Hid sup 3

F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) (2012) http://hidrologia.usal.es Pág. 1
Hidrología Superficial (III):
Relación Precipitación - Escorrentía
Uno de los objetivos principales de la Hidrología Superficial es calcular la escorrentía se va a
generar si se produce una precipitación determinada (calcular el hidrograma que va a generar un
hietograma). El tema es muy complejo y se plantean actuaciones diversas:
 Un evento concreto o el proceso continuo: A veces estudiamos qué caudales generará cierta
precipitación, o bien queremos conocer el proceso de un modo continuo, por ejemplo, el
funcionamiento de la cuenca a lo largo de un año.
 Precipitaciones reales o supuestas: Podemos desear calcular los caudales generados por
unas precipitaciones reales o bien trabajamos con una tormenta de diseño para calcular el
hidrograma de diseño. Si se va a construir una obra (canal, presa,...) debe hacerse sobre
caudales teóricos que calculamos que se generarán por unas precipitaciones teóricas que se
producirán una vez cada 100 años.
En el estudio de una cuenca real con datos reales es necesario utilizar un modelo en ordenador,
en el que se introducen las características físicas de la cuenca. En otras ocasiones es posible
abordar el problema manualmente.
Muy esquemáticamente, las fases del proceso son las siguientes (los números 1 a 6 del esquema
que se presenta en la página siguiente):
1, 2. Separación de la lluvia neta (calcular qué parte de la precipitación caída va a generar
escorrentía superficial)1
. (Ver la Práctica "Cálculo de la Precipitación Neta por el
método del SCS.")
3, 4. Cálculo de la escorrentía producida por esa precipitación neta. Existen diversos
métodos: Método Racional, Hidrogramas sintéticos, Hidrograma Unitario,...
El hidrograma calculado se suma al caudal base, si existía previamente
5. Cálculo de la variación del hidrograma calculado en el paso anterior a medida que circula a
lo largo del cauce; esto se denomina “tránsito de hidrogramas”, y no lo vamos a tratar
aquí. (Ver el tema "Tránsito de hidrogramas")
6. Opcionalmente, y teniendo en cuenta la geometría del cauce en una zona concreta, calcular
la altura que alcanzará el agua, y, por tanto, las áreas que quedarán inundadas cuando
el hidrograma calculado en los pasos anteriores pase por allí. Se pueden realizar cálculos
aproximados de la sección inundable, pero para un cálculo fiable es necesario utilizar el
programa HEC-RAS.
En este tema vamos a abordar de modo simplificado el punto 3, es decir: suponiendo que
tenemos datos de precipitación neta, calcular el hidrograma que se genera; aunque en uno de los
procedimientos (el “Método Racional”) se incluye la apreciación del punto 1: evaluar qué parte
de la precipitación genera escorrentía directa.
1
Para este concepto se utilizan también las denominaciones: Precipitación eficaz, efectiva, o en exceso (traducción
literal del inglés); o lluvia eficaz, etc.
En inglés: excess rainfall, effective rainfall, net rainfall (o excess precipitation, etc)
Francés: pluie excedentaire, pluie utile, pluie efficace, pluie nette.

P P neta
Pneta
Q
tiempo
Q
tiempo
Q
tiempo
P
Retardo
Separación
de la
Precipita-
ción neta
Hietograma: Para precipitaciones reales se obtiene de un
pluviógrafo, aunque estos cálculos no suelen realizarse con una
precipitación que ya sucedió sino con intensidades de
precipitación calculadas estadísticamente ("precipitaciones de
diseño"), Su distribución en el tiempo (la forma del hietograma)
puede calcularse o puede estar catalogada previamente
dependiendo de la zona geografica.
1 El cálculo de qué parte de la precipitación va a generar
escorrentía puede realizarse para cada incremento de tiempo
(p.e. hora a hora), como indica el dibujo, o para todo el aguacero
conjuntamente,
Por ejemplo: con el método SCS o simplemente aplicando un
coeficiente de escorrentía calculado o estimado.
2 Aquí representamos la precipitación neta separadamente
3 En esta fase calculamos el hidrograma
generado popr la precipitación neta
(Método Racional, hidrogramas sintéticos,
hidrograma unitario)
5 Si el hidrograma calculado aún debe
recorrer cierta distancia hasta llegar a
la zona de interés, debemos calcular el
tránsito de la avenida : retardo y
atenuación –disminución del caudal
punta– (p.e.: método Muskingum)
6 El hidrograma calculado (y, en
su caso, transitado) provocará una
altura de inundación que
dependerá de la geometría del
cauce (y de sus áreas colindantes),
de la pendiente, del tipo de cauce,
etc
(Programa HEC-RAS, o
aproximación con la fórmula de
Manning)
Cálculo del caudal
generado por la
Precipitación neta
2
1
3
Cálculo de la
sección y de las
áreas inundables
4 Le añadimos el caudal básico si existía
previamente
+ Caudal
base
Tránsito del
caudal
4
5
6

Algunos procesos de cálculo que estudiamos a continuación mezclan algunas de las fases que
acabamos de diferenciar. Por ejemplo, el método Racional engloba los pasos 1 y 3 (evalúa qué
parte de la lluvia es neta y la convierte en caudal), o el método de Clark básicamente trabaja la
fase 3, pero considerando la 5 (calcula el caudal teniendo en cuenta el tránsito del mismo a lo
largo de la cuenca).
Cálculo de la Precipitación neta
Como se indica en el esquema anterior, en la fase 1 debemos separar qué parte de la
precipitación total va a generar escorrentía directa . El resto de la precipitación se denominan
abstracciones (en inglés, loss, pérdidas); esta parte, las abstracciones, puede haber quedado
retenida sobre la vegetación (interceptación), retenida en depresiones superficiales, o bien se ha
infiltrado en el suelo.
En muchos textos (concretamente en el modelo HMS, que comentamos al final de este tema), se
refieren a esta etapa como de cálculo de las pérdidas (Loss).
El cálculo de la P neta puede abordarse a partir del estudio de la infiltración: medidas,
ecuaciones y modelos que reflejan la capacidad de infiltración y su evolución con el tiempo.
Más sencilla es la evaluación del S.C.S., que, mediante tablas y ecuaciones sencillas, evalúa el
porcentaje de precipitaciones que produce escorrentía directa, en función de los siguientes
factores: (1) Tipo de suelo; distingue sólo 4 tipos. (2). Utilización de la tierra: pastizal, cultivo,
bosque, urbanizado,...(3) Pendiente (4) Humedad previa del suelo, basada en las precipitaciones
producidas durante los 5 días anteriores.
(Ver el documento "Cálculo de la Precipitación Neta con el método del S.C.S." en la sección
"Prácticas Superficial").
Tiempo de concentración
El tiempo de concentración también puede definirse como el tiempo mímino necesario para
que todos los puntos de la superficie de la cuenca contribuyan simultáneamente al caudal
recibido en la salida. Efectivamente, si el tiempo es un poco menor, cuando lleguen las gotas
caídas en los puntos más alejados, la superficie próxima a la salida ya no está aportando
escorrentía.
Para los diversos cálculos que veremos a continuación necesitaremos conocer el tiempo de
concentración de la cuenca. Se han desarrollado numerosas fórmulas que proporcionan una
aproximación de este parámetro. La más utilizada en España es la que se incluye en la
Instrucción de carreteras 5.2-IC (Ministerio de Obras Públicas, 1990):
76,0
25,0
.3,0 






