorrentía superficial llegará al curso de agua más rápidamente que la escorrentía subsuperficial (es decir, el interflujo). No obstante, cabe notar que el área debajo de las dos curvas es igual, ya que ambas representan una unidad de escorrentía.

Variaciones de magnitud de la lluvia

Hidrograma con tres curvas que ilustran las diferencias en la magnitud de la precipitación.  La curva simétrica verde de una unidad de precipitación alcanza su pico en aproximadamente 200 unidades de caudal.  La curva roja corresponde a dos unidades de exceso de precipitación.  La curva roja también es simétrica, y alcanza un pico de aproximadamente 400 unidades de caudal.  La curva azul corresponde a 0,5 unidades de exceso de precipitación.  Esta es simétrica y alcanza un pico de aproximadamente 100 unidades de caudal.

¿Cómo se adapta un hidrograma unitario a tormentas que presentan variaciones de magnitud de lluvia a lo largo del tiempo?

En este hidrograma unitario de 6 horas, una unidad de altura de exceso de lluvia produce el caudal máximo indicado en verde. Pero como en realidad durante ese período de 6 horas se produjeron dos unidades de altura de exceso de precipitación,

aplicamos un simple reajuste proporcional para que dos unidades de profundidad produzcan un caudal máximo dos veces mayor que una unidad de profundidad.

De forma análoga, media unidad de altura de exceso de precipitación produciría un caudal de la mitad de la magnitud de lo que produciría una unidad de altura de exceso de precipitación.

Variaciones de duración de la lluvia

Hidrograma con tres curvas que ilustran las diferencias en la duración de la precipitación.  La curva verde de 6 horas presenta una distribución normal (gaussiana) simétrica.  La curva roja de 1 hora alcanza un pico más alto más rápidamente que la curva de 6 horas.  La curva azul de 12 horas alcanza un pico más bajo más lentamente que la curva de 6 horas.

Recuerde que un hidrograma unitario de 6 horas representa el exceso de precipitación que se produce en 6 horas.

Consideremos ahora una situación en la cual se produce una (1) unidad de profundidad de exceso de precipitación en 1 hora, en lugar de 6; en este caso la respuesta de la cuenca hidrológica será más rápida y, por consiguiente, el pico se producirá antes. Además, la magnitud del pico será mayor, porque el volumen debajo de la curva es igual que en el caso del exceso de lluvia en 6 horas.

De forma análoga, si el período de exceso fuera de 12 horas en lugar de 6, la respuesta mostraría un pico de magnitud menor, y más tarde, pero siempre con el mismo volumen de escorrentía debajo de la curva.

Es importante usar la duración correcta al aplicar un hidrograma unitario. No obstante, es posible que la duración "correcta" no exista para el hidrograma unitario.

Por ejemplo, supongamos que usted cuenta con un hidrograma unitario de 6 horas y que acaba de pasar una tormenta que solo produjo 1 hora de exceso de precipitación. Podemos aplicar distintos métodos al hidrograma unitario existente para generar un hidrograma unitario de mayor o menor duración. Dos ejemplos de estos enfoques son los métodos "de retardo" y "curva en S".

Múltiples intervalos de tiempo

Gráfica de barras del promedio horario de exceso de precipitación para un período de 24 horas con precipitación ininterrumpida. A nivel local, se producen máximos en 4, 6, 7, 15 y 23 horas.  La cantidad de precipitación registrada en la hora 15 constituye el máximo absoluto.

Vamos ahora a considerar una situación más realista y complicada, en la que el exceso de lluvia se produce a lo largo de un período de 24 horas. Las cantidades horarias varían entre menos de la décima parte de una unidad y más de media unidad de altura de exceso de lluvia.

El único hidrograma unitario disponible es para una duración de 6 horas y, por tanto, no coincide con la duración de 24 horas del exceso de lluvia de este caso.

Gráfica de barras del promedio horario de exceso de precipitación para un período de 24 horas resaltada con colores para distinguir cuatro períodos de 6 horas (horas 0 a 6 en verde, horas 6 a 12 en azul, horas 12 a 18 en rojo y horas 18 a 24 en amarillo).

