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If 'V 12CLIMA Y EROSION HIDRICA

Wilhelm-Gunther Vahrson1INTRODUCCION

Dentro del ambito tropical, la precipitacion es el parametromas importante para la agricultura, y eso no solo en terminos deexceso y de deficit de agua y SUB probabilidades, sino tambien enterminos de laB posibles intensidades y la energia cinetica de laBlluvias, que normalmente superan en alto grado lOB valores conoci-dos para zonas templadas (JACKSON 1977, HUDSON 1981, SANCHEZ 1981,VAHRSON 1993).

Uno del loB factores mas importantes que intervienen en laerosion hidrica de lOB suelos es el clima, y dentro del clima debendestacarse laB cantida~es y intensidades de laB lluvias, asi comosu distribucion temporal. A su vez, laB cantidades e intensidadesde laB lluvias estan ligadas ala energia cinetica. Sin embargo, elproblema de la erosion hidrica no puede entenderse como un sistemaestatico, en el cual laB mismas tormentas producen lOB mismosresultados, sino se trata de un sistema sumamente dinamico. Elintento de analizar la erosion hidrica solamente en funcion delclima tiene que fracasar necesariamente, si no se toma en con-sideracion otros aspectos como el usa y el manejo del suelo, laB

fc!k;"; coberturas, el desarrollo del suelo, procesos como la formacion de?;~ cortezas etc.;;!~~,:

~n el primer capitulo se presentara aspectos generales delclima en Costa Rica, para seguir despues con un breve analisis delaB clasificaciones actualmente aplicadas en Costa Rica. Elcapitulo siguiente entra a la relacion entre la precipitacion y suenergia cinetica, a nivel general y tambien con resultadosespecificos para Costa Rica, para seguir despues con aspectos delaB intensidades de la precipitacion y su potencial erosivo.

ASPECTOS DEL CLIMA EN COSTA RICA

Regiones climaticas

En Costa Rica, se puede diferenciar claramente tres grandesregiones climaticas:

- La region Caribe, que esta casi continuamente expuesta a lainfluencia de lOB vientos alisios del este y donde dominan enel caBO de laB lluvias extremas eventos que abarcan par untiempo largo zonas relativamente grandes (escala macro ymeso). Estas tormentas se caracterizan generalmente par

1 Dr. Wilhelm-Gunther Vahrson, programa MADE (Morfoclimatologia~ Ap~icad~ y Dina~ica Exogena), Esc,uela de Cie?cias Geograficas,

Unlversldad Naclonal, 3000 Heredla, Costa Rlca. Fax: 38 00 86.

,-'\ .

2 ~'intensidades pica no tan altas! pero por grandes volumenes de~

lluvias; no existe una epoca seca bien definida,

- La vertiente Pacifico con una epoca seca que corresponde alinvierno, Aqui las lluvias extremas estan generalmentegeneradas por fenomenos locales que provocan eventos de laBescala micro y meso (tormentas muy pronunciadas, con duracio-nes cortas y intensidades muy altas). Este cornportamiento sepresenta mas claro en el norte de la vertiente del Pacifico;

- Las zonas altas con elevaciones superiores a 2100 m, donde laBintensidades de las lluvias son normalmente bajas. La distri-bucion de las lluvias corresponde al regimen del Pacifico conuna epoca seca en el invierno. pero tambien en estas regionesexisten excepciones: ..Muy raras veces pueden presentarsetormentas locales muy severas con intensidades sumamentealtas,

LAS CLASIFICACIONES ACTUALMENTE UTILIZADAS EN COSTA RICADentro de laB clasificaciones actualmente aplicadas debe

mencionarse en primer lugar el sistema de "zonas de la vida"(HOLDRIDGE 1978) que en el tropicci esta basada en la relacion desolo dos valores: La precipitacion promedio anual y la evapo-transpiracion potencial anual, De este sistema de clasificacionescribe SANCHEZ (1981, p. 25): 'La desventaja principal es que ignora la ')

distribuci6n de laB lluvias, que es probablemente el parametro climatico supremo. ~POT ejemplo, laB sabanas de lOB llanos orientales de Colombia aparecen como'bosque t~opical bUmedo' debido a su alta pluviosidad aDual, y pOT 10 tanto enla misma categoria que laB selvas amaz6nicas,' Asi, no puede dar ningunainformacion en c'l.lanto a la distribuciol'l temporal de la precipita.-cion y de posibles deficits y exGesos Y rnerros todavia de lQsaspectos importantes en cuanto a la erosion hidrica, como laBintensidades potenciales y el potencial erosivo de laB lluvias. Por10 tanto, queda incomprensible como la metodologia actual para ladeterminaci6n de la capacidad del uso del suelo considera comoprincipal informacion climatica laB "zonas de la vida".

