HIDROLOGI

A

QuÉ es la hidrología

La hidrología es la disciplina científica que se dedica al estudio de la distribución, espacial y temporal, y las propiedades del agua presente en la atmósfera y en la corteza terrestre.

Los principales objetivos de la hidrología, al diseñar una obra de ingeniería, pueden resumirse en dos grandes grupos:

La obtención de la avenida máxima que con una determinada frecuencia puede ocurrir en un cierto lugar.

Conocimiento de la cantidad, frecuencia y ocurrencia del transporte del agua sobre la superficie terrestre. 

OBJETIVOS

Aplicaciones de la hidrología 

Las inundaciones son eventos hidrológicos extremos que pueden prevenirse mediante el estudio de la hidrología.

En la actualidad la hidrología tiene un papel muy importante en el planeamiento del uso de los Recursos Hidráulicos,

parte fundamental de los proyectos de ingeniería

que tienen que ver con suministro de agua, disposición de aguas servidas, drenaje, protección contra la acción de ríos, proyectos de irrigación, centrales hidroeléctricas y recreación.

Los estudios h

idrológicos

son fundamentales para:

El diseño de obras hidráulicas, para efectuar estos estudios se utilizan frecuentemente modelos matemáticos que representan el comportamiento de toda la cuenca sustentada por la obra en evaluación. La operación optimizada del uso de los recursos hídricos en un sistema complejo de obras hidráulicas, sobre todo si son de usos múltiples. En este caso se utilizan generalmente modelos matemáticos conceptuales, y se procesan en tiempo real; El correcto conocimiento del comportamiento hidrológico de como un río, arroyo, o de un lago es fundamental para poder establecer las áreas vulnerables a los eventos hidro-meteorológicos extremos; Prever un correcto diseño de infraestructura vial, como caminos, carreteras, ferrocarriles, etc.

Importancia de la hidrología

Su  objetivo  es  obtener  parámetros  de  diseño básicos  para  abordar  diferentes  estudios  y  obras relativos ala Ingeniería Civil.es de suma importancia, aunque  no  parezca  o  mucha  gente  no  escuche hablar del tema, todo complejo, ya sea habitacional o  industrial,  todo  proceso  de  urbanización,  toda obra  civil  de  vías  terrestres  tales  como  puentes, carreteras,  autopistas,  todo  fraccionamiento, colonias, etc. 

Cualquier  edificio  complejo  como  un  campus universitario,  un  estadio,  un  gimnasio  de  usos múltiples  etc.,  requieren  diseños  por  estudios hidrológicos.

Conocer  las posibilidades y el comportamiento de  las precipitaciones meteóricas de  la  zona es sumamente  necesario  para  evitar  inundaciones (desde  sencillas  hasta  graves)  para  evaluar  la necesidad  de  elementos  de  drenaje  como  un puente, un muro de contención, un canal, etc..

ejemplos

CICLO HIDROLÓGICO

• La circulación y conservación de agua en la Tierra se llama ciclo hidrológico, o ciclo del agua.

• El ciclo hidrológico se describe: con la evaporación del agua desde la superficie del océano. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua: es la condensación. Las gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso: es la precipitación. Si en la atmósfera hace mucho frío, el agua cae como nieve o granizo. Si es más cálida, caerán gotas de lluvia.

• Una parte del agua que llega a la superficie terrestre será aprovechada por los seres vivos; otra escurrirá por el terreno hasta llegar a un río, un lago o el océano. A este fenómeno se le conoce como escorrentía. Otro poco del agua se filtrará a través del suelo, formando capas de agua subterránea, conocidas como acuíferos. Este proceso es la percolación. Más tarde o más temprano, toda esta agua volverá nuevamente a la atmósfera, debido principalmente a la evaporación.

FASES DEL CICLO DEL AGUA

• 1º Evaporación. El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10% al agua que se incorpora a la atmósfera. En el mismo capítulo podemos situar la sublimación, cuantitativamente muy poco importante, que ocurre en la superficie helada de los glaciares o la banquisa.

• 2º Condensación. El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en pequeñas gotas.

• 3º Precipitación. Es cuando las gotas de agua que forman las nubes se enfrían acelerándose la condensación y uniéndose las gotitas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su mayor peso. La precipitación puede ser sólida (nieve o granizo) o líquida (lluvia).

Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son:

• 4º Infiltración. Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de sus poros y pasa a ser subterránea. La proporción de agua que se infiltra y la que circula en superficie (escorrentía) depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. Parte del agua infiltrada vuelve a la atmósfera por evaporación o, más aún, por la transpiración de las plantas, que la extraen con raíces más o menos extensas y profundas. Otra parte se incorpora a los acuíferos, niveles que contienen agua estancada o circulante. Parte del agua subterránea alcanza la superficie allí donde los acuíferos, por las circunstancias topográficas, intersecan (es decir, cortan) la superficie del terreno.

• 5º Escorrentía. Este término se refiere a los diversos medios por los que el agua líquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas no excepcionalmente secos, incluidos la mayoría de los llamados desérticos, la escorrentía es el principal agente geológico de erosión y de transporte de sedimentos.

• 6º Circulación subterránea. Se produce a favor de la gravedad, como la escorrentía superficial, de la que se puede considerar una versión. Se presenta en dos modalidades:

Primero, la que se da en la zona vadosa, especialmente en rocas karstificadas, como son a menudo las calizas, y es una circulación siempre pendiente abajo.

Segundo, la que ocurre en los acuíferos en forma de agua intersticial que llena los poros de una roca permeable, de la cual puede incluso remontar por fenómenos en los que intervienen la presión y la capilaridad.

• 7º Fusión. Este cambio de estado se produce cuando la nieve pasa a estado líquido al producirse el deshielo.

• 8º Solidificación. Al disminuir la temperatura en el interior de una nube por debajo de 0° C, el vapor de agua o el agua misma se congelan, precipitándose en forma de nieve o granizo, siendo la principal diferencia entre los dos conceptos que en el caso de la nieve se trata de una solidificación del agua de la nube que se presenta por lo general a baja altura: al irse congelando la humedad y las pequeñas gotas de agua de la nube, se forman copos de nieve, cristales de hielo polimórficos (es decir, que adoptan numerosas formas visibles al microscopio), mientras que en el caso del granizo, es el ascenso rápido de las gotas de agua que forman una nube lo que da origen a la formación de hielo, el cual va formando el granizo y aumentando de tamaño con ese ascenso. Y cuando sobre la superficie del mar se produce una tromba marina (especie de tornado que se produce sobre la superficie del mar cuando está muy caldeada por el sol) este hielo se origina en el ascenso de agua por adherencia del vapor y agua al núcleo congelado de las grandes gotas de agua.

• 9º El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente por lo que nunca se termina, ni se agota el agua.

• Una avenida (en algunos lugares se denomina también como crecida, riada o aguas altas) es la elevación del nivel de un curso de agua significativamente mayor que el flujo medio de éste. Durante la crecida, el caudal de un curso de agua aumenta en tales proporciones que el lecho del río puede resultar insuficiente para contenerlo. Entonces el agua lo desborda e invade el lecho mayor, también llamado llanura aluvial.

• Avenidas excepcionales: Estas son causadas por precipitaciones intensas sobre toda la cuenca o parte de esta. Son difícilmente previsibles, para ello se requiere de una red de monitoreo operada en tiempo real. Generalmente causan daños a las poblaciones y a la infraestructura económica.

• Durante las crecidas, el caudal y la velocidad de la masa líquida aumentan en forma considerable la fuerza erosiva del agua y su capacidad de transporte. Así, un corto período basta para provocar cambios sensibles en la morfología de los márgenes y del lecho del río, ocasionando desbordes significativos. Para minimizar o incluso anular dichos desbordes, una adecuada defensa ribereña, un enrocado o la construcción de espigones, pueden ser ciertamente efectivos para prevenir este tipo de daños.

AVENIDA

Avenida

El balance hidrológico resulta de la diferencia entre el agua que llega a la superficie por precipitaciones y la que sale por evaporación directa del suelo y transpiración de las plantas. Si el ingreso es mayor hay balance positivo.

La  ecuación  de  continuidad,  o  de  balance hidrológico,  es  la  ley  más  importante  en Hidrología,  y  aunque  su    expresión      es   muy     simple,   la  cuantificación   de  sus  términos   es  normalmente      complicada,  principalmente  por la  falta  de  medidas  directas  y  por  la  variación espacial  de  la  evapotranspiración,  de  las pérdidas  profundas  (a  acuíferos)  y  de  las variaciones del agua almacenada en una cuenca. 

