Número de curva de escorrentía

Parámetro utilizado en hidrología.

El número de curva de escorrentía (también llamado número de curva o simplemente CN ) es un parámetro empírico utilizado en hidrología para predecir la escorrentía directa o la infiltración por exceso de lluvia . ^[1] El método del número de curva fue desarrollado por el Servicio de Conservación de Recursos Naturales del USDA , que anteriormente se llamaba Servicio de Conservación de Suelos o SCS ; el número todavía se conoce popularmente como "número de curva de escorrentía del SCS" en la literatura. El número de la curva de escorrentía se desarrolló a partir de un análisis empírico de la escorrentía de pequeñas cuencas y parcelas en laderas monitoreadas por el USDA. Es ampliamente utilizado y es un método eficiente para determinar la cantidad aproximada de escorrentía directa de un evento de lluvia en un área particular.

Definición

El número de la curva de escurrimiento se basa en el grupo hidrológico de suelo, el uso del suelo , el tratamiento y la condición hidrológica del área. Las referencias, como las del USDA ^[1] , indican los números de la curva de escorrentía para descripciones características de cobertura del suelo y un grupo hidrológico de suelo.

La ecuación de escorrentía es:

${\displaystyle Q={\begin{cases}0&{\text{for }}P\leq I_{a}\\{\frac {(P-I_{a})^{2}}{{P-I_{a}}+S}}&{\text{for }}P>I_{a}\end{cases}}}$

dónde

${\displaystyle Q}$es escurrimiento ([L]; en)

${\displaystyle P}$es lluvia ([L]; in)

${\displaystyle S}$es la retención máxima potencial de humedad del suelo después de que comienza la escorrentía ([L]; pulg)

${\displaystyle I_{a}}$es la extracción inicial ([L]; in), o la cantidad de agua antes del escurrimiento, como la infiltración o la interceptación de la lluvia por la vegetación; Históricamente, generalmente se ha asumido que , aunque investigaciones más recientes han encontrado que puede ser una relación más apropiada en cuencas urbanizadas donde el CN ​​se actualiza para reflejar las condiciones desarrolladas. ^[2] ${\displaystyle I_{a}=0.2S}$ ${\displaystyle I_{a}=0.05S}$

El número de la curva de escurrimiento, , se relaciona entonces ${\displaystyle CN}$

${\displaystyle S={\frac {1000}{CN}}-10}$

${\displaystyle CN}$tiene un rango de 30 a 100; los números más bajos indican un potencial de escorrentía bajo, mientras que los números más grandes indican un potencial de escorrentía creciente. Cuanto menor sea el número de la curva, más permeable será el suelo. Como se puede ver en la ecuación del número de curva, la escorrentía no puede comenzar hasta que se haya alcanzado la extracción inicial. Es importante señalar que la metodología del número de curva es un cálculo basado en eventos y no debe usarse para un solo valor de precipitación anual, ya que esto perderá incorrectamente los efectos de la humedad antecedente y la necesidad de un umbral de extracción inicial.

Selección

El número de la curva NRCS está relacionado con el tipo de suelo, la capacidad de infiltración del suelo, el uso de la tierra y la profundidad del nivel freático alto estacional. Para tener en cuenta la capacidad de infiltración de los diferentes suelos, NRCS ha dividido los suelos en cuatro grupos hidrológicos de suelos (HSG). Se definen de la siguiente manera. ^[1]

• HSG Grupo A (bajo potencial de escorrentía): Suelos con altas tasas de infiltración incluso cuando están completamente mojados. Se componen principalmente de arenas y gravas profundas y bien drenadas. Estos suelos tienen una alta tasa de transmisión de agua (tasa de infiltración final superior a 0,30 pulgadas (7,6 mm) por hora).
• HSG Grupo B : Suelos con tasas de infiltración moderadas cuando están completamente humedecidos. Estos consisten principalmente en suelos que son de moderadamente profundos a profundos, de moderadamente bien drenados a bien drenados y con texturas de moderadamente finas a moderadamente gruesas. Estos suelos tienen una tasa moderada de transmisión de agua (tasa de infiltración final de 0,15 a 0,30 pulgadas (3,8 a 7,6 mm) por hora).
• HSG Grupo C: Suelos con tasas de infiltración lentas cuando están completamente humedecidos. Estos consisten principalmente en suelos con una capa que impide el movimiento descendente del agua o suelos con texturas moderadamente finas a finas. Estos suelos tienen una tasa lenta de transmisión de agua (tasa de infiltración final de 0,05 a 0,15 pulgadas (1,3 a 3,8 mm) por hora).
• HSG Grupo D (alto potencial de escorrentía): Suelos con tasas de infiltración muy lentas cuando están completamente humedecidos. Estos consisten principalmente en suelos arcillosos con un alto potencial de hinchazón, suelos con un nivel freático alto permanente, suelos con una capa arcillosa o arcillosa en la superficie o cerca de ella, y suelos poco profundos sobre materiales casi impermeables. Estos suelos tienen una tasa de transmisión de agua muy lenta (tasa de infiltración final inferior a 0,05 pulgadas (1,3 mm) por hora).