S
L
tc (1)
donde: tc = tiempo de concentración (horas)
L = longitud del cauce (km.)
S = pendiente media (m/m)
Otras expresiones del tiempo de concentración son las siguientes:
Kirpich (en Wanielista, 1997, modificada a unidades métricas):
77,0
5,0
.98,3 






S
L
tc (2)
donde: tc = tiempo de concentración (minutos)
Bransby Williams (en Pilgrim y Cordery, 1993)
tc = 14,6 . L . A-0,1
. S-0,2
(3) donde: tc = tiempo de concentración (minutos)

A= superficie de la cuenca (km2
)
Los resultados de estas fórmulas difieren alarmantemente. Cada una de ellas fue obtenida
pensando en unas cuencas de características determinadas. Por tanto deben manejarse con
precaución.
Como ejemplo: Para una cuenca de 200 km2
de superficie, pendiente media = 0,008 y longitud
del cauce 25 km. se obtienen los siguientes valores del tiempo de concentración:
Kirpich: 305 minutos, Bransby: 564 minutos, Ministerio O.P.: 544 minutos
Método racional
Recibe este nombre la primera aproximación, la más
sencilla, para evaluar el caudal que producirá una
precipitación. (Mediante este método realizaremos los
procesos  a  del esquema de la página 2)
Supongamos una precipitación constante de intensidad I
(mm/hora) que cae homogéneamente sobre una cuenca de
superficie A (km2
). Si toda el agua caída produjera
escorrentía, el caudal generado sería:
Q (m3
/hora) = I (mm/hora) . 10-3
. A (km2
) . 106
(4)
(Con 10-3
convertimos mm./hora en metros/hora y con
106
pasamos km2
a m2
. Así el producto es m3
/hora)
Para que el caudal se obtenga en m3
/seg, dividimos por 3600 segundos que tiene una hora y la
expresión (4) quedaría de este modo:
Q (m3
/seg) = I (mm/hora) . A (km2
) /3,6 (5)
En este cálculo hemos supuesto que la intensidad I era intensidad de precipitación neta. Si I es
precipitación real, solamente una parte generará escorrentía: debemos aplicar un coeficiente de
escorrentía C, con lo que finalmente, la fórmula (5) resultaría:
6,3
AIC
Q

 (6)
donde: Q = caudal (m3
/seg)
C= coeficiente de escorrentía (típicamente 0,1 a 0,7)
I = intensidad de precipitación (mm/hora)
A = superficie de la cuenca (km2
)
En este método no consideramos el tiempo: es un
cálculo en régimen permanente y sólo calculamos el
caudal constante que se obtendría como resultado de
una precipitación constante.
Como lo hemos visto aquí, por su simplicidad, el
método racional solamente puede servir para obtener
una estimación del caudal en cuencas pequeñas y
con precipitaciones cortas y homogéneas.
Para la aplicación real de este método, ver el
Anexo I.
Q(m3
/seg)
tiempo
tiempo
?
Q = C· I· A/3,6
I(mm/hora)
?
?
?
?
?

Hidrogramas sintéticos
Para tener una idea aproximada de la respuesta de una cuenca pequeña a unas precipitaciones
cortas y homogéneas, podemos utilizar algunas fórmulas empíricas que, basándose en
características físicas de la cuenca (superficie, pendiente media, longitud del cauce,...)
proporcionan una idea del hidrograma
resultante. Entre las numerosas
aproximaciones que encontramos en la
bibliografía, vamos a referir resumidamente la
del S.C.S. (Soil Conservation Service) 2
y la
de Témez (1987, en Ferrer, 1993).
La forma del hidrograma se esquematiza
como un triángulo (Figura 3), lo que, a pesar
de su excesiva simplicidad, nos proporciona
los parámetros fundamentales del hidrograma:
el caudal punta (Qp), el tiempo base (tb) y el
tiempo en el que se produce la punta (tp). En la
misma figura 2 se señalan la duración de la
precipitación neta (D) y el tiempo de retardo o
respuesta (tr), en inglés lag.
Después veremos el hidrograma adimensional
del SCS que nos permite proporcionar al
hidrograma triangular una forma similar a la de un
hidrograma real.
Hidrograma triangular del SCS
Estas sencillas expresiones se obtuvieron estudiando hidrogramas de crecida provocados por
unas precipitaciones cortas y uniformes en numerosas cuencas.
Tiempo de la punta (horas):
tp = 0,5 · D + tr ≈ 0,5 · D + 0,6 ·tc (7)
Tiempo base (horas): 3
t b = 2.67 . tp (8)
Caudal de la punta (m3
/ seg): 4
b
p
t
AP
Q