Aqu1 ~~ ~ebe agresar la existencia de estudios mas adecuados~ara fines a9to~11m~ti~o~ que lamentablQmant~ no hart encontradotartta aceptat:!iOfi, G~fuO el trabajo de HANCoC1<S & KAR(fR,'AVES (1971)que determihci a rliVel m@rt~ual para. diferentas f1iveleS de probabili-dad las precipitAciones y la necesidad de riego, los estudios deROJAS (1985 a,b) que analizan las frecuencias de las lluvias anivel decadal, 0 el trabajo de VAN WAMBEKE (1987) que analiza lahumedad del suelo dentro del sistema de la Soil Taxonomy.

ENERGIA CINETICA Y EROSIVIDAD DE LA PRECIPITACION

Muchas ecuaciones describen la relaci6n entre la intensj.dad,cantidad y energfa cinetica de las lluvias para cuantificar larelaci6n entre el clima y la erosion de suelos: La gran mayoria de'e'~ttj~ tr-abajo; astj basado en las relaciones en~re:,i.ntensiaad, ~

. ,""~";~~\" i.'~:

.

3

"~ velocidad y tamano de laB gotas de LAWS (1941) y LAWS & PARSONS(1943). La ecuacion mas conocida es la de WISCHMEIER respec-tivamente WISCHMEIER & SMITH (1958, 1959, 1978) para la EcuacionUniversal de Perdida de Suelos, que combina la Energia cinetica dela lluvias con la intensidad maxima de la precipitacion y llega aun parametro que esta muy ligado a la erosion laminar.

Segun estos autores, la energia cinetica puede determinarsepar media de la formula siguiente:

E = 210 + 89 log I < 7.6cm/h -(1)E = 289 > 7.6cm/h

donde E energia cinetica (t*m/ha/cm)I Intensidad de la precipitacion (cm/h)

..

El indice de la erosividad de la precipitacion (R) sedetermina de la manera siguiente

R = L:: EI30 (2)

donde 130 intensidad maxima durante 30 min.

Aqui cabe destacar que este famoso factor "R" es el promediode laB sumas anuales de varios anos y que no debe utilizarse paraeventos aislados, y que ademas no es alga estrictamente "fisico",

*;~ sino el resultado de regresiones multiples con una dominanciamarcada de laB condiciones del media oeste de loB EEUU.

(

Para la relacion entre la energia cinetica y la intensidad delaB lluvias existen tambien otras expresiones, resumidas en LAL(1988), JANSSON (1982) Y VAHRSON 1993:

Segun KINNEL (1973):

KE = 8.37 * I - 45.9 (3)

donde KE energia cinetica (ergs cm -2 s -1 )I intensidad ( 0 - 300 rom/h.

Segun HUDSON (1965) para Zimbabwe:

KE = 29.8 - (127.5 / I) (4)

donde KE energia cinetica ( J m-2 mm-1 )

I intensidad (mm/h), solo para intensidades > 25rom/h.

L

, .

4

Segun KOWAL & KASSAM (1976) para Nigeria: i:;~~'KE = 41. 4 ( P - 12 0 . 0 ) * 1 0 0 0 ( 5 ) ~~~~~~

donde KE energia cinetica ( ergs/cm)P precipitacion (mm) de un evento

Tambien para Nigeria, Begun LAL (1976):

KE = 24.5 * P + 27,6 (6)KE = 18.2 * 130 + 18.2 (7)

donde KE energia cinetica ( J/m2 )P Precipitacion (mm)130 intensidad maxima durante 30 min.