En primer lugar, tenemos que examinar bien el gráfico de barras para ver si podemos separar el período de 24 horas en segmentos de 6 horas. Como muestran los segmentos en color, parece que sí, es posible obtener cuatro períodos de 6 horas con magnitudes relativamente constantes.

Curvas de hidrograma del mismo color que las barras correspondientes a los cuatro períodos de la imagen anterior.  La curva de hidrograma verde está más cerca del origen, y va seguida de las curvas azul, roja y, finalmente, amarilla, la cual se extiende hasta el final del eje x.  Cada curva alcanza su pico en el momento final su correspondiente período (p. ej., la curva de hidrograma roja alcanza su pico en la hora 18).  Los extremos de las curvas se solapan levemente.

Ahora que contamos con cuatro períodos de exceso de lluvia, cada uno de los cuales coincide con la duración del hidrograma unitario, podemos aplicar el hidrograma unitario a sendos intervalos de 6 horas.

Fíjese en los hidrogramas unitarios reajustados de cada período. Por supuesto que el gráfico del período 3, en rojo, correspondiente al exceso de lluvia de mayor magnitud, va a tener una magnitud mayor.

Curva que representa la suma de las cuatro curvas de la gráfica anterior.  Esta curva se obtiene conectando los puntos intermedios desde el origen a través de los cuatro picos y de vuelta a cero al final del período de 24 horas.

Finalmente, podemos sumar los cuatro hidrogramas para obtener un solo hidrograma como el que se muestra con la línea negra. De esta forma usamos los hidrogramas unitarios de 6 horas para obtener el hidrograma de un evento de 24 horas de duración. Es decir, usamos múltiples períodos para derivar un único hidrograma para toda la tormenta. Este hidrograma final muestra la escorrentía directa para el evento de exceso de lluvia de 24 horas.

A veces denominamos convolución a este proceso para combinar hidrogramas.

El deshielo como exceso de precipitación

Masa teórica de nieve que al fundirse deja una masa de agua mucho menor.

Los datos de entrada para el modelo de escorrentía pueden ser lluvia, deshielo o una combinación de los dos. La teoría del hidrograma unitario se aplica dentro del modelo de escorrentía.

Por consiguiente, no importa si el exceso de precipitación empleado con el hidrograma unitario proviene de lluvia o de deshielo. El modelo de escorrentía y, por tanto, la teoría del hidrograma unitario tratan a ambos tipos de datos de entrada de forma igual. No obstante, al trabajar con la escorrentía producida por deshielo, se deben tener presentes otros aspectos relacionados, como, por ejemplo, si el suelo está congelado o la presencia de hielo fluvial.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

Si 1 cm de exceso de precipitación produce un caudal máximo de 30 m3/s en un hidrograma unitario estándar, 2 cm de exceso con la misma duración producirían _____ m3/s.
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es c).

Si 1 cm de exceso de lluvia produce 30 m3/s, dos veces tanto (2 cm) producirá el doble de flujo, o sea, 60 m3/s.

Escoja una opción.

Pregunta 2

Típica curva de hidrograma unitario simétrico; el tiempo que aumenta sobre el eje x y el caudal sobre el eje y.  Están marcados los cinco puntos siguientes: a) se halla directamente encima del medio de la rama ascendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  b) se halla directamente encima del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  c) se halla directamente encima del medio de la rama descendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  d) se halla directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la cuarta parte de la magnitud del valor máximo, y e) está directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.

Examine este hidrograma estándar de 6 horas. ¿Dónde alcanzará su pico esta curva si solo se produce media unidad de altura de exceso de precipitación?
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es e).

Típica curva de hidrograma unitario simétrico; el tiempo que aumenta sobre el eje x y el caudal sobre el eje y.  Están marcados los cinco puntos siguientes: a) se halla directamente encima del medio de la rama ascendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  b) se halla directamente encima del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  c) se halla directamente encima del medio de la rama descendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  d) se halla directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la cuarta parte de la magnitud del valor máximo, y e) está directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  El pico de otra curva verde atraviesa la letra e).

