Particularización al método de los coeficientes de escorrentía

1 M todo de los coeficientes de escorrent a. Mauco Generalizado _____. Particularizaci n al m todo de los coeficientes de escorrent a Introducci n La escorrent a superficial provocada por un aguacero (Es) puede compararse con la precipitaci n ca da (P). Al cociente entre ambos valores se le denomina coeficiente de escorrent a (C). Es C=. P. El coeficiente de escorrent a depende de numerosos factores: del tipo de precipitaci n (lluvia, nieve o granizo), de su cantidad, de su intensidad y distribuci n en el tiempo; de la humedad inicial del suelo; del tipo de terreno (granulometr a, textura, estructura, materia org nica, grado de compactaci n, pendiente, microrrelieve, rugosidad), del tipo de cobertura vegetal existente; de la intercepci n que provoque; del lapso de tiempo que consideremos (minutos, duraci n del aguacero, horas, d as, meses, un a o), etc tera. El coeficiente de escorrent a puede tomar valores comprendidos entre cero y uno. 0 C 1. En el caso de la lluvia, su intensidad resulta fundamental en el proceso de producci n de escorrent a superficial.

2 No as para el granizo y la nieve, pues es la velocidad de fusi n quien regula el fen meno. El tipo de terreno influye sobremanera en C. Las dos propiedades f sicas del suelo que mejor explican la formaci n de escorrent a superficial durante un aguacero son la capacidad de infiltraci n y la permeabilidad. As , se puede definir el coeficiente de escorrent a instant neo (C(t)) como: i (t ) f (t ). C (t ) = (Mart nez de Azagra & Navarro, 1996). i (t ). siendo: i(t) = la intensidad de lluvia en el instante t f(t) = la tasa de infiltraci n en dicho instante t. La humedad inicial del suelo y su evoluci n a lo largo del aguacero influyen notablemente. Baste con mencionar la tendencia decreciente de la tasa de infiltraci n hasta alcanzar un valor asint tico que se relaciona con la permeabilidad (o conductividad hidr ulica) del terreno. En los primeros minutos de un episodio de lluvia, la intercepci n altera la intensidad del aguacero que incide sobre el suelo, de manera que si hacemos intervenir este efecto en la definici n del coeficiente de escorrent a instant neo, podemos escribir: _____ 1.

3 Andr s Mart nez de Azagra Paredes (2006) M todo de los coeficientes de escorrent a. Mauco Generalizado _____. i (t ) it (t ) f (t ). C (t ) =. i (t ). siendo it(t) la interceptaci n instant nea. Su valor decrece hasta hacerse muy reducido en aguaceros largos e intensos, como puede comprobarse analizando modelos de intercepci n (Kittredge (1948), Rutter et al. (1971), Gash (1979), etc.). Antes de nada y sobre todo, la presencia de vegetaci n, su densidad, estructura, altura, tiempo de instalaci n y permanencia son determinantes en el proceso de infiltraci n (o en su reverso: la formaci n de escorrent a superficial). La velocidad de infiltraci n en suelos forestales es muy superior a la que presentan los suelos agr colas correspondientes, que a su vez es muy superior a la de los suelos urbanos. Ello se debe al elevado contenido en materia org nica de los suelos que soportan vegetaci n natural evolucionada, a la acci n de las ra ces primarias y secundarias creando innumerables canalillos hasta el subsuelo, al aumento de oportunidad de infiltraci n por disminuir la vegetaci n la velocidad de escurrido y a la imposibilidadad de que se formen encostramientos superficiales (tastanas) en el suelo gracias a la acci n protectora de la tamuja u hojarasca.

4 En el extremo opuesto se encuentran los terrenos m s antropizados (suelos urbanos e industriales, o v as de comunicaci n), que incluyen proporciones elevadas de suelos impermeabilizados (Mart nez de Azagra &. Navarro, 1996). La pendiente aumenta el coeficiente de escorrent a, pues una misma microtopograf a embalsa m s agua en terrenos tendidos que en terrenos empinados (como se aprecia en la figura 1). A su vez, al aumentar la escorrent a superficial, crece la erosi n h drica, que lima el microrrelieve del terreno, alisando la ladera y reduciendo las microdepresiones. Ambos motivos explican la dependencia del coeficiente de escorrent a (C) de la pendiente. Conviene a adir, que los dos efectos se alados no inciden en superficies pr cticamente lisas (tejados, zonas asfaltadas, etc.), de manera que en tales superficies no cabe esperar tal dependencia. Figura 1: La pendiente incide sobre el coeficiente de escorrent a El lapso de tiempo al que se refiere el coeficiente de escorrent a hace variar su valor (y hasta su significado).

5 As , cabe hablar de coeficiente de escorrent a instant neo (C(t)), de coeficiente de escorrent a instant neo m ximo _____ 2. Andr s Mart nez de Azagra Paredes (2006) M todo de los coeficientes de escorrent a. Mauco Generalizado _____. (m x(C(t)); de coeficiente de escorrent a medio; de coeficiente de escorrent a anual, etc tera. El coeficiente de escorrent a instant neo es nulo desde el comienzo del aguacero hasta que se alcanza el tiempo de encharcamiento. Sus m ximos instant neos se corresponden con los momentos de m xima intensidad de lluvia y/o con las partes finales del chubasco (en las que el suelo muestra la menor tasa de infiltraci n, al estar muy h medo). El coeficiente de escorrent a medio (Cm(t)) se define mediante la integral: t t i(t ) it (t ) f (t ). Cm (t ) = C (t ) dt = dt 0 0. i (t ). Representa el coeficiente de escorrent a medio desde el comienzo del aguacero (t=0) hasta un instante dado t. Para un aguacero de intensidad constante va en aumento seg n transcurre el tiempo, tomando el valor m ximo al final del episodio de lluvia.)

