U ni versi dad Na cional de Cuy o Fa cul ta d de Inge nie r ía I n g e ni e r í a C i vil
HIDROLOGIA I UNIDAD 7: INFILTRACIÓN
Ing. Carlos D. SEGERER Ing. Esp. Rubén VILLODAS
2006
ÍNDICE DE TEMAS UNIDAD 7: INFILTRACIÓN .................................................................................................................................... 7-1 TEMA 7.a: GENERALIDADES.......................................................................................................................... 7-1 7.a.1. DEFINICIONES............................................................................................................................... 7-1 7.a.2. FACTORES QUE AFECTAN A LA INFILTRACIÓN ....................................................................... 7-2 7.a.2.i. Condiciones de Superficie ......................................................................................................... 7-2 7.a.2.ii. Características del Suelo ........................................................................................................... 7-2 7.a.2.iii. Condiciones Ambientales........................................................................................................... 7-3 7.a.2.iv. Características del Fluido que Infiltra......................................................................................... 7-3 7.a.3. UNIDADES...................................................................................................................................... 7-3 7.a.4. METODOS DE DETERMINACIÓN................................................................................................. 7-3 7.a.4.i. Infiltrómetros .............................................................................................................................. 7-4 7.a.4.ii. Lisímetros................................................................................................................................... 7-6 7.a.5. INDICES DE INFILTRACION.......................................................................................................... 7-6 7.a.5.i. Índice Ø ...................................................................................................................................... 7-7 7.a.5.ii. Índice W ..................................................................................................................................... 7-8 7.a.5.iii. Índice W Mínimo ........................................................................................................................ 7-8 7.a.5.iv. Absorción Inicial ......................................................................................................................... 7-8 7.a.5.v. Consideraciones Complementarias ........................................................................................... 7-8
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 50. Capacidad de Infiltración “f” ................................................................................................................. 7-1 Figura 51. Infiltrómetro Doble Anillo ...................................................................................................................... 7-4 Figura 52. Infiltrómetro Método de Porchet ........................................................................................................... 7-5 Figura 53. Índices W y Ø ....................................................................................................................................... 7-7
Unidad 7
7-1
UNIDAD 7: INFILTRACIÓN TEMA 7.a: GENERALIDADES 7.a.1. DEFINICIONES
Del total de agua precipitada sobre la superficie de la tierra, una parte queda detenida (almacenamiento superficial temporal), otra discurre por aquélla (escorrentía superficial), y finalmente, una tercera parte penetra hacia el interior. De esta última fracción se dice que se ha infiltrado. En virtud de este concepto, se define la infiltración como el proceso por el cual el agua penetra en el suelo, a través de la superficie de la tierra, y queda retenida por él, o alcanza un nivel acuífero, incrementando el volumen anteriormente acumulado Superada la capacidad de campo del suelo, el agua desciende por la acción conjunta de las fuerzas capilares y de la gravedad. En virtud de ello algunos autores subdividen los conceptos, distinguiendo entre: infiltración propiamente dicha, como el paso del agua de la superficie al interior del suelo; y percolación o filtración, correspondiente a la circulación del agua en el interior del terreno, y que se halla en estrecha vinculación con la infiltración. Horton (1933) denomina como capacidad de infiltración de un suelo, a la máxima cantidad de agua de lluvia que el mismo puede absorber en la unidad de tiempo y en condiciones previamente definidas. Precisamente, la relación entre la intensidad de la lluvia y la capacidad de infiltración es la que determina la cantidad de agua que penetra en el suelo y la que por escorrentía directa alimenta los cauces de las corrientes superficiales. La capacidad de un suelo determinado para absorber agua de lluvia aplicada al mismo en forma continuada y excesiva, decrece gradualmente a partir de un máximo al comienzo de la precipitación, hasta alcanzar un valor mínimo de infiltración, sensiblemente constante, por lo general dentro de un período no mayor a un par de horas. La ley de variación y la duración de tal decrecimiento son funciones del perfil del suelo. Horton relaciona la capacidad de infiltración con la duración de una lluvia de intensidad superior a aquélla en cada momento, mediante la ecuación: Figura 50. Capacidad de Infiltración “f” 90