Si solo se produce media unidad de exceso de precipitación, el hidrograma unitario mostrará solo la mitad de la magnitud máxima. El desarrollo temporal y la forma no cambiarán.

Escoja una opción.

Pregunta 3

Típica curva de hidrograma unitario simétrico; el tiempo que aumenta sobre el eje x y el caudal sobre el eje y.  Están marcados los cinco puntos siguientes: a) se halla directamente encima del medio de la rama ascendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  b) se halla directamente encima del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  c) se halla directamente encima del medio de la rama descendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  d) se halla directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la cuarta parte de la magnitud del valor máximo, y e) está directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.

¿Dónde alcanzará su pico la curva si se produce 1 unidad de altura de exceso de precipitación en 3 horas en lugar de 6?
(Escoja la mejor opción.)

La respuesta correcta es a).

Típica curva de hidrograma unitario simétrico; el tiempo que aumenta sobre el eje x y el caudal sobre el eje y.  Están marcados los cinco puntos siguientes: a) se halla directamente encima del medio de la rama ascendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  b) se halla directamente encima del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  c) se halla directamente encima del medio de la rama descendente en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  d) se halla directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la cuarta parte de la magnitud del valor máximo, y e) está directamente debajo del pico de la curva en un punto que equivale aproximadamente a la mitad de la magnitud del valor máximo.  El pico de otra curva verde atraviesa la letra a).

El hidrograma unitario de 3 horas alcanzará un pico mayor más rápidamente que el hidrograma unitario de 6 horas, pero el volumen de agua que representa quedará igual.

Escoja una opción.

Consideraciones de pronóstico

Foto de lluvia que se desprende de una nube en las grandes planicies de Estados Unidos.

Como ya mencionamos, la duración y extensión de los eventos de lluvia rara vez son uniformes. El episodio de lluvia típico es impulsado por influencias de mesoescala tanto en la atmósfera como en la superficie terrestre. Al promediar la precipitación para una cuenca, se eliminan las máximas y mínimas de precipitación que se producen normalmente en toda la cuenca hidrográfica.

Con el fin de ajustar el pronóstico para que coincida mejor con los episodios de precipitación a medida que ocurren, debemos estar conscientes de las condiciones que violan las suposiciones básicas de la teoría del hidrograma unitario.

En esta sección aprenderá a:

  • reconocer las implicancias para el pronóstico cuando se aplica la teoría del hidrograma unitario a episodios de precipitación reales;
  • describir los posibles efectos que la cobertura de la tormenta y ciertos cambios que pueden darse en la cuenca pueden producir en los datos de un hidrograma real.

Cobertura de la tormenta

Animación que muestra el análisis de un frente frío en imágenes compuestas de reflectividad base de radar Doppler para el noreste de Estados Unidos.  La precipitación más intensa se detecta a lo largo y justo después del frente frío.

La cobertura no uniforme de la precipitación en una cuenca viola la suposición básica de uniformidad. La cobertura en una cuenca puede variar tanto en el porcentaje de la superficie que se ve afectada como en las regiones específicas que reciben la precipitación. El resultado puede ser una respuesta fluvial considerablemente distinta de la respuesta que predice la teoría del hidrograma unitario.

Imagen capturada de una animación que muestra un pequeño núcleo de lluvia intensa en una cuenca y su correspondiente hidrograma comparado con la cobertura de precipitación intensa generalizada sobre toda la cuenca y su correspondiente hidrograma.  El pico del hidrograma del foco de precipitación intensa es mucho más alto y ocurre levemente más tarde que el del escenario de precipitación generalizada.

Por ejemplo, supongamos un caso hipotético en el cual se producen 5 unidades de altura de lluvia sobre la décima parte de la superficie de una cuenca, mientras el resto de la cuenca no recibe precipitación alguna. En este caso, una vez promediada la precipitación parecería que la cuenca recibe media unidad de altura. Dependiendo del modelo de escorrentía empleado, es posible que media unidad de altura no sea suficiente lluvia para producir una escorrentía significativa. Sin embargo, en la zona de la cuenca que recibió 5 unidades de altura puede haber escorrentía considerable que aparece como una respuesta importante en el canal fluvial.

