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García Rodríguez, M y Fernández Escalante A. E.(2009). Hidrogeología básica. Las aguas subterráneas y su flujo( 3º edición). Ediciones FIEC, 135 pág. Capítulo 1

El ciclo hidrológico 1.1. Introducción En la superficie de la Tierra el agua puede encontrarse en sus tres fases; vapor, líquida o sólida. El ciclo hidrológico explica como tiene lugar el constante movimiento del agua, tanto sobre la superficie del terreno como subterráneamente, y en sus diferentes estados. En la figura 1.1 se representa una esquematización simplificada del ciclo hidrológico.

Figura 1.1. El ciclo hidrológico.

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A partir de los lagos, ríos, mares y océanos, o bien a través de la vegetación por transpiración, el agua en forma de vapor pasa a la atmósfera cargando el aire de humedad. Cuando el vapor de agua se enfría, se condensa formando las nubes, desde donde retornará a la superficie del planeta en forma de precipitación, como lluvia, nieve, granizo, rocío o escarcha. Una vez en la superficie de la tierra, el agua circulará bien por la superficie de terreno, como escorrentía superficial, o pasará a formar parte de los acuíferos como escorrentía subterránea. A título orientativo, en la tabla adjunta se presenta una estimación con la distribución del agua en la hidrosfera, según datos de “World Meteorological Organization”.

Tabla 1.1. Estimación de la distribución del agua en la hidrosfera (en Shiklomanov, I. A., 1997).

Distribución % del agua

total del planeta

% respecto del total de agua

dulce

Tiempo medio de residencia

Océanos y mares 97,5 - 2.500 años Glaciares y polos 1,74 68,7 9.700 años Aguas subterráneas dulces 0,76 30,1 decenas a miles de años Lagos de agua dulce 0,007 0,26 17 años Lagos de agua salada 0,006 - 150 años Ríos 0,0002 0,006 15 a 20 días Biomasa 0,0001 0,003 algunas horas Atmósfera 0,001 0,04 8 a 10 días Con frecuencia el estudio de las aguas subterráneas queda ensombrecido por la hidrología de superficie (ríos y lagos), pasando inadvertidas. Si se observa la tabla 1.1, puede verse que las aguas subterráneas representan el mayor volumen de agua dulce de la hidrosfera aprovechable por el hombre, razón más que suficiente para que merezcan un estudio concienzudo y se deban gestionar con racionalidad y con la protección que merecen.

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1.2. Componentes del ciclo hidrológico 1.2.1.

Precipitación

Cuando el agua, en estado líquido o sólido llega a la superficie, se dice que ha precipitado. Representa uno de los componentes principales del ciclo hidrológico. Los aparatos destinados a la medida de la precipitación se denominan pluviómetros. La unidad de medida suele ser el mm, que representa la altura que alcanza un litro de en un prisma que tenga una base de un m2 de superficie. Por tanto, 1 mm equivale a 1 l/m2. Para determinar la precipitación caída sobre una cuenca, suelen emplearse alguno de los tres métodos siguientes; método de la media aritmética, método de las isoyetas y el método de los polígonos de Thiessen. 1.2.2.

Evapotranspiración

La evapotranspiración es un término que se aplica sólo a un área de terreno cubierto de vegetación, ya que de lo contrario se trataría de evaporación. En Custodio y Llamas (1983) se define este término cómo el resultado del proceso por el cual el agua cambia de estado líquido a gaseoso, y directamente a través de las plantas, vuelve a la atmósfera en forma de vapor. Se expresa en milímetros. En condiciones naturales es muy difícil medir aisladamente la transpiración y por ello el concepto de evapotranspiración aúna ambos fenómenos. La proporción de evapotranspiración se reduce a medida que disminuye la humedad del suelo durante la estación seca. Cuanto menor es la humedad que queda en el suelo, más lenta es la pérdida por evapotranspiración. Hay dos conceptos para expresar la evapotranspiración:

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a)

Evapotranspiración potencial

Es la máxima pérdida de agua posible bajo condiciones dadas de cobertera vegetal y factores climáticos, suponiendo que podemos suministrar al suelo mediante irrigación, todo el agua que las plantas puedan consumir y los poros del suelo puedan albergar (Strahler, 1988). Este proceso depende de los factores climáticos particulares de cada zona. Para su cálculo, existen numerosas fórmulas basadas todas ellas en datos que se obtienen de las estaciones meteorológicas. b)

Evapotranspiración real

Es la cantidad de evapotranspiración real u observada. Disminuye proporcionalmente a medida que se agota la humedad del suelo (Strahler, 1988). Para calcular la evapotranspiración hay que tener en cuenta la capacidad de retención del suelo. Esta capacidad de almacenamiento es difícil de controlar debido a la variabilidad de texturas que presentan los suelos. 1.2.3.