8,1
.
(9)
tp = tiempo de la punta (horas)
D = Duración de la precipitación neta (horas)
t r = tiempo de retardo, Lag (horas)
t c = tiempo de concentración (horas)
tb = tiempo base (horas)
Qp = Caudal de la punta (m3
/ seg)
P = precipitación neta (mm.)
)
El coeficiente 2,67 de la ecuación (8) es una proposición empírica del SCS que refleja que en promedio
el descenso es 1,67 veces mayor que la crecida (la parte derecha del triángulo es más ancha que la parte
izquierda). Si este factor es mayor, el tiempo base será mayor y el caudal punta menor (ya que el área del
2
Aparece en todos los textos de Hidrología Superficial. Por ejemplo: Wanielista (1997), pág. 216; Pilgrim y
Cordery (1993), pág. 9.21. El antiguo S.C.S. corresponde al actual National Resources Conservation Service.
3
Esta expresión es totalmente empírica, equivalente a la relación teórica de tbase=D+tconc , que veremos que
utiliza el hidrograma sintético de Témez.
4
Esta expresión del caudal de la punta (Qp) se obtiene igualando el volumen de agua precipitado (altura de
precipitación x superficie de la cuenca) al área que se encuentra bajo el hidrograma (área de un triángulo = base x
altura /2; es decir: tb . Qp /2). Igualando: P . A = tb . Qp /2, y se despeja Qp.
Operando para introducir en la fórmula P en mm, A en km2
y pasar tb de horas a seg (3600 seg/hora), se obtiene la
fórmula de Qp
Qp
tb
tp
Q
t
Figura 2
Pneta
tr
D
Centro de la
P neta
Fig. 3

triángulo debe ser la misma). Wanielista (1997) propone los siguientes valores para ese factor “tiempo de
descenso / tiempo de punta” (parte derecha/parte izquierda):
Zona urbana, pendientes pronunciadas ...........1,25 ; t b = 2,25 . tp
Promedio SCS ..................................................1,67 ; t b = 2,67 . tp
Mezcla rural/urbano .........................................2,25 ; t b = 3,25 . tp
Rural, colinas ...................................................3,33 ; t b = 4,33 . tp
Rural, pendientes suaves ..................................5,5 ; t b = 6,5 . tp
Rural, muy plano..............................................12 ; t b = 13 . tp
Hidrograma adimensional del SCS
Este concepto se refiere a la forma del hidrograma. Considerando una gran cantidad de
hidrogramas, y convirtiendo sus coordenadas de modo que las coordenadas de la punta en todos
fueran Qp =1 y tp = 1, (es decir, haciéndolos del mismo tamaño), los técnicos del SCS observaron
que la mayoría de los hidrogramas de crecida tenían una forma similar a la de la figura 4 cuyas
coordenadas se reflejan en la tabla adjunta.
Si disponemos de los datos de la punta del hidrograma (sus coordenadas: tp y Qp), mediante la
tabla adjunta podremos dibujar el hidrograma resultante en toda su extensión y con una forma
similar a la que puede esperarse en una cuenca real, en lugar de un geométrico triángulo.
t / tp Q / Qp t / tp Q / Qp
0,0 0 1,4 0,75
0,1 0,015 1,5 0,65
0,2 0,075 1,6 0,57
0,3 0,16 1,8 0,43
0,4 0,28 2,0 0,32
0,5 0,43 2,2 0,24
0,6 0,60 2,4 0,18
0,7 0,77 2,6 0,13
0,8 0,89 2,8 0,098
0,9 0,97 3,0 0,075
1,0 1,00 3,5 0,036
1,1 0,98 4,0 0,018
1,2 0,92 4,5 0,009
1,3 0,84 5,0 0,004
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 1 2 3 4 5
t / tp
Q/Qp
Figura 4
Hidrograma de Témez
Es similar al del SCS, su cálculo es el siguiente (Ferrer, 1993, p.41) :
Tiempo de retardo (horas):
Dtt cr
8
1
8
3

(o simplificando:) tr =0,35 . tc
tr = tiempo de retardo, Lag (horas)
t c = tiempo de concentración (horas)
D = Duración de la precipitación neta (horas)
Tiempo de la punta (horas):
rp tDt .5,0 
tp = tiempo de la punta (horas)
Tiempo base (horas):
t b = D+tc
Caudal de la punta (m3
/ seg):
b
p
t
AP
Q


8,1
.
Qp = Caudal de la punta (m3
/ seg)
tb = tiempo base (horas)
P = precipitación neta (mm.)
)

Hidrograma Unitario
Se trata de un concepto fundamental al abordar el problema de calcular la escorrentía que
producirán unas precipitaciones determinadas. Fue propuesto por Sherman en 1932.
El Hidrograma Unitario de una cuenca es el hidrograma de escorrentía directa que se
produciría en la salida de la cuenca si sobre ella se produjera una precipitación neta unidad de
una duración determinada (por ejemplo, 1 mm. durante 1 hora) (Figura 5).
Esa precipitación debe producirse con intensidad
constante a lo largo del periodo considerado y repartida
homogéneamente en toda la superficie de la cuenca.
La definición original (y que se encuentra actualmente en los
textos anglosajones) se refiere a la escorrentía producida por una
precipitación neta de una pulgada durante una duración
cualquiera. Así, se habla del HU de 1 pulgada durante 2 horas o
cualquier otra unidad de tiempo. En unidades métricas nos
referiremos a una precipitación unidad de 1 mm. o de 1 cm.
Si en una cuenca determinada disponemos del
hidrograma unitario de 1 mm en 1 hora, podremos construir
el hidrograma producido por cualquier precipitación. Por
ejemplo, si llueve 2 mm. durante 1 hora, bastará multiplicar por 2 las ordenadas de todos los
puntos del hidrograma (fig. 6, izquierda)
Análogamente, si disponemos del hidrograma unitario de esa cuenca y llueve 1 mm. durante 2
horas, bastará dibujar dos hidrogramas unitarios desplazados 1 hora en sentido horizontal y
sumar las ordenadas de sus puntos (Figura 6, derecha).
Estas dos propiedades, expresadas en la Figura 6 se conocen, respectivamente, como propiedad
de afinidad y propiedad de aditividad del hidrograma unitario.
P
Q
t
t
2 horas
1 mm.
A
D
B
C
AD=AB+AC
x
x
P
t1 hora
2 mm.
Q
t
1 mm.
2
m
m
.
1
mm.
Ambas propiedades pueden utilizarse combinadas. Por tanto, en un caso real, y si conocemos el
hidrograma unitario de nuestra cuenca, podríamos dibujar fácilmente el hidrograma que se
produciría con cualesquiera precipitaciones, por ejemplo: 1ª hora = 2,5 mm.; 2ª hora = 4,2 mm.
3ª hora = 1,8 mm0 (Hietograma de la Figura 7.a).
Para aplicar este procedimiento a un caso real, en una cuenca concreta, es necesario solucionar
previamente dos difíciles cuestiones: 1. Construir el hidrograma unitario para esa cuenca. 2.
Calcular las precipitaciones efectivas a partir de los datos de precipitación total proporcionados
por los pluviógrafos, pues los hietogramas de las figuras anteriores se refieren exclusivamente a
Precipitación neta.
P
Q
t1 hora
1 mm.
Fig. 5
Fig. 6