Capacidad de Infiltración [ mm/h ]
80 f0 70 60 50 40
fC 30 20 10 0 0
/147/ Universidad Nacional de Cuyo
15
30
45
60
75
90
T iempo [ min ]
105
120
135
150
f = fC + (f0 − fC ) * e −kt Facultad de Ingeniería
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7-2
donde:
f
capacidad de infiltración en el instante t
fC
valor constante de la capacidad de infiltración que se alcanza al cabo de un cierto tiempo
f0
valor máximo de la capacidad de infiltración al comienzo de la lluvia
k
constante positiva que depende del tipo de terreno
t
tiempo transcurrido desde el comienzo de la lluvia
Los valores de fC y f0 deben ser obtenidos por medio de mediciones directas. La capacidad de infiltración de un suelo particular al comienzo de la precipitación, es función tanto del perfil del suelo como del contenido inicial de humedad que el mismo presente. Cuando la intensidad de la lluvia sea menor que la capacidad de infiltración, se alcanzará una intensidad de infiltración inferior a la capacidad de infiltración. Esta constituye, por lo tanto, el valor máximo de la intensidad de infiltración, para condiciones predeterminadas del suelo. En ocasiones se sustituye la función “f” por su integral “F”, que permite calcular el volumen total de agua infiltrado en un tiempo t, mediante la expresión: t
F = ∫ f * dt = fC * t +
/148/
0
(f0 − fC ) * (1 − e−kt ) k
7.a.2. FACTORES QUE AFECTAN A LA INFILTRACIÓN 7.a.2.i.
Condiciones de Superficie
El mayor o menor grado de compacidad que presente la superficie del terreno, tendrá notable incidencia en la forma en que se efectúe la penetración del agua, y por lo tanto, en la capacidad de infiltración del suelo. En el caso de superficies desnudas, el suelo se halla expuesto al choque directo de las gotas de lluvia, lo que puede dar lugar a una compactación del mismo, con la consiguiente disminución de la infiltración. Los agregados de partículas son divididos por el agua, que arrastrará de este modo elementos más finos, con mayor posibilidad de penetrar hacia el interior y obturar los poros y grietas, impidiendo o retardando la infiltración. Así, un suelo con excelente drenaje, puede tener una capacidad de infiltración baja, como consecuencia de este “sellado” de la superficie y capas superiores. En cambio, cuando el suelo está cubierto por vegetación las plantas protegen de la compactación por impacto de la lluvia, retardándose además el recorrido superficial del agua, que está así más tiempo expuesta a su posible infiltración, mientras que por su parte, las raíces de los vegetales abren conductos en el suelo que facilitan la penetración del agua. La especie cultivada incide también en la infiltración, en cuanto define una mayor o menor densidad de cobertura vegetal y sobre todo, lo hará también el tratamiento agrícola eventualmente aplicado. La pendiente del terreno influye en el sentido de mantener durante más o menos tiempo una lámina de agua de cierto espesor sobre él. En áreas urbanizadas se reduce considerablemente la posibilidad de infiltración. En zonas con afloramientos rocosos, sin formación de suelo o siendo éste muy incipiente, la infiltración puede llegar a ser prácticamente nula. En los terrenos fracturados, la clase, orientación y tamaño de las fracturas, serán factores de primordial importancia. 7.a.2.ii.
Características del Suelo
La textura del suelo influye por sí y por su influencia en la estabilidad de la estructura, en forma tanto menor cuanto mayor sea la proporción de materiales finos que contenga. Un suelo con gran cantidad de limos y arcillas, está expuesto a la disgregación y arrastre de estos materiales por el agua, con el consiguiente llenado de poros más profundos. Universidad Nacional de Cuyo
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La estructura define el tamaño de los poros. La existencia de poros grandes reduce la tensión capilar, pero favorece directamente la entrada de agua. El calor específico del terreno influirá en su posibilidad de almacenamiento de calor, afectando a la temperatura del fluido que se infiltra, y por lo tanto, a su viscosidad. El aire que llena los poros libres del suelo, tiene que ser desalojado por el agua para ocupar su lugar, lo que reduce la intensidad de la infiltración, hasta que es desalojado totalmente. En ese momento habrá un incremento de esa intensidad, para finalmente seguir la curva característica indicada en la Figura 50. 7.a.2.iii.