La energia anual determina ELWELL (1978) con base en laBcantidades de la precipit~cion:

E = 17.368 * P (areas con lloviznas) (8)E = 18.846 * P (otras areas) (9)

donde E energia cinetica anual ( J/m2 )P precipitacion anual

Basado en la cantidad maxima de la precipitacion de 6 horascon un periodo de retorno de 2 anos determina WOODWARD (1975) la ~erosividad de la precipitacion (R) de la manera siguiente:

R = o. OQ829 * P262.2 para Sierra Nevada,, Washington (10)

R = 0.0134 * P2,62.2 North Carolina, Alaska (11)

R = 0.0245 * P 2.17 resto EEUU (12)2,6 ,

Puerto Rico, Virgin Islands

donde P2,6 cantidad maxima de la precipitacion con una dura-cion de 6 horas y un periodo de retorno de 2 anos

R factor de erosividad anual ( foot ton inch / acre hour)

La ecuacion (12) ha sido aplicada par VAHRSON (1990) paradeterminar el factor "R" en Costa Rica (ver mapa 1).

FOURNIER (1960, 1967) define la siguiente expresion comoindicador del potencial erosivo de la precipitacion, analizando loBmateriales en suspension de varias cuencas:

C = p2/p (13)

donde C Indice de erosividad (s.u.)p precipitacion del mes mas lluvioso (mm)P precipitacion anual (mm) ~

V

,(~ '--~"-'\ .

,~c'

5'--'

Este indice ha sido modificado par la FAO (1977) de la formasiguiente:

C = L Pi2/p (14)

donde Pi precipitacion del mes i (mm)P precipitacion anual (mm)

Situacion en Costa Rica

Para Costa Rica determina VAHRSON (1993) para zonas con unadominancia de lluvias convectivas producidas par eventos locales(Barva de Heredia y Cerbatana de Puriscal) mediante 860 medicioneslaB siguientes relaciones entre la energia cinetica yla intensidad(15, 16) Y la energia cinetica y la cantidad de la precipitacion

..

(17, 18):

Relacion:~ntensidad - energia cinetica

Eh = 16.65 * 11.1267 (J/m2/h) (r2 = 98.6%) (15)

donde Eh = Energia cinetica (J/m2/h)I = Intensidad de la precipitacion (mm/h)

esta expresion ~uede convertirse en:

~;t~ 16.65 * I 1,1267Et = (- - - - - - - - - - - - - - - - -

I

= 16.65 * 10.1267 (J/mm/m2) (r2=0.385) (L6)

Relacion: cantidad - energia cinetica

E = 19.17 * N 1.19 (r2=0.97) (17)

donde E = energia cinetica (J/m2)N = cantidad de la precipitacion (mm) (hasta 12 mm)

0, aplicando una ecuacion lineal:

E = 25.69 * N (r2=0.95) (18)

Estas ecuaciones se acercan bastante a lOB valores arribamencionados, especificamente a lOB publicados par HUDSON y LAL. Laformula (18) pude aplicarse par su line~ridad directamente a losvalores de la precipitacion anual para zonas con una dominancia delluvias convectivas de carta duracion, 0 sea a toda la vertientepacifico excluyendo zonas superiores a lOB 2000 me indica la granimportancia de la energia cinetica en esta zona.

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,

6 ~

"~~Restricciones en la aplicabilidad ",::c("..~

Todas estas ecuaciones analizan de alguna manera la energiacinetica de la precipitacion y tienen asi mucho que ver con lasalpicadura par laB gotas, la destruccion de agregados del sueloy la formacion de cortezas en laB superficies.

Al mismo tiempo, solo sirven como indicadores de generalidadesy no pueden aplicarse al analisis de casas aislados. Fig. ...indica esto para una tormenta en Santa Lucia de Barva de Heredia,el 5 de junio 1992: Se puede ver claramente, que la energiacinetica depende en alto grado del tamano de laB gotas (parteinferior del grafico) , que es muy variable durante fases inicialesde tormentas con intensidades relativamente bajas.