1.8
4.2
2.5
a
c
P
t1 hora
Q
t
H.unitario
1 hora, 1 mm.
1hora, 2,5 mm.
1 hora, 4,2 mm.
1hora, 1,8 mm.
b
t
Q
Fig. 7. Cálculo del hidrograma generado por el
hietograma de (a)
(b) Propiedad de afinidad: Construcción de los
hidrogramas proporcionales para y 2,5 mm.en 1
hora, para 4,2 mm. en 1 hora y para 1,8 mm. en
1 hora
(c) Propiedad de aditividad. Situando los
hidrogramas generados en (b) desplazados 1
hora, se suman sus ordenadas
Aplicación numérica del HU. Ejemplo: Calcular el hidrograma generado por la precipitación
2,9-0,0-1,7-5,6 mm. (tiempo=1 hora) si
conocemos el HU de esa cuenca, que está
expresado en la 2ª columna de la tabla:
El cálculo se dispone como se indica en la
tabla: una columna por cada hora de
precipitación. La columna “HU” se
multiplica por 2,9 y los resultados se
incluyen en su columna (son las ordenadas
del hidrograma generado por una
precipitación de 2,9 mm en 1 hora.
Análogamente, se multiplican los valores del
HU por las sucesivas precipitaciones
(principio de afinidad), pero desplazando los
resultados una casilla hacia abajo, ya que cada precipitación comienza una hora después.
Finalmente, se suman en horizontal (resultados en la última columna), consiguiendo las
ordenadas del
hidrograma
resultante. La
representación
gráfica de este
cálculo aparece
en la figura
adjunta:
t (horas) HU 2,9 0 1,7 5,6
Q
total
0 0,0 0,0 0
1 1,5 4,4 0,0 4,4
2 3,5 10,2 0,0 0,0 10,2
3 5,0 14,5 0,0 2,55 0,0 17,1
4 4,0 11,6 0,0 5,95 8,4 26,0
5 2,5 7,3 0,0 8,5 19,6 35,4
6 1,2 3,5 0,0 6,8 28,0 38,3
7 0,0 0,0 0,0 4,25 22,4 26,7
8 0 2,04 14,0 16,0
9 0,0 6,7 6,7
10 0,0 0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 horas
Q
Generado por P de la 1ª hora
Q resultante

Construcción del Hidrograma Unitario
A partir de datos de lluvias y caudales
Es necesario disponer de hietogramas e
hidrogramas de la cuenca estudiada. Entre todas las
precipitaciones disponibles, hay que elegir alguna
de corta duración y uniforme por toda la cuenca.
Elegida la precipitación, se estudia el hidrograma
generado al mismo tiempo (Figuras 9a y 9b)
En la Figura 8b separamos la escorrentía directa,
que se representa sola en la figura 9c. Allí se
calcula el volumen de ese hidrograma de
escorrentía directa. Como ejemplo, supongamos
que el área rayada de la figura 8c equivale a 32000
m3
, y que se trata de la escorrentía de una cuenca
de 18 km2
. La lámina de agua equivalente que
habría producido esa escorrentía sería:
altura lámina agua (m.)=
= mm.1,7m.0017,0
10.18
32000
)(msuperficie
)volumen(m
62
3

Si el hidrograma de la figura 8c ha sido producido
por una lámina de agua de 1,7 mm.,
proporcionalmente se dibujaría el de 8d
correspondiente a una precipitación de 1 mm.
(dividiendo las ordenadas de todos los puntos por
1,7).
Finalmente es necesario volver al hietograma inicial, buscando una parte del mismo que
corresponda a una precipitación de 1,7 mm. Supongamos que fuera la parte superior con rayado
continuo. Ya podemos saber el periodo de tiempo del hidrograma unitario que acabamos de
construir. Si el tiempo marcado en la Figura 8a como D fuera de 2 horas, el hidrograma
construido en la Fig.8d sería el producido por una precipitación de 1 mm. de P neta durante 2
horas.
Construcción mediante hidrogramas sintéticos
Si no se dispone de otros datos, el hidrograma unitario se construiría con las fórmulas
utilizadas para construir hidrogramas sintéticos, introduciendo en P la unidad de precipitación (1
mm. ó 1 cm.) y en D la duración deseada para el HU que queremos construir.
El hidrograma de Clark es un hidrograma sintético más sofisticado que genera el HU
considerando el retardo generado por la cuenca, incluyendo el cálculo del tránsito (ver pág. 2 de
este tema). Para su cálculo necesitamos conocer las superficies comprendidas entre isocronas
(líneas cuyos puntos tienen igual tiempo de tránsito hasta la salida).
Se explica en el documento “Hidrograma de Clark” en la sección “Prácticas superficial”
Hidrograma en S (HS)
Es el hidrograma que se generaría si se produjera una precipitación unidad durante un tiempo
ilimitado.
Si disponemos del Hidrograma Unitario para una cuenca, (por ejemplo, el generado por una P
eficaz de 1 mm. durante 1 hora) podemos construir el hidrograma que se produciría si lloviera 1
mm. indefinidamente. Por el principio de aditividad del HU se obtendría el hidrograma que se
presenta en la figura 10, sumando sucesivos HU de 1 mm-1 hora.
Q
Q
Q
P
a
b
c
d
Escorr. básica
Escorr.
Directa
D
Infiltración, retenciones
P neta o
efectiva
Producido por una
lámina de 1 mm.
Producido por una
lámina de X mm.