Condiciones Ambientales
La humedad inicial del suelo tiene una importancia capital en el proceso. Cuando el suelo se halla seco al comienzo de la lluvia, se crea una fuerte capilaridad al humedecerse las capas superiores, efecto que se suma al de gravedad, incrementando la intensidad de infiltración. A medida que el suelo se humedece, las arcillas y coloides se hinchan por hidratación, cerrando los vacíos y disminuyendo en consecuencia la capacidad de infiltración. Cuando un suelo tiene completa su capacidad de absorción de agua al comenzar la precipitación, resulta evidente que la cantidad de agua que admitirá será mucho menor. En ocasiones, la temperatura del suelo puede ser suficientemente baja, como para provocar el congelamiento del agua recibida. La capa helada que se forma, puede considerarse prácticamente impermeable. No obstante, el agua de lluvia puede llegar a proporcionar calor suficiente para la fusión de esa primitiva capa y penetrar en el terreno. 7.a.2.iv.
Características del Fluido que Infiltra
En primer lugar, debe considerarse el espesor de la lámina de agua sobre el terreno, que favorece la infiltración. La turbidez del agua incide especialmente por los materiales finos en suspensión que contiene, los que penetran en el suelo y reducen por colmatación la permeabilidad, y por tanto, la intensidad de infiltración. El contenido de sales, en ocasiones favorece la formación de flóculos con los coloides del suelo, reduciendo en consecuencia, por el mismo motivo anterior, la intensidad de infiltración. En otros casos, puede ocurrir lo contrario, si se produce defloculación. La temperatura del agua afecta a su viscosidad, y en consecuencia, a la facilidad con que aquélla discurrirá por el suelo. Debido a esta causa, diversas mediciones efectuadas, han permitido comprobar intensidades de infiltración menores en invierno que en verano, a igualdad de las demás condiciones. 7.a.3. UNIDADES
Es corriente utilizar como unidad de medida de la infiltración el mm/h, ocasionalmente el mm/día. Para mediciones directas, los intervalos de tiempo entre dos medidas sucesivas son generalmente más cortos, pero el resultado se expresa reduciéndolo a alguna de las dos unidades citadas. 7.a.4. METODOS DE DETERMINACIÓN
Todos los factores que afectan a la infiltración, tal como fue analizado en 7.a.2, tienen un carácter eminentemente local. Por tal motivo, los métodos para determinar la capacidad de infiltración tienen sólo un valor relativo, e incluso, en muchos casos, los resultados dependen del método empleado. Existen tres grupos fundamentales de métodos: a) infiltrómetros b) lisímetros c) análisis de hidrogramas de escorrentía en cuencas pequeñas Para la comprensión de este último método deberán tomarse en consideración los conceptos correspondientes a hidrogramas, que se desarrollarán en la Unidad correspondiente. Universidad Nacional de Cuyo
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7.a.4.i.