Distribución no uniforme

Imagen capturada de una animación que muestra una zona de precipitación en la región de cabecera de una cuenca y su correspondiente hidrograma comparado con una zona de precipitación en la región aguas abajo cerca de la estación de aforo de la cuenca y su correspondiente hidrograma.  El pico del hidrograma de la precipitación aguas abajo es mucho más alto y ocurre antes que el de la precipitación aguas arriba.

Supongamos ahora que la zona de la cuenca hipotética que recibe 5 unidades de altura de lluvia se halla en la cabecera (el extremo aguas arriba). Para cuando esa escorrentía alcance el punto de pronóstico en el desagüe de la cuenca, puede ser insignificante debido a la atenuación de la onda de crecida a medida que se desplaza aguas abajo. Sin embargo, es enteramente posible que se hayan producido inundaciones en el área de lluvias más intensas.

A la inversa, si suponemos que las 5 unidades de altura cayeron en una zona hacia el final de la cuenca, la respuesta en el punto de pronóstico en el desagüe de la cuenca puede ser considerable.

Movimiento de la tormenta

Imagen capturada de una animación que muestra una zona de precipitación que se desplaza aguas arriba de una cuenca y su correspondiente hidrograma comparado con una zona de precipitación que se desplaza aguas abajo en la cuenca y su correspondiente hidrograma.  El hidrograma de una zona de precipitación que se desplaza aguas abajo en la cuenca alcanza un pico más alto y más tarde en comparación con el de una zona de precipitación que se desplaza aguas arriba.

Al igual que la distribución de la tormenta, su movimiento también presenta problemas relacionados con la cobertura, porque viola la suposición de cobertura temporal uniforme.

Incluso si la precipitación media en la cuenca es uniforme, pero la lluvia cae en momentos distintos en distintas partes de la cuenca, pueden producirse desviaciones considerables de la respuesta fluvial que predice la teoría del hidrograma unitario.

Considere una tormenta que se desplaza aguas abajo por la cuenca, desde la cabecera hacia el desagüe. El exceso de precipitación se genera mucho más rápidamente en el desagüe que en la cabecera de la cuenca. Esto se debe a que el agua que fluye corriente abajo alcanza las áreas más abajo justo cuando la escorrentía local se incorpora al caudal. El resultado es una curva ascendente más empinada, con un pico más alto de lo que se produciría si la precipitación fuera uniforme a lo largo del tiempo en toda la cuenca, tal como la representa el hidrograma unitario.

A la inversa, si la tormenta se desplaza aguas arriba, el pico será menor y estará distribuido lo largo de un período mayor.

Cambios en la cuenca

Imagen capturada de una animación que compara dos hidrogramas, uno para un caso en una zona rural y otro para un caso en una zona urbana.  El pico en la curva del hidrograma del caso en una zona urbana es mayor y se alcanza en menos tiempo en comparación con el caso rural.

Los cambios que se producen en la cuenca pueden también afectar a la utilidad del hidrograma unitario. Por ejemplo, considere el hidrograma unitario de una cuenca en la que se desarrollan principalmente actividades agrícolas y donde también hay arboladas.

Considere ahora una situación en la que se ha producido un desarrollo urbano considerable en esa cuenca desde que se derivó el hidrograma unitario. A menudo la urbanización causa un aumento en la cantidad de escorrentía y la rapidez con que se produce, de modo que es probable que ahora el caudal máximo sea mayor y se produzca antes de lo que predice el hidrograma unitario.

También pueden darse otros cambios en las cuencas capaces de aumentar la escorrentía, como la deforestación, los incendios forestales y el congelamiento del suelo.