Potencial erosivo de la pr~cipitacion

El mapa del factor "R" (mapa 1) refleja con valores bajos enlaB zonas altas par 10 menDs esta ultima situacion, pero, par estarbas ado en lOB valores de laB cantidades maximas de 6 horas (formula12) tiende a subestimar el potencial erosivo en laB zonas de lavertiente Pacifico con lluvias generalmente cortas y eventualmentesobreestima el problema en laB zonas del Caribe. Ademas, se hapodido mostrar que la EUPS no es aplicable en el tropico humedo(VAHRSON & CERVANTES 1991). ~Intensidades para el diseno de obras fisicas de conservaci6n desuelos (

El mapa 2 (VAHRSON & DERCKSEN 1990) sirve para el diseno deobras fisicas de conservacion de suelos e indica, para un periodode retorno de retorno de 10 arias, la posible intensidad de laBlluvias con una duracion de 15 minutos. Mediante el nomograma (fig.2) se puede transformar esta informacion de intensidades aduraciones de 5 hasta 60 minutos, Begun el tiempo de concentracionde una obra, y calcular asi mediante la formula racional lacapacidad necesaria para una obra de conservacion como par ejemplouna acequia.

OBSERVACIONES EN COSTA RICA

Lluvias iguales - erosion diferente

Estos dos mapas a su vez nos indican en forma ejemplar algunosde lOB problemas que existen en la cuantificaci6n del problema dela erosion: En ambos casas, se estan utilizando conceptos sumamenteestaticos, como la EUPS, como la formula racional, como el tiempode concentracion, que no taman en consideracion ciertos cambiosimportantes que pueden haber ocurrido, a veces a muy carta plazadentro de un evento y provocado par el mismo evento. Aqui se puede ~mencionar, par ejemplo el sellamiento de la superficie (surface <Jsealing); a mediano plaza, como par ejemplo cambios en la humedad

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7

~ antecedente de un suelo 0 el cambia de la rugosidad superficial parla destruccion del sistema de zanjas al contorno. 0 sea, el mismoevento de lluvias fuertes puede producir respuestas muy diferentesen cuanto a la erosion y escorrentia. El cuadra 1 presenta dosejemplos de este problema:

CUADRa 1: Tormentas con caracteristicas muy parecidas producenrespuestas muy diferentes. Mediciones en Cerbatana dePuriscal, bajo tabaco. Precipitacion total (PREC),Intensidad maxima durante 5 Minutos (IS), Energiacinetica (ECIN), Escorrentia superficial (ESC), In-filtraci6n (INF), erosion (EROS).

FECHA 02/10/92 05/10/92 11/10/92 20/10/92

PREC (mm) ~1.2 69.1 38.2 61.2IS (mm/h) 62.5 138.0 68.0 92.0ECIN (J/m2) 1060 1800 1000 1600ESC (rom) 4.7 26.8 4.6 5.2INF (mm) 36.5 42.3 33.6 56.0EROS (kg/ha) 36 3083 1031 868

Los eventos del 2 y del 11 de octubre y del 5 y del 20 deoctubre respectivamente poseen caracteristicas muy parecidas, pero

c~ SUB respuestas en cuanto a la escorrentia y la erosion son muy," diferentes, debido al rompemiento de la estructura de zanjas al

contorno durante el evento del 5 y el cambia de la humedadantec~dente en el suelo.

Mas erosion al comienzo de la epoca lluviosa?

Otro aspecto de la erosi6n hidrica que se menciona muchasveces que al comienzo de la epoca lluviosa generalmente la erosiones mas alta que durante lOB meses siguientes, par falta y par eldesarrollo deficiente de la cobertura vegetal. Sin embargo,nuestras observaciones del periodo 1990 - 1992 en Cerbatana dePuriscal en suelos con agregados sumamente estables indican algadiferente: con el comienzo de la epoca lluviosa a finales de abrily durante el roes de mayo lOB valore~ de la erosion y escorrentiason generalmente bajos y el suelo aumenta su grado de saturaci6ncon agua. Los mayores problemas de erosionpueden observarsenormalmente durante la segunda parte de la epoca lluviosa, con lOBsuelos mas saturados. 0 sea, que par 10 menDs en bajo laB con-diciones especificas de nuestras parcelas no se pudo observar estefenomeno (ver cuadra 2).