Para construir el hidrograma S
(HS) de la figura a partir del HU,
sumamos el HU repetido
indefinidamente, desplazándolo
cada vez 1 hora (tabla izquierda):
t (horas) HU HU HU HU HU HU HU HS t (horas) HU HS
0 0 0 0 0 0
1 4 0 4 1 4 4
2 10 4 0 14 2 10 14
3 18 10 4 0 32 3 18 32
4 15 18 10 4 0 47 4 15 47
5 10 15 18 10 4 0 57 5 10 57
6 6 10 15 18 10 4 0 63 6 6 63
7 3 6 10 15 18 10 4 ... 66 7 3 66
8 1 3 6 10 15 18 10 ... 67 8 1 67
9 0 1 3 6 10 15 18 ... 67 9 0 67
10 0 1 3 6 10 15 ... 67 10 0 67
11 0 1 3 6 10 ... 67 11 0 67
12 0 1 3 6 ... 67 12 0 67
13 0 1 3 ... 67 13 0 67
14 0 1 ... 67 14 0 67
15 0 ... 67 15 0 67
16 ... ... 16 ... ...
Un modo alternativo y rápido de calcular el hidrograma en S a partir del HU se representa en la
tabla derecha: cada valor del HS se ha conseguido sumando la cifra que tiene encima con la que
tiene a la izquierda.
Mientras que el HU siempre hay que referirlo a la unidad de precipitación utilizada y al tiempo
a que se refiere (por ejemplo: HU de 1 cm. en 1 hora), el Hidrograma-S se refiere a una
intensidad de precipitación; si el HU del ejemplo anterior fuera de 1 mm. en 1 hora, el HS
resultante expresa el hidrograma que se generaría con una intensidad constante de 1 mm/hora.
Si el HU original corresponde a 1 mm en 2 horas (Intensidad= 0,5 mm/h), la construcción del
HS se hace desplazando los sucesivos HU 2 horas, y el HS resultante correspondería a una
intensidad continua e indefinida de 0,5 mm/h
Construcción de un Hidrograma Unitario a partir de otro de diferente
Precipitación o de diferente duración
Cambio en la P neta
Por el principio de afinidad del HU, basta con multiplicar las ordenadas del hidrograma por el
factor de conversión entre las P consideradas. Por ejemplo, si disponemos del HU para 1 pulgada
en 1 hora y quisiéramos obtener el de 1 cm. en 1 hora, bastaría con dividir las ordenadas
(caudales) por 2,54 (cm./pulgada)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 tiempo (horas)
Q(m3
/s)
Figura 10.- Hidrograma en S.
Generado por una
precipitación continua de una
precipitación neta unidad

Cambio en la duración a un periodo múltiplo
Si disponemos del HU de 1 mm. en 1 hora y, por ejemplo, quisiéramos conseguir el de 1 mm.
en 3 horas, habría que:
1º. Sumar tres HU unitarios de 1 hora (principio de aditividad), resultando el correspondiente a
3 mm. de P neta en 3 horas (figura izquierda).
2º. En el hidrograma obtenido en el paso anterior, dividir sus ordenadas por 3 (principio de
afinidad), para conseguir el generado por 1 mm. caído durante 3 horas (figura derecha).
0
2
4
6
8
10
12
0
2
4
6
8
10
12
1 2 3 4 5 6 7 8 9
tiempo (horas) tiempo (horas)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
3 mm 3 horas 3 mm 3 horas
1 mm 3 horas
1 mm 1 hora
Cambio en la duración a un periodo de tiempo no múltiplo
Cuando el periodo del HU deseado no es múltiplo del periodo del HU disponible no se
puede utilizar el procedimiento anterior. Por ejemplo, a partir de un HU de 1 mm. en 3 horas
conseguir el HU de 1 mm. en 1 hora. En este caso, el procedimiento es el siguiente:
1º. Calcular el Hidrograma S con el HU disponible.
2º. Restar dos Hidrogramas S (como el que acabamos de calcular) desfasados en el tiempo
que deseamos obtener.
3ª. Al hidrograma resultante de esa diferencia, multiplicarlo por el factor: t disponible/ t
deseado5
.
Ejemplo: A partir del HU de 1 cm. en 3 horas, conseguir el HU de 1 cm. en 2 horas.
1º. Generamos el HS sumando varios HU desplazados 3 horas (t disponible).
2º. Representamos dos HS desplazados 2 horas (t deseado).
3º. La diferencia entre los dos HS la multiplicamos por 3/2 (t disponible/ t deseado).
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 101 2 3 4 6 7 8 9 11 12 13
tiempo (horas)
Q
D t disponible
HU 1 cm en 3 horas
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 101 2 3 4 6 7 8 9 11
tiempo (horas)
Q
D t
deseado
e
0
2
4
6
8
10
12
14
0 5 101 2 3 4 6 7 8 9
tiempo (horas)
Q
HU 1 cm
en 2 horas
e’ = e ·3/2
5
La explicación de este factor es la siguiente (con los números del ejemplo que sigue): el HS generado en el paso
1º es el producido por una intensidad constante de 0,33 cm/hora (1 cm en 3 horas). Por tanto, hay que multiplicar
por 3 para conseguir el resultado de 1 cm/1 hora. Pero si aplicamos esa intensidad de 1 cm/1 hora durante 2 horas,
conseguiríamos el HU de 2 cm/2 horas, por lo que hay que dividir por 2 para llegar a 1 cm/2 horas.