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Infiltrómetros
Se los utiliza para mediciones puntuales, y con ellos, la capacidad de infiltración se determina en forma directa. Con bastantes reservas, los valores obtenidos pueden aplicarse a pequeñas cuencas homogéneas. Para cuencas mayores y no homogéneas en suelo o vegetación, las mismas deberán subdividirse en áreas que lo sean y efectuar mediciones individuales en cada una de ellas, que se consideran representativas para el área homogénea a que correspondan. Existen fundamentalmente dos tipos de infiltrómetros, que se consideran a continuación. Infiltrómetro Tipo Inundador
La capacidad de infiltración se deduce del volumen de agua que es necesario añadir para mantener una lámina de espesor constante sobre un área bien definida del terreno. Se debe procurar que este espesor sea similar al que habitualmente tiene la lámina de agua después de una lluvia o riego. Los defectos más importantes de este tipo de infiltrómetros son que se anula la compactación que produce la lluvia, y que no es posible aplicarlos sin alterar la estructura del terreno. Los diferentes modelos difieren en forma y métodos de medida. Algunos de ellos son: Cilindros concéntricos (Método de Müntz)
Están constituidos por dos superficies cilíndricas metálicas, abiertas por ambas bases y unidas entre sí para mantenerlas concéntricas al hincarlas parcialmente en el terreno, hasta una profundidad de unos 10 cm. Figura 51. Infiltrómetro Doble Anillo
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El cilindro interior tiene un diámetro de 9’ (22,86 cm) y el exterior 14” (35.46 cm). Se vierte una cantidad conocida de agua hasta que cubra suficientemente la punta de una varilla de medición situada en posición vertical en el área encerrada por el cilindro interior, mientras que entre los dos cilindros se mantiene ese mismo nivel de agua. La función del cilindro exterior es únicamente la de impedir la expansión lateral del agua infiltrada a través de la proyección del perímetro del cilindro interior. Al cabo de un cierto tiempo, que debe ser medido, la lámina de agua enrasa con la punta de la varilla y se repite la operación de añadir una cantidad conocida de agua. Midiendo los tiempos que tardan en infiltrarse estos volúmenes de agua, se deduce la capacidad de infiltración y su ley de variación en función del tiempo. En ocasiones, se van midiendo los descensos del nivel del agua, para intervalos predeterminados de tiempo, que se van espaciando a medida que decrece la capacidad de infiltración. Cilindro Excavado en el Suelo (Método de Porchet)
Se excava en el suelo un hoyo cilíndrico de radio “R”, lo más regular posible, y se lo llena de agua hasta una altura “h”. La superficie a través de la cual se infiltra el agua es: /149/
S = (2 * π * R ) * h + π * R 2 = π * R * (2 * h + R ) Figura 52. Infiltrómetro Método de Porchet
Para un tiempo “dt”, suficientemente pequeño como para que pueda considerarse constante la capacidad de infiltración “f”, en el cual se produce un descenso “dh” del nivel del agua, se verificará que: π * R * (2 * h + R ) * f * dt = − π * R 2 * dh
f * dt = −R * /150/
t2
dh 2h + R
h2
dh
∫t1 f * dt = ∫h1 − R * 2h + R f=
⎛ 2 * h1 + R ⎞ R ⎟⎟ * ln⎜⎜ 2 * (t 2 − t1 ) ⎝ 2 * h2 + R ⎠
Así, para determinar “f”, basta medir pares de valores (h1, t1 ) y (h2 , t 2 ) , de forma que “ t1 ” y “ t 2 ” no difieran demasiado, y aplicar la expresión /150/. Cabe observar que como con estos dispositivos se mide la infiltración acumulada, la gráfica representativa presenta una curvatura inversa (respecto al eje x) que la que muestra la Figura 50, con valor de infiltración cero en el origen de coordenadas. Infiltrómetro Tipo Simulador de Lluvia
El agua se distribuye lo más uniformemente posible sobre la parcela de cuyo suelo se quiere determinar la capacidad de infiltración, mediante un sistema de tipo a presión. Estas parcelas son de pequeño Universidad Nacional de Cuyo
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tamaño (1 a 40 m²) y para comprobar la uniformidad del reparto y medir el agua recibida, se colocan en ella algunos pluviómetros. Debe disponerse, asimismo, un sistema para medir la escorrentía directa. Conocidos el agua aportada “P” y la escorrentía “E”, y despreciando la evapotranspiración, por ser muy cortos los intervalos entre mediciones sucesivas, el valor de la infiltración estará dado, en el correspondiente intervalo de tiempo, por la igualdad I = P – E. Con este dispositivo se intenta reproducir lo más exactamente posible, la forma natural de ocurrencia del fenómeno. Algunos modelos aplican cierta presión al agua distribuida, para que la compactación del terreno sea similar a la que produce la lluvia. Existen varios modelos que se diferencian en la forma de aplicar el agua, y la principal condición para elegir uno u otro, es que esta aplicación se acerque lo más posible a las condiciones locales. 7.a.4.ii.