Evaporación

En un suelo sin vegetación, la evaporación tiene lugar en la capa más superficial. Durante este proceso, a medida que la humedad va disminuyendo, se produce un ascenso del agua por capilaridad hacia la superficie, que dura hasta que esta agua capilar se agota o hasta que la permeabilidad no saturada hace que el flujo ascendente del agua sea despreciable. En relación con las aguas subterráneas, si el nivel freático está muy próximo a un suelo saturado, la evaporación tendrá un valor cercano al de una superficie de agua libre bajo las mismas condiciones ambientales. Con objeto de dar unos órdenes de magnitud significativos de la evaporación, si se suponen valores de ésta en un suelo saturado y en una superficie de agua libre, según autores la evaporación en arenas finas saturadas equivale al 100 % de la evaporación en una superficie libre de agua y en arcillas saturadas equivaldría al 75-85 %.

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1.2.4.

Escorrentía superficial

Se refiere al agua que circula sobre la superficie del terreno, bien de forma difusa o canalizada por ríos y arroyos. En determinado tipo de suelos el agua puede circular justo por debajo de la superficie, moviéndose con la misma dirección y sentido que la escorrentía superficial (paralela a ella). En este caso se habla de escorrentía subsuperficial o hipodérmica. 1.2.5.

Escorrentía subterránea

Es el agua que circula por los acuíferos. El estudio de su movimiento es el principal objetivo de este libro. 1.2.6.

Escorrentía total

Es la fracción de la precipitación caída en una cuenca vertiente que escapa a la evapotranspiración y circula superficial y subterráneamente. En estudios hidrológicos de cuencas, uno de los métodos más empleados para separar y cuantificar los volúmenes de agua correspondientes a escorrentía superficial y escorrentía subterránea, se basa en el análisis de hidrogramas. Los hidrogramas son representaciones de los caudales de un río en función del tiempo, dibujados a partir de los datos registrados en estaciones de aforos. 1.3. Distribución del agua en el suelo Tras la precipitación, una vez que el agua se pone en contacto con la superficie de la tierra, puede movilizarse y distribuirse por alguna de las siguientes zonas:

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1.3.1.

Suelo edáfico

Se corresponde con la parte más superficial, con frecuencia suelo edáfico. Su capacidad para retener agua viene determinada por su capacidad de campo, que puede definirse como la máxima cantidad de agua que es capaz de almacenar un suelo una vez que ha sido drenada el agua gravífica. El término de agua gravífica hace referencia al volumen de agua que es drenada por gravedad en un suelo. 1.3.2.

Zona no saturada

Comprende la zona que hay desde la superficie del terreno hasta el límite superior de la zona saturada o nivel freático. En ella, los poros están ocupados por aire y agua. En medios porosos, el contacto con la zona saturada se realiza a través de la franja capilar, en la que el agua se encuentra a una presión inferior a la atmosférica. Para el agua que recarga los acuíferos, la zona no saturada (ZNS) representa una zona de tránsito hacia la zona saturada (ZS). 1.3.3. Infiltración La infiltración es el proceso por el cual el agua penetra en el suelo a través de la superficie de la tierra, y bien queda retenida por él, o bien alcanza un nivel acuífero incrementando el volumen acumulado anteriormente. Superada la capacidad de campo del suelo, el agua desciende por acción conjunta de las fuerzas capilares y de la gravedad. 1.3.4. Zona saturada

Comprende desde el nivel freático o límite superior de la zona saturada, hasta el límite impermeable del acuífero, cuya posición y geometría dependerá de la litología y estructura geológica. Representa el agua

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almacenada en los acuíferos y es por donde tiene lugar la escorrentía subterránea. Todos los poros están rellenos de agua. Puede haber burbujas de aire atrapado en equilibrio metaestable, que se comportan a efectos prácticos como gravas, dificultando la infiltración (Fdez. Escalante, 2005). Estas burbujas pueden estar sometidas a presión superior a la atmosférica, obstaculizando el flujo, efecto conocido como Lisse. El proceso es habitual en procesos de recarga artificial de acuíferos.

Figura 1.2. Esquema simplificado con la distribución del agua en el suelo