1º. Construir el Hidrograma en S 2º. Restar dos hidrog-S desfasándolos dos horas
t (horas) H.U. H.U. H.U. H.U. Hidr. S 3º. Multiplicar por : tiempo original /
0 0 0 tiempo deseado
1 1 1
2 4 4 t (horas) Hidr S Hidr S dif. dif x3/2
3 8 0 8 0 0 0 0
4 10 1 11 1 1 1 1.5
5 9 4 13 2 4 0 4 6
6 6 8 0 14 3 8 1 7 10.5
7 3 10 1 14 4 11 4 7 10.5
8 1 9 4 14 5 13 8 5 7.5
9 0 6 8 0 14 6 14 11 3 4.5
10 3 10 1 ... 14 7 14 13 1 1.5
11 1 9 4 ... 14 8 14 14 0 0
12 0 6 8 ... 14 9 14 14 0 0
13 3 10 ... 14 10 14 14 0 0
14 1 9 ... 14 11 14 14 0 0
15 0 6 ... 14 12 14 14 ... ...
16 3 ... 14 13 ... 14 ... ...
17 1 ... ... 14 ... ... ...
18 0 ... ... ... ...
Modelos
El proceso completo de calcular la escorrentía que producirá una precipitación determinada es
mucho más complejo que los conceptos básicos esbozados aquí. Como se indicaba en la
introducción, para afrontar este tipo de problemas en casos reales , hemos de acudir a modelos de
ordenador. Básicamente, hay dos familias de modelos que hacen la tarea de calcular el
hidrograma generado en una cuenca:
a) Modelos que simulan un suceso puntual. HEC-HMS (del Hydrologic Engineering Center), y
TR-55 (del NRCS)
b) Modelos de simulación continua, como HPFS (elaborado por la EPA, Environmental
Protection Agency). El modelo HEC-HMS puede aproximarse a la utilización como modelo
continuo.
Los primeros necesitan datos de la precipitación, más las características físicas de las diversas
subcuencas. Los segundos, además de necesitar la serie continua de precipitaciones, deben
computar la evapotranspiración, fusión de la nieve, flujo subsuperficial en la zona no saturada,
etc.
Todos estos modelos se pueden conseguir gratuitamente en Internet de los organismos citados.
Existen programas comerciales que implementan los cálculos de los modelos citados y cuya
utilización es relativamente más
simple.
En http://hidrologia.usal.es
(“Complementos”) se encuentra
un manual introductorio de HEC-
HMS.
En la figura adjunta vemos unos
resultados de ese programa.

ANEXO I: Aplicación del método racional
Hemos visto que el caudal es el resultado de multiplicar tres
factores:
Q = C. I . A (I.1)
donde: Q = caudal
C= coeficiente de escorrentía
I = intensidad de precipitación
A = superficie de la cuenca
Vamos a ver aquí cómo llevar esto a la práctica en un caso
real. En la bibliografía podemos encontrar diversas modificaciones, con diversos factores de
corrección. Nos centraremos en la normativa oficial para la construcción de carreteras en España
(MOPU, 1990) y en el trabajo de Ferrer (1993) que ofrece una versión refinada de la anterior.
Superficie de la Cuenca
Este es el factor más sencillo: lo medimos con un planímetro, con un ordenador o contando
mm2
en un papel milimetrado6
.
La aplicación de este método debería limitarse a cuencas lo suficientemente pequeñas para que
podamos suponer una precipitación homogénea en el espacio y el tiempo; algunos autores hablan
de 30 ó 40 hectáreas (1 km2
equivale a 100 Ha), aunque habitualmente se aplica a cuencas de
muy pocos km2
. Ferrer (1993) habla de cuencas de hasta 3000 km2
, con una metodología más
elaborada que indicaremos más adelante.
Intensidad de Precipitación
Es necesario conocer (o evaluar) la Intensidad de Precipitación para el tiempo de
concentración de la cuenca. Si utilizamos un tiempo menor, no permitimos que toda la cuenca
contribuya al caudal, y si utilizamos un tiempo mayor, la intensidad máxima será menor (es
evidente: la intensidad, en mm/hora, de las dos horas más lluviosas siempre es menor que la
intensidad de la hora más lluviosa).
Q
tiempotconc
0
25
50
75
0 2 4horas
Intensidad(mm/h)
100
25
10
50
Periodos de retorno (años)
Curvas IDF
1 3
Aquí vemos (figs. 3 y 4 del Tema T060) que para
que se alcance el máximo caudal es necesario
que la duración de la precipitación sea mayor
o igual que el tiempo de concentración de la
cuenca
En las curvas IDF se aprecia que si
consideramos un intervalo de tiempo mayor
la Intensidad (mm/hora) disminuye
El compromiso entre estas dos circunstancias nos indica que debemos trabajar con la
Intensidad de Precipitación producida en un tiempo igual al tiempo de concentración
6
Ver en http://hidrologia.usal.es , Sección “Complementos” el documento “Medir áreas y longitudes”

Esta intensidad de precipitación para aplicar la fórmula debería corresponder a una
precipitación uniforme por toda la extensión de la cuenca durante el tiempo considerado. La
limitación en la superficie a la que nos referíamos arriba se debe principalmente a esto.
En cualquier caso, lo ideal sería disponer de unas curvas IDF bien elaboradas. En ellas
buscamos la Intensidad de Precipitación para el periodo de retorno elegido y para un tiempo
igual al tiempo de concentración, tc.
Si no disponemos de curvas IDF, existen diversas soluciones "locales": se nos proporcionan
fórmulas válidas para un territorio determinado.
Para España (MOPU, 1990; Ferrer, 1993), en los casos en que no dispongamos de curvas IDF,
lo hacemos en dos pasos:
1º. Obtención de la intensidad máxima diaria para el periodo de retorno deseado. Primero
calculamos la precipitación diaria máxima. Este dato podemos obtenerlo ajustando una serie de
valores (el día más lluvioso de cada año de una serie de años) a una ley estadística, por ejemplo,
Gumbel7
.
Después calculamos la intensidad máxima diaria (Id) así:
Id = P máx día /24
2º. Obtención de la intensidad
máxima para cualquier intervalo t.
Ya hemos dicho que usaremos un
tiempo igual al tiempo de
concentración de la cuenca estudiada.
Del mapa adjunto (MOPU, 1990),
leemos el coeficiente
I1 / Id (I1= Intensidad en una
hora; Id = Intensidad de un día)
Si leemos, por ejemplo, 9, quiere
decir que la intensidad en la hora más
lluviosa es 9 veces mayor que la
intensidad media de todo el día.
Con estos datos ya podemos calcular
la intensidad para cualquier intervalo,
t, aplicando la fórmula:
128
28
1
1.0
1,01,0









t
d
dt
I
I
II (I.3)
donde:
Id = intensidad media diaria = P diaria /24
7
La precipitación diaria máxima para cualquier punto de España puede obtenerse fácilmente de MINISTERIO DE
FOMENTO (1999):
http://www.fomento.es/NR/rdonlyres/ABE22688-F967-4902-BA96-51FE8AB76145/55856/0610300.pdf
Análogamente por el método Salas (SALAS, L y L. CARRERO, 2008):
http://www.mma.es/secciones/el_ministerio/organismos/oapn/pdf/ecologia_20_16.pdf
En MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE (2000 a 2002) se recogen estaciones meteorológicas concretas, y para
cada una de ellas está hecho el ajuste estadístico y aparecen Precipitaciones máximas diarias para distintos periodos
de retorno. (Parece que solo se encuentran disponibles para 6 comunidades)