Lisímetros
Los lisímetros ya fueron descritos en 6.c.4.ii, cabiendo destacar que los primeros modelos construidos tenían como objetivo la determinación de la infiltración y usaban para ello un colector de agua que atravesaba totalmente el terreno contenido en el aparato. El sistema, con algún perfeccionamiento, como dispositivos de succión, capas drenantes, etc., ha llegado a la actualidad. Al agua recogida en el colector debe añadirse la medida del incremento en retención por el terreno y una estimación de la parte de agua infiltrada que se pierde luego por evapotranspiración. Esta última puede despreciarse en intervalos cortos de tiempo. En el apartado antes mencionado se hace mención a las limitaciones que se derivan del uso y artificialidad de los lisímetros. 7.a.5. INDICES DE INFILTRACION
Con una elevada capacidad de infiltración y una moderada intensidad de precipitación, algún tiempo puede transcurrir desde el comienzo de la lluvia, hasta que el exceso de precipitación supere la capacidad de absorción del suelo, de forma tal que se produce una pérdida inicial antes del comienzo de que la precipitación que cae genere escurrimientos sobre el terreno, precipitación a la que se designa como precipitación efectiva o precipitación eficaz. Otro factor que afecta la aplicación práctica de la teoría de la infiltración en cuencas no muy pequeñas, es el debido a la variación areal de la intensidad de las precipitaciones, como consecuencia de la cual la lluvia eficaz (o el escurrimiento de ella derivado), no se produce con iguales características sobre la totalidad del área de la cuenca. Asimismo, la variación en las cantidades de agua precipitada en diversas partes de la cuenca de drenaje, se traduce en períodos en los que no se produce precipitación efectiva, con la consecuente interrupción en la estabilización del decrecimiento de la capacidad de infiltración. Como consecuencia de las aproximaciones involucradas en la aplicación de la teoría de la infiltración a cuencas de drenaje naturales, la cantidad de pérdidas (precipitación total menos escorrentía directa), para un evento aislado, ha sido introducida bajo el concepto de los denominados “Índices de Infiltración” constituidos por valores constantes, que expresan por lo general la intensidad de infiltración a través de un valor medio estimado de la misma, que se mantiene constante a lo largo de la precipitación. Teniendo en cuenta que la capacidad de infiltración real decrece en lluvias prolongadas, el uso de un valor promedio conduce a considerar infiltraciones más pequeñas durante la primera parte de la tormenta y mayores en las cercanías de su finalización. Por este motivo, los índices de infiltración se prestan más para la determinación de máximas crecidas producidas por tormentas que inciden sobre suelos húmedos, o para tormentas de intensidad y duración tal que permitan asumir que la magnitud de la infiltración ha alcanzado su valor final ya durante la primera parte de la tormenta. La aplicación de estos índices a tormentas moderadas se convierte en un procedimiento totalmente empírico, y debe por consiguiente prestarse especial atención en el caso particular bajo estudio a las condiciones de humedecimiento del suelo durante la precipitación y a la humedad antecedente del mismo. Universidad Nacional de Cuyo
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7.a.5.i.
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Índice Ø
El índice Ø es un valor promedio de infiltración (en mm/h) calculado a partir del yetograma de una tormenta, de manera tal que el volumen de precipitación en exceso respecto a dicho valor iguale al volumen de precipitación efectiva: Ø=
/151/
PT − Pef t ef
donde: PT
es el total de agua precipitada
Pef
el total de agua que produce escorrentía superficial (o precipitación efectiva)
t ef
el tiempo durante el cual la intensidad de precipitación es mayor que Ø Figura 53. Índices W y Ø 50
45
40
Intensidad [mm/h]
35
Pef
30
25
i+s
20
I Ø
15
W
10
5
0
0
1 ∆t
∆t 2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Tiempo [min]
De su definición surge que el valor correspondiente a este índice incluye todas las porciones de precipitación que no llegan a discurrir superficialmente a través de la sección de la cuenca considerada, o sea que engloba a las alturas lámina de agua correspondientes a: infiltración (I), intercepción (i) y almacenamiento (o retención) superficial durante la crecida (S). Cabe tener en cuenta que parte del agua que se registra como superficial a su paso por la sección de control puede haber penetrado antes en el terreno y percolado a través de él, para verter finalmente al cauce de aguas vistas. Para su determinación se requiere contar, por una parte con el hidrograma de salida, y por otra, con el yetograma del aguacero correspondiente. Del primero, midiendo el volumen de escorrentía directa y dividiendo por el área de la cuenca activa, puede determinarse el valor total de la precipitación neta, en mm. Luego se trazan (por tanteos) en el yetograma correspondiente, paralelas al eje de los tiempos, de modo tal que la porción del yetograma situada encima de las mismas equivalga a la altura de la lámina de agua escurrida (o sea de precipitación efectiva). La ordenada de la paralela que verifica esta condición indicará el valor del índice Ø buscado. Tal valor podrá ser posteriormente utilizado para calibrar modelos de escurrimientos y simulación de crecidas de la cuenca, aplicable a precipitaciones previsibles de distintas intensidades, o a estudios hidrológicos de cuencas próximas de las que se carezca de datos de aforo (por ejemplo) y que sean homogéneas con la cuenca primitiva. Universidad Nacional de Cuyo
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7.a.5.ii.