Como respuesta a estas dificultades, generalmente se admiten dos asunciones, la primera supone que las pérdidas profundas son despreciables (se considera, por tanto, que la cuenca es impermeable), y la segunda admite que las variaciones del agua almacenada en la cuenca son despreciables para un período suficientemente largo (normalmente un año). Aunque la evapotranspiración es el segundo término en importancia en un balance hidrológico (después de la precipitación), o el primero en regiones áridas y semiáridas, en la actualidad no existe una metodología para medirla a escala de cuenca.

Los modelos hidrológicos tienen varias limitaciones para la correcta simulación del balance de agua:

(a) Están concebidos para reproducir correctamente los caudales a partir de las precipitaciones (rainfall- runoff models), y aunque en principio todos deberían reproducir correctamente el balance hidrológico no es siempre así (Beven, 2001). Tal como indican Grayson et al. (1992) una correcta simulación de los caudales a la salida de una cuenca no indica necesariamente una correcta modelización de los procesos internos de dicha cuenca. Normalmente para evaluar la bondad de un modelo hidrológico se utiliza el criterio de eficiencia de Nash-Sutcliffe (1970) que compara los hidrogramas observados y simulados, este criterio, al usar las diferencias cuadráticas, tiende a sobre valorar los picos de caudal respecto a los períodos de recesión, siendo estos últimos los que tienen mayor peso en el balance de agua (Anderton et al., 2002).

(b) Los modelos de base física, que por definición tendrían que simular correctamente el balance de agua, son de difícil uso debido a la dificultad de parametrización. Por ejemplo el modelo hidrológico distribuido de base física más clásico, el 'SHE – Système Hydrologique Européen' (Abott et al., 1986a y b), simula la evapotranspiración a partir de la ecuación de Penman-Monteith y del modelo de Rutter et al. (1971), con la dificultad inherente de parametrizar ambos modelos para cada uno de los píxeles de una cuenca. Esta dificultad comporta que usualmente se acaban utilizando relaciones empíricas sencillas para obviar la falta de parámetros.

Partiendo del conocimiento de las precipitaciones medias mensuales y de la evapotranspiración media mensual, podemos determinar en forma indirecta el balance del agua en el suelo y sus valores a lo largo del año. El investigador Thornthwaite ideó dos modelos para el cálculo del B.H. Uno en el año 1948, el cual fue mejorado en el año 1955.

En el balance de agua de 1948 Thornthwaite consideraba que todos los suelos hasta 1 metro de profundidad, tenían la capacidad de almacenar hasta 100 mm de agua útil.

Si obtener modelos de balance de agua para las condiciones actuales, de las cuales podemos obtener parámetros y realizar observaciones directas es difícil, el problema se complica cuando se pretende predecir el funcionamiento hidrológico de una cuenca bajo nuevas condiciones climáticas y/o de cambio de usos y cubiertas del suelo. 

APLICACIONES DEL BH

El cálculo del balance hídrico es una herramienta que ayuda en el proceso de toma de decisiones para la planificación y el manejo del sistema agrícola (suelo y cultivo), ya que permite conocer la disponibilidad de agua en el suelo, el monitoreo de su almacenamiento y planificar el momento adecuado para las labores agrícolas.

Es ampliamente usado en los estudios de zonificación agrícola, influencia de la deficiencia hídrica en la productividad de los cultivos, diseño, implementación y monitoreo de sistemas de riego y drenaje

El balance hídrico también es utilizado para establecer comparaciones entre las condiciones hídricas de localidades distintas, permite identificar regiones húmedas donde los excedentes ocurren durante todo el año, regiones semiáridas o áridas donde las deficiencias son las que prevalecen y aquellas regiones con deficiencias durante una época del año y excedentes en la otra.

El conocimiento del balance hídrico es aplicado en las clasificaciones climáticas, para definir la hidrología de una zona y para la planificación hidráulica .

El BH no considera la variabilidad interanual del clima, específicamente de la precipitación, por lo que la ocurrencia de eventuales déficit en regiones húmedas o excesos en regiones áridas o semiáridas, así como la variación de la magnitud de los mismos en años muy húmedos o muy secos, no serían identificados por este tipo de balance