I1 = Intensidad media en la hora más lluviosa de ese día. En la fórmula introducimos
el valor de I1/Id leído directamente del mapa
t = periodo de tiempo (horas) para el que se quiere evaluar la intensidad
It = Intensidad media en el periodo t
La fórmula original (I.3) la hemos simplificado de este otro modo, más rápido para el cálculo:
0,1
3,5287 2,5287.
1
t
t d
d
I
I I
I

 
  
 
(I.4)
Coeficiente de Escorrentía
Casi todos los libros ofrecen tablas orientativas con los valores probables del coeficiente de
escorrentía. MOPU (1990) y Ferrer (1993) proporcionan la siguiente fórmula8
:
2
0
00
)11(
)23)((
PP
PPPP
C
d
dd


 (I.5)
siendo:
C = Coeficiente de Escorrentía
Pd = Precipitación diaria (mm.)
P0 = Umbral de escorrentía (mm.), obtenido de tablas (MOPU, 1990), que son una
adaptación de las de SCS9
Si se tratara de un chubasco real, y
según la idea original del SCS, el umbral
de escorrentía de las tablas debe
corregirse dependiendo de si los 5 días
anteriores hubieran sido lluviosos o
secos. Pero si se trata de precipitaciones
de proyecto, la precipitación tratada no se
ha producido, sino que procede de un
tratamiento estadístico; en este caso, no
pueden considerarse los días anteriores, y
según la instrucción del MOPU (1990,
fig. 2-5) para España, siempre corrige al
alza (como si el estado previo del suelo
fuera seco), multiplicando P0 por un
factor corrector que va de 2, en el Norte
de la península, a 3 en el SE. (Ver mapa
adjunto:)
En la bibliografía encontramos diversas
tablas con estimaciones para el
coeficiente de escorrentía C dependiendo del tipo de suelo, urbanización, pendiente,... 10
. Estas
tablas no tienen en cuenta la precipitación: para el mismo terreno, la parte de precipitación que
escurre varía con la cantidad de precipitación recibida.
8
En MOPU(1990) esta fórmula aparece así (es la misma): C= (Pd/Po-1)· (Pd/Po+23) / (Pd/Po+11)2
9
El documento original se encuentra en : ftp://ftp.wcc.nrcs.usda.gov/downloads/hydrology_hydraulics/neh630/630ch10.pdf
aunque aparece referido en todos los textos de Hidrología, por ejemplo en Chow et al., 1994.
Ver en este sitio web (http://hidrologia.usal.es), sección "Prácticas", el documento "Cálculo de la Precipitación
Neta con el método del S.C.S."
10
Por ejemplo en : http://manuals.dot.state.tx.us/dynaweb/colbridg/hyd, (pp. 93-94 )
2,5
2,5
2
2
3
3

Cálculo del caudal
Con los tres factores previamente calculados (superficie A, Intensidad de precipitación I y
coeficiente de escorrentía C) ya podemos calcular el caudal buscado mediante la fórmula (6) que
repetimos aquí:
6,3
AIC
Q

 (I.6)
donde: Q = caudal (m3
/seg)
C= coeficiente de escorrentía
I = intensidad de precipitación (mm/hora)
)
En la instrucción 5.2-IC (MOPU, 1990) aparece la fórmula (I.7), donde se divide por 3 en vez
de dividir por 3,6. Eso incluye enmascarado un factor de corrección, aumentando un 20%.
3
AIC
Q

 (I.7)
Opcional: Factores correctores
El método racional solamente será correcto si la precipitación es uniforme en el tiempo (a lo
largo del tiempo de concentración) y distribuida homogéneamente por toda la superficie de la
cuenca. Como esto nunca se cumple, se proponen factores correctores:
a) Evaluación de un coeficiente reductor por área (ARF) que corrige el hecho de que la
distribución de la precipitación no es uniforme geográficamente, no toda la cuenca contribuye
con la misma precipitación. Se aborda con diversos métodos que utilizan el área de la cuenca y la
duración de la precipitación (ver Ferrer, op. cit., 15-19). El método más simple (Témez, 1991,
citado en Ferrer, op.cit.) es :
15
)(log
1
2
kmSuperficie
ARF  (I.8)
Para superficies menores de 1000 km2
se obtienen valores de 0,95 a 0,8 coeficiente que se
utiliza al principio del proceso multiplicando el valor de Pd (P diaria)
b) Cálculo de un "coeficiente de uniformidad". La P neta no es uniforme en el tiempo (a
lo largo del tiempo de concentración de la cuenca), esto genera un error que puede corregirse con
este coeficiente:
14
1 25,1
25,1


c
c
t
t
K (I.9)
donde: tc = tiempo de concentración en horas
Para tiempos de concentración menores de 24 horas, este factor K presenta valores de 1,0 a 1,8.
Lo utilizaremos en la fórmula final para aumentar el caudal Q resultante.
Aplicaremos estos coeficientes correctores en el Ejemplo de cálculo del caudal según
FERRER.