Sin embargo, lOB valores muy altos en la segunda parte de laepoca lluviosa del ano 1991 son un resultado indirecto <;ie lasituacion climatica: Un veranillo muy prolongado de alrededor de 7semanas durante lOB meses de Julio yAgosto provoco una maduraci6n

~ precoz e irregular del cafe. Entonces, lOB recolectores tenian que

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8,--

entrar frecuentemente a lOB cafetales en un momenta cuando lOB ~~suelos estaban altamente saturados y vulnerables (VAHRSON &PALACIOS 1993), provocando asi un incremento fuertede la erosi6n.

CUADRO 2: Valores mensuales de la erosion bajo cafe, observados enCerbatana de Puriscal.

=================================================================CAFE 1 CAFE 2

. .1990 1991.. 1992 1990 1991 1992KG/HA EN - 0.0 0.0 .;. 0.0 0.0

FE ,. ~ c_- -c.- 0 . 0 b . 0 - 0 . 0 0 . 0MA - 0.0 0.0 - 0.0 0.0AB .: 15.9 0.4 - 27.4 0.1MY 554.3 18.1 34.9 1.3 4.4 4.4JU 165.3 113.4 3'0.4 0.5 64.0 8.5JL 42.2 0.1 8.2 1.3 0.1 4.0AG 2.9 291.5 11.5 2.2 489.3 128.0SE 174.9 311.5 17.9 6.6 633.3 7.7OT 13.0 1942.0 162.5 16.8 452.8 54.7NO 368.3 549.0 107.2 101.9 704.4 30.6DC 42.6 5.4 17.1 37.4 26.5 3.5

TOT 1363.6 3247.0 390.0 167.9 2402.0 107.7

rJ

La cobertura no desaparece a finales de la epoca lluviosasimplemeqte par razones climaticas sino mas bien se debe mencionarel manejo del suelo y practicas culturales como la quema que poseenuna importancia muchomayor que el clima: Despues de upa solatormenta se pudo observar en una plantaci6n de papas en barbecho enun Andept sumamente cerca de Tierra Blanca de Cartago una perdidade suelo entre 1 y 3 cm, correspondiendo a mas de 100 t/ha en unsolo evento. En este caBo, el suelo qued6 despues de la cosecha (ensetiembre) totalmente descubierto, formando rapidamente unacortezaque impidi6 la infiltraci6n.

CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES

En cuanto al problema de la erosi6n hidrica y su relaci6n conel clima, se ha demostrado que no existe una relaci6n simple quepermite determinar la erosi6n en funci6n del clima. sin embargo,se podemos nombrar loB siguientes dos problemas generales:

1) A nivel analitico: Cuales son laB tazas reales de la erosi6n,y cual es su impacto real?

2) A nivel de accion: Cuales son laB medidas mas indicadas parareducir y evitar la erosi6n acelerada y proteger asi en unamanera amplia loB recursos suelo y agua? ~",;:";f1'~

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9

."-'" Adl i Para este fin, hacen falta mas mediciones de la erosion,bajo diferentes tipos de manejo, en diferentes suelos, bajodiferentes cultivos etc.

ii Estos resultados pueden utilizarse para una calibracionposterior de modelos agroecologicos complejos como el WEPP,como el EPIC 0 el OPUS que trabajan a su vez con la infor-macion de programas de generacion de informacion climatica(como por ejemplo el CLIGEN, que a su vez requiere primero deun analisis de su aplicabilidad en el tropico). Estos modelospueden hacer un analisis dinamico de loB problemas de laerosion hidrica, superando laB deficiencias de loB modelosUSLE, de la formula racional etc.

iii Al mismo tiempo, debemos estar conscientes que estosmodelos casi mecanicos tambien tienen SUB restricciones muyimportantes: Por su complejidad y por la interrelacion einterconecciondediferentes componentes, estos modelos puedenvolverse inestables y desconectarse de la realidad.