Preguntas de repaso

Pregunta 1

Un hidrograma de escorrentía muestra que el pico de descarga de una cuenca se produce antes y con mucho mayor intensidad de lo esperado. Usted considera que los valores de precipitación y escorrentía empleados son válidos. Además, el hidrograma unitario de 6 horas para esta cuenca siempre ha dado buenos resultados en el pasado. ¿Cuál puede ser el problema?
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son a) y c).

Un pico mayor y más rápido puede ser el resultado de 1) una tormenta que se desplaza aguas abajo por la cuenca con el tiempo, 2) una tormenta concentrada en la parte inferior de la cuenca y 3) cambios en el uso del suelo dentro de la cuenca, como urbanización o incendios forestales.

Escoja una opción.

Pregunta 2

Se produce un área de intensa lluvia convectiva en la quinta parte del área de una cuenca durante 3 horas mientras que en el resto de la cuenca no se registra precipitación. La lluvia media para la cuenca es de 5 mm, que según la teoría del hidrograma unitario sugiere muy poca respuesta fluvial en el desagüe de la cuenca. ¿Por qué podría esto conducir a conclusiones equivocadas?
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Las respuestas correctas son b) y c).

Como la quinta parte de la cuenca recibió toda la lluvia y el promedio para la cuenca fue de 5 mm, esa quinta parte de la cuenca recibió 25 mm de lluvia. De acuerdo con la teoría del hidrograma unitario, se usó el promedio de la cuenca de 5 mm, porque supone una cobertura uniforme de precipitación. Aunque esos 5 mm pueden no producir mucha escorrentía directa, en realidad el foco de lluvias intensas de 25 mm puede producir escorrentía considerable a nivel local que puede aparecer en el desagüe de la cuenca.

Escoja una opción.

Pregunta 3

Imagen de radar de la precipitación total producida en 12 horas por una tormenta tropical sobre una cuenca hidrográfica.  Los colores cálidos en las zonas del centro y este de la cuenca indican entre 100 y 200 mm de precipitación, mientras que los colores morados y grises en la mitad occidental de la cuenca indican entre 1 y 25 mm de precipitación.

Supongamos que una tormenta está produciendo un exceso de precipitación promedio para la cuenca distinto de una unidad de altura. Además, ese exceso de precipitación no representa una cobertura uniforme ni en tiempo ni en espacio. ¿Qué ajustes debe hacer en las predicciones hidrológicas?
(Escoja todas las opciones pertinentes.)

Dependiendo de la situación y de la experiencia de la persona a cargo de generar el pronóstico, ambas respuestas pueden ser correctas:

Si usted sabe que se han violado considerablemente las suposiciones de la teoría del hidrograma unitario (por ejemplo, si ha habido una concentración intensa de convección en el extremo de desagüe de la cuenca), podría optar por hacer que el hidrograma unitario alcance un pico mayor antes de lo esperado. Saber en qué medida alterar el hidrograma unitario requiere un cierto grado de experiencia.

Otro enfoque consiste en ajustar el hidrograma del pronóstico directamente, pero no el hidrograma unitario. En este caso, la idea es que el hidrograma unitario está bien y no requiere modificaciones. Si la distribución de la precipitación viola las suposiciones de la teoría del hidrograma unitario, será preciso realizar ajustes en los pronósticos finales.

Finalmente, se pueden ajustar los datos de entrada de lluvia y escorrentía, si hay motivo para pensar que pueden ser inexactos.

Escoja una opción.

Resumen

  • El hidrograma unitario se utiliza para estimar el caudal o flujo fluvial a partir de una precipitación media en la cuenca.
  • El hidrograma unitario brinda información acerca del caudal dada una (1) unidad de exceso de precipitación en toda.
  • Un hidrograma unitario es un tipo de hidrograma especial que muestra los efectos del exceso de precipitación, que también se denomina escorrentía directa, flujo directo o escurrimiento.