6 El comportamiento del coeficiente de escorrent a medio para aguaceros intensos reales (en los que i(t) cte) suele ser similar. A su vez, dicho coeficiente toma valores tanto mayores cuanto mayor sea el chubasco (o dicho de otra manera: cuanto mayor sea su periodo de retorno). La expresi n inicial que nos ha servido para introducir el concepto de E. coeficiente de escorrent a ( C = s ) se corresponde con el coeficiente de P. escorrent a medio desde el comienzo hasta el final del aguacero, es decir: con Cm(D), siendo D la duraci n del aguacero. Otra forma habitual de introducir el concepto de coeficiente de escorrent a consiste en acudir a la expresi n del m todo racional para estimar caudales m ximos (Chow et al., 1988; Singh, 1988): _. Qmax = 0,28 C i S. siendo Qmax el caudal m ximo o punta (en m3/s), i la intensidad de lluvia que lo _. provoca (en mm/h), C el coeficiente (m ximo) de escorrent a superficial para la intensidad de lluvia considerada, y S la superficie de la cuenca (en km2).

7 A partir _. del m todo racional se puede definir C como un cociente entre el caudal punta y la intensidad de lluvia: _. 1 Qmax Q. C= = k max 0,28 S i i En muchos tratados y aplicaciones pr cticas de Hidrolog a se confunde E _. C (= s ) con C . Sin embargo, no conviene identificar ambos cocientes, pues P. difieren tanto conceptualmente como en su valor num rico. _____ 3. Andr s Mart nez de Azagra Paredes (2006) M todo de los coeficientes de escorrent a. Mauco Generalizado _____. Acudiendo al excelente y cl sico libro de Hidrolog a de Vijay P. Singh _. (1988), el coeficiente de escorrent a C es el cociente entre el caudal punta en la secci n de cierre y la intensidad media de lluvia ca da en la cuenca. Representa la fracci n del aguacero que se convierte en escorrent a superficial en el rea de drenaje de la cuenca. Dicha fracci n depende de caracter sticas del aguacero y de la topograf a e infiltraci n de la cuenca. Se trata de un coeficiente de escorrent a medio m ximo, referido al intervalo de tiempo Tc (el tiempo de concentraci n de la cuenca), es decir: t1 +Tc t1 +Tc _ i (t ) it (t ) f (t ).

8 C t1 = . t1. = . t1. i (t ). dt y _. _ . C = max C t1 .. La mayor parte de las tablas y bacos que permiten fijar coeficientes de escorrent a (v ase el apartado 5 de este mismo trabajo), se refieren al coeficiente _. C , pues han sido desarrollados para su utilizaci n en el m todo racional de estimaci n de caudales punta (o en alguna de sus m ltiples variantes). Su utilizaci n para estimar el coeficiente de escorrent a medio (C = Cm(D)) es _. conceptualmente incorrecta (pues C C) aunque constituya una simplificaci n _. que suela estar del lado de la seguridad (ya que habitualmente: C > C). Podemos ver aqu c mo la Hidrolog a Cl sica y la Hidrolog a de Conservaci n de Aguas difieren. En cierto modo hasta se contravienen. En el primer caso, la Hidrolog a Cl sica, afanada como est en estudiar el agua que se va, utiliza un coeficiente de escorrent a relacionado con los caudales punta, en _. vez de con los vol menes de escorrent a superficial a infiltrar ( C en vez de C!)

9 En muchas publicaciones de Hidrolog a (sobre todo para la estimaci n del caudal m ximo provocado por un aguacero en peque as cuencas hidrogr ficas _. urbanas) figuran tablas que orientan sobre el coeficiente de escorrent a ( C ) a elegir. Estos valores suelen ser bastante conservadores para que puedan ser usados en el dise o del alcantarillado o de las cunetas con un buen margen de seguridad, es decir: dan valores por exceso. Adem s y en muchos casos, las tablas ofrecen un amplio rango de valores. As , el ingeniero debe elegir el _. coeficiente de escorrent a ( C ) acudiendo a su buen criterio y experiencia, lo que ha terminado por desprestigiar el m todo racional, como bien expone Singh _____ 4. Andr s Mart nez de Azagra Paredes (2006) M todo de los coeficientes de escorrent a. Mauco Generalizado _____. _. (1988). Por ltimo, aqu llos autores que igualan C con C incorporan una imprecisi n adicional nada desde able. El caso extremo opuesto al de coeficiente de escorrent a instant neo (C(t)).

10 Lo constituye el coeficiente de escorrent a anual (e), que se obtiene dividiendo la aportaci n espec fica de la cuenca (a) entre la precipitaci n anual ponderada _. ca da en la cuenca ( P ). En este caso, la aportaci n espec fica se debe a la escorrent a superficial, hipod rmica y subterr nea que alcanzan la secci n de cierre de la cuenca (Mart nez de Azagra y Navarro, 1996). a e= _. P. El modelo del coeficiente de escorrent a es muy intuitivo y sencillo de aplicar. Resulta muy ilustrativo pero sus resultados suelen ser poco fiables. El problema radica en conseguir fijar el coeficiente de escorrent a (C) de forma precisa. Hasta la fecha no se han desarrollado tablas de validez contrastada para terrenos agr colas y forestales. S lo existen tablas orientativas, diversas y muy dispares, lo que aumenta la inseguridad de quien las aplica y siempre referidas a _. C (en vez de a C). Al respecto, cons ltese el apartado 5 y comp rense los valores dados en las diferentes tablas para comprobar las fuertes discrepencias que encierran.