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Índice W
Este índice constituye un refinamiento del anterior, al excluir en su determinación las retenciones por almacenamiento superficial (E) e intercepción (i). Su expresión en consecuencia estará dada por (figura 4) W=
/152/
PT − Pef − S − i S+i = Øt ef t ef
Del mismo modo que el índice Ø, se determina trazando una paralela al eje de los tiempos que limite en el yetograma un área equivalente a la suma de los volúmenes de escorrentía superficial y la retención superficial, el primero medido en la estación de aforos y el segundo estimado. Aun cuando este índice aparezca como interpretando más ajustadamente el concepto de infiltración, al no incluir en la misma las retenciones superficiales, la dificultad en determinar estas últimas es tal, que dejarla combinada con la infiltración es posiblemente igual de aproximado. 7.a.5.iii.
Índice W Mínimo
Este índice se calcula cuando el suelo presenta condiciones de elevada humedad y laL capacidad de infiltración ha alcanzado su valor mínimo final constante. Se lo utiliza primordialmente en estudios del potencial máximo de inundación. 7.a.5.iv.
Absorción Inicial
La absorción inicial, a veces llamada pérdida inicial, se define como la máxima cantidad de precipitación que puede ser absorbida por el suelo bajo condiciones específicas sin que se produzca escurrimiento. Sus valores dependen fundamentalmente del tipo de suelo y de la humedad antecedente del mismo, y pueden variar, muy en general, desde menos de 10 mm en estaciones húmedas, hasta aproximadamente 40 mm en veranos muy secos. Para las condiciones que generalmente preceden a las grandes crecidas en regiones húmedas, las pérdidas iniciales pueden ser del orden de 5 a 12 mm, o sea que son relativamente pequeñas comparadas con los volúmenes de escorrentía. En consecuencia, en estos casos el efecto de la absorción inicial puede ser despreciado sin introducir errores importantes en la cuantificación de tales crecidas. Por el contrario, se constituye en un factor importante en el caso del análisis de tormentas que se producen después de severos períodos sin precipitaciones, en los que se subvaloraría la infiltración inicial en caso de que se recurriese a algunos de los índices de valor constante referidos en los apartados anteriores. 7.a.5.v.
Consideraciones Complementarias
La deducción de índices de infiltración es relativamente simple, y este procedimiento se halla rodeado de un aura de lógica debido al nombre de índice de infiltración; sin embargo, en la realidad, los índices no son más que tasas promedio de pérdida y su magnitud depende altamente de las condiciones antecedentes, de modo que no son superiores a las relaciones multivariadas. El índice ha sido utilizado en ciertos análisis de hidrogramas para definir el patrón de tiempo de la lluvia efectiva. En estos casos, el volumen real de escorrentía es conocido y no existe ningún problema en la determinación de Ø, a pesar que, como la infiltración real no es uniforme, el patrón de escorrentía obtenido a partir de Ø puede no ser correcto. En general los índices de infiltración se utilizan en sentido inverso, es decir, se supone que tienen un determinado valor, y restándolo del yetograma, se llega a poder construir un hidrograma aproximado del volumen de escorrentía en una sección del cauce. Pero cualquiera que sea la forma de utilización de estos índices, sólo puede esperarse de su aplicación resultados aproximados.
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