Terminología y suposiciones

  • Terminología importante de la teoría del hidrograma unitario:
    • La escorrentía directa o exceso de precipitación es la parte de la precipitación que se desplaza rápidamente hacia el canal fluvial.
    • El caudal base es el flujo a largo plazo que abastece de agua los arroyos durante los períodos secos.
    • La línea de separación del caudal base es la línea del hidrograma de escorrentía que separa de forma aproximada el aporte del caudal base y la escorrentía directa.
    • La curva ascendente de un hidrograma de escorrentía es la parte de la curva del hidrograma que asciende desde el caudal base hasta el caudal máximo.
    • La curva de recesión de un hidrograma de escorrentía es la parte de la curva que desciende desde el caudal máximo hasta volver al caudal previo al episodio de escorrentía.
    • El punto de inflexión es el punto en la curva de recesión donde la pendiente de la curva cambia más rápidamente. Este punto indica el momento en que el caudal base vuelve a ser el elemento dominante que aporta al caudal.
    • La duración de un hidrograma unitario se refiere a la cantidad de tiempo que tarda en producirse el exceso de precipitación.
    • En la teoría del hidrograma unitario, el tiempo al pico es el intervalo entre el medio del período de exceso de precipitación y el momento de caudal máximo.
    • El tiempo de concentración es el intervalo que transcurre entre el momento en que la curva del hidrograma de escorrentía comienza a ascender hasta que el caudal base vuelve a ser el elemento dominante que aporta al caudal.
  • La teoría del hidrograma unitario supone que la distribución del exceso de precipitación es uniforme tanto en extensión como en duración a lo largo de la cuenca.

Creación de un hidrograma unitario

  • El proceso para derivar un hidrograma unitario a partir de los datos observados de precipitación, de la cuenca y de caudal implica seis pasos:
    1. Seleccionar la tormenta adecuada (velocidad y cobertura uniformes)
    2. Eliminar la contribución de caudal base para que solo se vean los efectos de la escorrentía directa
    3. Calcular el volumen de agua en la escorrentía directa
    4. Usar el volumen de agua y el tamaño de la cuenca para calcular la altura del exceso de precipitación media para la cuenca
    5. Ajustar el hidrograma para que represente una (1) unidad de altura media en la cuenca
    6. Calcular la duración del exceso de precipitación
  • Los hidrogramas unitarios sintéticos se pueden usar cuando no se cuenta con suficientes datos sobre una cuenca para derivar un hidrograma unitario.

Aplicación de la teoría del hidrograma unitario

  • Si trabaja con un modelo de escorrentía, es posible que trabaje con un tipo distinto de hidrograma unitario en el cual:
    • se ha eliminado el interflujo;
    • se alcanza un pico más alto con mayor rapidez de lo que es el caso con los hidrogramas unitarios tradicionales.
  • Para los eventos del mundo real, la teoría del hidrograma unitario se puede utilizar para generar un hidrograma de escorrentía para:
    • episodios de exceso de precipitación que cubren múltiples períodos,
    • episodios de exceso de precipitación que no son de una unidad de altura,
    • distintas duraciones de exceso de precipitación,
    • episodios de deshielo.

Consideraciones de pronóstico

Debido a que la teoría del hidrograma unitario presupone que la duración y extensión de los eventos de precipitación es uniforme y las características de la cuenca no cambian, debemos tener presentes los efectos de los factores siguientes:

  • Cobertura de la tormenta dentro de la cuenca
    • Una precipitación intensa a nivel local puede provocar un caudal máximo mayor de lo que sugiere el hidrograma unitario.
  • Distribución de la tormenta dentro de la cuenca
    • Si la tormenta se concentra en la zona de desagüe de la cuenca, produce un caudal máximo más rápido y posiblemente más alto.
  • Movimiento de la tormenta dentro de la cuenca
    • El movimiento de la tormenta aguas abajo suele producir caudales máximos más rápidos y más altos.
  • Cambios en la superficie de la cuenca
    • Los cambios en la utilización del suelo, como el desarrollo urbano, pueden producir caudales máximos más más altos con mayor rapidez.

Colaboradores

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  • NOAA National Environmental Satellite, Data and Information Service (NESDIS)
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Infografía/Diseño de interfaz

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Traducción al español

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Meteorólogo visitante del Servicio Meteorológico de Canadá (MSC)

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