Pero para tomar medidas practicas, no hace falte esperar a lOBresultados de loB ensayos cientificos, y laB conclusiones aqui sonobvias:

Ad2 i Se pudo mostrar que la energia cinetica de la lluvia es'i""'~ muy alta en el tropico y en Costa Rica. Una implicacion~kfi,:;ie inmediata de esto es que se tienen que reducir el impacto

directo de laB gotas en el suelo, 0 sea que el suelo siempret'iene que estar protegido por una cobertura de plantas bajas.Plantas como por ejemplo el maiz, el tabaco 0 la teca 0 melinacon hojasmuy grandes provocan 10 contrario: En estos casos,el agua puede acumularse sobre laB hojas y forman gotas muygrandes, que despues al caer con mucha velocidad y energiacinetic~ sobre el suelo descubierto producen un impacto muy

grande.

ii laB intensidades altaf: de laB lluvias requieren de unbuen manejo de laB aguas de escorrentia

iii el sistema actual de clasificacion de la capacidad deluso del suelo es obsoleto y debe sustituirse por un sistemamas complejo que debe tomar en consideracion la interaccion dediferentes factores, por ejemplo el riesgo de la formacion decortezas, producidas por lluvias intensas con una coberturadeficiente, la distribucion temporal de laB lluvias y suprobabilidad de ocurrencia, posibles intensidades de laBlluvias, la respuesta del suelo bajo diferentes condiciones demanejo, bajo diferentes cultivos etc.

Concluyendo se puede decir, que por laB intensidades y la\ energia cinetica altas de laB lluvias existe en muchos lugares un~ alto potencial de la erosion hidrica, pero que siempre el manejo de

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10

los Cul~~vOS y del suelo los factores que tienen mayor impacto en ~la erOS10n. y

\!!!~

RECONOCIMIENTOS

Este trabajo esta parcialmente basado en estudios financiadospar el CONICIT, la FAO, el PRODAF en cooperaci6n con la DGF enPuriscal de Costa Rica.

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.

MAPAS Y FIGURAS

Fig. 1: Intensidad, energia cinetica, y tamano de las gotas duranteuna tormenta en Santa Lucia de Barva de Heredia. Parteinferior del grafico: Distribuci6n de tamanos de las gotas,

!"c~ D1.0: 0.0-1.0 mm, D1.8: 1.0-1.8 mm, D3.0: 1.8-3.0 mm,. D3.7:..: 3.0-3.7 mm, D5.0: 3.7-5.0 mm, D>: >5.0 mmj Parte super1or del

~rafico: D50: Diametro promedioj KIN1: Energia cinetica(J*m-2*mm-1) j KIN2: energia cinetica (100J*m-2*h-1) j INT:Intensidad de las lluvias (cm/h). de VAHRSON 1993.

Fig. 2: Nomograma para el calculo de intensidades maximas paratiempos de concentraci6n diferentes de 15 minutos. Se busca enel eje "X" el tiempo de concentraci6n correspondiente a la

.. obra a construir, se sube de este punta verticalmente hasta la

linea que corresponde alas intensidades en el mapa y se pasade esta intersecci6n horizontalmente al eje "Y" donde se puedeleer la intensidad que corresponde a esta zona y a este tiempode concentraci6n. de VAHRSON & DERCKSEN 1991.

Mapa 1: Factor "R" en Costa Rica. de VAHRSON 1990.

Mapa 2: Intensidades maximas de lluvias con duraciones de 15minutos y periodos de retorno de 10 anos en Costa Rica. deVAHRSON & DERCKSEN 1990.

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PROYECTO: MORFQCLlMATOLQGiA APLICADA YDINAMICA EXOGENA

(MADE)ESCUELA DE CIENCIAS GEOGRAFICAS

UNIVERSIDAD NACIONAL

MAPA PRELl MINAR DE LA EROSIVIDADPLUVIAL ANUAL EN COSTA RICA

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PROYECTO: MORFO.CLlMATOLQGIA APLICADA YDINAMICA EXOGENA

(MADE),.. ESCUELA DE CIENCIAS GEOGRAFICAS

UNiVERSIOAO NACIONAL

... Duracion 15 minutos

Periodo de retorno: 10 anos

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TORMENTA DEL 05/06/1992INTENSIDAD. TAMANO DE GOTAS

DIAMETRO PROMEDIO Y ENERGIA CINETICA

J/M2/MM, MM, CM/H, 100 J/M2/H

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TIEMPO (MIN)

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NOMOGRAMA PARA EL CALCULODE INTENSIDADES MAXIMAS PARA

TIEMPOS DE CONCENTRACION DE 5 A 60 MIN

INTENSIDAD (MM/HORA)

400375 ZONA (MM/H)

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5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

TIEMPO DE CONCENTRACION (MIN)

VAHRSON 1990

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