Ejemplo de cálculo del caudal con la Instrucción 5.2-IC (MOPU, 1990)
Calcular el caudal de proyecto para un periodo de retorno de 50 años en una cuenca situada en
León y con los datos siguientes:
- Datos necesarios para calcular el tiempo de concentración : Longitud del cauce= 5,1 km.;
Cota máxima= 956 m. ; Cota mínima = 889 m. Superficie = 12,1 km2
- Precipitación diaria, Pd = 71 mm. (Obtenida estadísticamente para el periodo de retorno
considerado, en este ejemplo, 50 años. Para España puede obtenerse de la publicación del
Ministerio de Fomento (1999))
- Umbral de escorrentía Po = 27 mm. (Obtenido de las tablas que se encuentran en MOPU
(1990) y aplicándole el coeficiente corrector).
1) Cálculo del tiempo de concentración de la cuenca [fórmula (1)].
0,76
1
4
0,3 2,36 horasc
L
t
J
 
  
 
tc = Tiempo de concentración (horas)
L = longitud del cauce =5,1 km.
J = Pendiente media(m/m) = (cota máx-cota min)/long=
= (956-889)/5100 = 0,013 (=1,3 %)
2) Cálculo de la intensidad para el tiempo de concentración calculado. [fórmula (I.3)]
 
0,1
0,1
3,5287 2,5287.
3,5287 2,5287. 2,361
2,96 9 16,2 /
t
t d
d
I
I I mm hora
I

 
   
 
En el mapa de valores I1 / I d para España, hemos leído para León: I1 / I d = 9
Id = P diaria / 24 horas = 71 /24 =2,96 mm/hora
t = 2,36 horas (en este caso, el tiempo de concentración calculado previamente)
3) Cálculo del coeficiente de escorrentía [fórmula (I.5)]
22,0
)271171(
)272371)(2771(
2



C
4) Aplicación de la fórmula básica [fórmula (I.7)]
Q = C . I . A / 3 = 0,22 · 16,2 mm/hora · 12,1 km2
/ 3 = 14,37 m3
/seg

Ejemplo de cálculo del caudal según FERRER (1993)
Con los mismos datos del ejemplo anterior.
1) Cálculo del tiempo de concentración de la cuenca.
El cálculo es idéntico al ejemplo anterior: tc = 2,36 horas
2) Evaluación de un coeficiente reductor por área (ARF) [fórmula (I.8)]:
15
)(log
1
2
kmSuperficie
ARF 
En nuestro caso se obtiene ARF = 0,93, el valor de Pd (P diaria) hay que multiplicarlo por 0,93
para utilizarlo en los pasos sucesivos :
Pd corregida = Pd . 0,93 = 71 . 0,93 = 66 mm.
3) Cálculo de la intensidad para el tiempo de concentración calculado [fórmula (I.4)]:
 
0,1
0,1
3,5287 2,5287.
3,5287 2,5287 . 2,361
2,75 9 15,0 /
t
t d
d
I
I I mm hora
I

 
   
 
I1 / I d = 9, corresponde a León en el mapa de valores I1 / I d para España
Id = P diaria/24 = 66 /24 =2,75 mm/hora
t = 2,36 horas (el tiempo de concentración calculado previamente)
4) Cálculo del coeficiente de escorrentía [fórmula (I.5)]
20,0
)271166(
)272366)(2766(
2



C
5) Cálculo del "coeficiente de uniformidad". [fórmula (I.9)] :
14
1 25,1
25,1


c
c
t
t
K
donde: tc = tiempo de concentración en horas
En nuestro caso, para tc = 2,36 horas, K=1,17.
6) Aplicación de la fórmula básica
Se aplica la fórmula (I.6), pero incluyendo el factor K=1,17 calculado en el paso anterior:
Q = C . I . A . K / 3,6= 0,20 · 15,0 mm/hora · 12,1 km2
. 1,17 / 3,6 = 11,80 m3
/s
Sobre la corrección del valor de P0 obtenido de tablas
En los datos de ambos ejemplos hemos indicado que el valor de Po se ha obtenido de las tablas y ya se
le ha aplicado el coeficiente corrector.
MOPU (1990) aplica esta corrección mediante el pequeño mapa que hemos incluido, mientras que
Ferrer (1993) sólo se refiere a los coeficientes correctores de Po del trabajo original americano del SCS,
que se aplican dependiendo de si los 5 días anteriores han sido secos, húmedos o medios. Si se trata de
una precipitación de diseño (son datos estadísticos: no hay 5 días anteriores), y siguiendo la idea de
MOPU (1990), se puede suponer un suelo previo seco y utilizar los coeficientes de la Condición I en la
tabla 3.3 (Ferrer, 1993, p.31)11
, lo que equivale a usar los valores del mapita de la página 3 de este
documento.
11
Esa corrección de los 5 días anteriores también se encuentra en nuestra práctica Cálculo de la Precipitación
neta, http://hidrologia.usal.es/practicas/Pneta_SCS_fundam.pdf

Bibliografía
CHOW, V.; D.R. MAIDMENT y L.W. MAYS (1994).- Hidrología Aplicada. Mc Graw Hill,
580 pp.
FERRER, F.J. (1993).- Recomendaciones para el Cálculo Hidrometeorológico de Avenidas.
CEDEX, Ministerio de Obras Públicas, Madrid, 75 pp.
M.O.P.U. (1990).- Instrucción de Carreteras 5.2-IC "Drenaje superficial" . Ministerio de Obras
Públicas y Urbanismo (Boletín Oficial del Estado, 123, 23-5-1990). Puede verse en:
http://hidrologia.usal.es, (Sección "Complementos")
MINISTERIO DE FOMENTO (1999) .- Máximas Lluvias diarias en la España Peninsular.
(Incluye CD). 1ª reimpresión 2001. Ver en esta web (http://hidrologia.usal.es), sección
“Complementos”: Máximas Lluvias Diarias en la España Peninsular
MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE (2000 a 2002) .-Las precipitaciones máximas en 24
horas y sus periodos de retorno en España. 14 volúmenes, uno por Comunidad autónoma.
PILGRIM, D. H. y I. CORDERY (1993).- “Flood Runoff”. In: Handbook of Hydrology. D. R.
Maidment (Ed.), pp. 9.1- 9.42. McGrawHill.
SALAS, L. y J. A. FERNÁNDEZ (2006).- Nueva metodología para el análisis de la variable
Intensidad Máxima Anual de Precipitación. Ecología, nº 20 : 435-444
En: http://www.mma.es/secciones/el_ministerio/organismos/oapn/pdf/ecologia_20_16.pdf
SALAS, L. y L. CARRERO (2008).- Estimación de la intensidad máxima anual para una
duración y período de retorno determinados en la España peninsular mediante la aplicación
informática MAXIN.
En: http://138.100.95.131/hidraulica/MAXIN_v2/MAXIN/APLICACION/principal.html
VIESSMAN, W. & G. L. LEWIS (2003).- Introduction to Hydrology. Pearson Education Inc., 5ª
ed., 612 pp.
WANIELISTA, M. P. (1997).- Hydrology and Water Quality Control. Wiley, 567 pp. 2ª
edición.

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