La selección de un grupo de suelo hidrológico debe realizarse en función de las tasas de infiltración medidas, un estudio de suelos (como el NRCS Web Soil Survey) o el criterio de un profesional geotécnico o científico del suelo calificado. La siguiente tabla presenta los números de curva para la condición de humedad del suelo antecedente II (condición de humedad promedio). Para modificar el número de curva según la condición de humedad u otros parámetros, consulte Ajustes.

Valores

Ajustes

La escorrentía se ve afectada por la humedad del suelo antes de un evento de precipitación, la condición de humedad antecedente (AMC). Un número de curva, como se calculó anteriormente, también puede denominarse AMC II o humedad promedio del suelo. Las otras condiciones de humedad son secas, AMC I o , y húmedas, AMC III o . El número de la curva se puede ajustar por factores a , donde los factores son menores que 1 (reducción y escorrentía potencial), mientras que los factores son mayores que 1 (aumento y escorrentía potencial). Los factores AMC se pueden consultar en la siguiente tabla de referencia. Encuentre el valor CN para AMC II y multiplíquelo por el factor de ajuste basado en el AMC real para determinar el número de curva ajustada. ${\displaystyle CN_{II}}$ ${\displaystyle CN_{I}}$ ${\displaystyle CN_{III}}$ ${\displaystyle CN_{II}}$ ${\displaystyle CN_{I}}$ ${\displaystyle CN}$ ${\displaystyle CN_{III}}$ ${\displaystyle CN}$

Ajuste de la tasa de abstracción inicial

La relación se derivó del estudio de muchas cuencas hidrográficas pequeñas y experimentales. Dado que la historia y la documentación de esta relación son relativamente oscuras, análisis más recientes utilizaron métodos de ajuste de modelos para determinar la relación entre cientos de datos de lluvia y escorrentía de numerosas cuencas de Estados Unidos. En el ajuste del modelo realizado por Hawkins et al. (2002) ^[2] encontraron que la proporción de a varía de tormenta a tormenta y de cuenca a cuenca y que la suposición de generalmente es alta. Más del 90 por ciento de las proporciones eran inferiores a 0,2. Según este estudio, el uso de proporciones de 0,05 en lugar del valor comúnmente utilizado de 0,20 parecería más apropiado. Por tanto, la ecuación de escorrentía de CN queda: ${\displaystyle I_{a}=0.2S}$ ${\displaystyle I_{a}}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle I_{a}}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle I_{a}/S=0.20}$ ${\displaystyle I_{a}/S}$ ${\displaystyle I_{a}/S}$

${\displaystyle Q={\begin{cases}0&{\text{for }}P\leq 0.05S\\{\frac {(P-0.05S_{0.05})^{2}}{P+0.95S_{0.05}}}&{\text{for }}P>0.05S\end{cases}}}$

En esta ecuación, observe que los valores de no son los mismos que los utilizados para estimar el escurrimiento directo con una relación de 0,20, porque se supone que el 5 por ciento del almacenamiento es la extracción inicial, no el 20 por ciento. La relación entre y se obtuvo a partir de los resultados del ajuste del modelo, dando la relación: ${\displaystyle S_{0.05}}$ ${\displaystyle I_{a}/S}$ ${\displaystyle S_{0.05}}$ ${\displaystyle S_{0.20}}$

${\displaystyle S_{0.05}=1.33{S_{0.20}}^{1.15}}$

El usuario, entonces, debe hacer lo siguiente para utilizar el ratio de abstracción inicial ajustado de 0,05:

1. Utilice las tablas tradicionales de números de curvas para seleccionar el valor apropiado para su cuenca.
2. Calcula usando la ecuación tradicional: ${\displaystyle S_{0.20}}$ ${\displaystyle S={\frac {1000}{CN}}-10}$
3. Convierta este valor S para usar la relación anterior. ${\displaystyle S_{0.05}}$
4. Calcule la profundidad de escorrentía utilizando la ecuación de escorrentía CN anterior (con 0,05 sustituido por el índice de extracción inicial).

Ver también

• Modelización hidrológica
• Modelo de escorrentía (embalse)
  • Recarga (hidrología)

Referencias

1. Departamento de Agricultura de Estados Unidos (1986). Hidrología urbana para pequeñas cuencas (PDF) . Lanzamiento técnico 55 (TR-55) (Segunda ed.). Servicio de Conservación de Recursos Naturales, División de Ingeniería de Conservación.
2. Hawkins, RH; Jiang, R.; Woodward, DE; Hjelmfelt, AT; Van Mullem, JA (2002). "Método del número de curva de escorrentía: examen del índice de abstracción inicial". Actas de la Segunda Conferencia Federal Interinstitucional sobre Modelización Hidrológica, Las Vegas, Nevada . 42 (3): 629–643. doi :10.1111/j.1752-1688.2006.tb04481.x. S2CID  130013737.
3. Ward, Andy D.; Trimble, Stanley W. (2004). Hidrología Ambiental . Boca Ratón, Florida: CRC Press LLC. ISBN 9781566706162.

enlaces externos

• Calculadora de escorrentía y descarga máxima SCS TR-55
• Calculadora de números de curvas Calculadora de números de curvas gratuita en línea
• Introducción al método del número de curva de escorrentía de SCS