Hidrología para Ingenieros-LINSLEY, KOHLER y PAULHUS

Hidrologapara ingenieros

Hidrologapara ingenierosSegunda edicinRAY K. LINSLEY, JR. Profesor de Ingeniera Hidrulica Stanford University Presidente de Hydrocomp, Inc. MAX A. KOHLER Hidrologista Consultor Ex-Director Asociado de Hidrologa U .S. National Weather Service JOSEPH L.H. PAULUS Hidrometeorologista Consultor Ex-Jefe de la Divisin de Informacin del U. S.. National Weather Service TRADUCTORES: Alejandro Deeb Jaime Ivn Ordez Fabio Castrilln CETIH, Universidad de los Andes, Bogot, Colombia REVISION: Gustavo Silva Universidad Nacional, Bogot, Colombia

EDITORIAL McGRAW-HILL LATINOAMERICANA, S.A.Bogot, Panam, Mxico, Madrid, So Paulo, Nueva York, Londres, Toronto, Sidney, Johannessburg, Dusseldorf, Singapur, Auckland.

RESERVADOS TODOS LOS DERECHOS (D.R.) Copyright

1977 por Editorial McGraw-Hill Latinoamericana, S.A. Bogot, Colombia

Ni este libro, ni parte de l pueden ser reproducidos o transmitidos de alguna forma o por algn medio electrnico o mecnico incluyendo fotocopia o grabacin, o por cualquier otro sistema de memoria o archivo, sin el permiso escrito del Editor. I.S.B.N. - O - 07 - 090~14 - 8'

Traducido de la Segunda Edicin en Ingls de HYDROLOGY FOR ENGINEERS, 2/e Copyright

1975 by McGraw-Hill Inc., U.S.A. CC-77 7123450987

1234567890

IMPRESO EN COLOMBIA PRINTED IN COLOMBIA

Carvajal S.A. Apdo. 46. Cali, Colombia

A la memoria de MERRIL BERNARD amigo y colega cuyo entusiasmo fue una fuente de inspiracin para los autores

CONTENIDO

Prefacio Lista de smbolos y abreviaturas

xvi xvii1 1 3 4 4 4 5 5

1/-/ /-2 /-3 /-4

Introduccin El ciclo hidrolgico Historia La hidrologa en la ingeniera Materia de que trata la hidrologa Referencias Bibliografa Problemas El tiempo atmosfrico y la hidrologa Radiacin solar y terrestre Radiacin solar y terrestre Radiacin solar en la superficie terrestre Balance de calor en la superficie y en la atmsfera Medicin de la radiacin

22~/

7

77 891O~

2-2 2-3

2-4

CONTENIDO

xi

7-12 7-13 7-14

Transposicin de hidro gramas unitarios Aplicacin de los hidrogramas unitarios Hidrogramas de flujo superficial Referencias Bibliografa Problemas

202 203 204 207 207 208 211 211 211 213 216 217 217 218 219 222 224 224 225 225 227 228 228 230 230 233 233 237 . 237240

8

Relaciones entre precipitacin y escorrenta El fenmeno de escorrentaRetencin superficial Infiltracin El ciclo de escorrenta

8-} 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-98-10

Estimacin del volumen de escorrentia de una tormentaCondiciones iniciales de humedad Anlisis de tormentas Relaciones multivariadas de escorrenta total de tormenta Relaciones para incrementos de la escorrenta de tormenta Estimativos de la escorrenta usando infiltracin Indices de infiltracin

Estimacin de la escorrenta a partir de la fusin de nieves

8-11 8-12 8-13

Fsica de la fusin de nieves Estimacin de intensidades de fusin de nieves y la escorrenta correspondiente

Relaciones anuales y por estaciones de la escorrentiaRelaciones de precipitacin-escorrenta Uso de mediciones de nieve Referencias Bibliografa Problemas

9

9-} .9-2 9-3 9-4 9-5 9-6 9-7 9-8 9-99-10

Trnsito de avenidasMovimiento de ondas Ondas dinmicas y cinemticas Ondas en canales naturales La ecuacin de almacenamiento Determinacin del almacenamiento Trnsito de avenidas a travs de embalses Trnsito en cauces naturales Trnsito de avenidas por el mtodo analtico Mtodos grficos de trnsito en corrientes Trnsito Dinmico y Trnsito cinemtico Deduccin de hidrogramas de salida con base en procesos de trnsito de avenidas Relaciones entre estaciones de medida Referencias Bibliografa Problemas

9-11 9-12

241 243 243 246 247 248 251 252 255 258 260 262 262 265 265

10}();.)

SlmuJaeiD de caudales en computadoresFilosofia de la simulacin

:xii CONTENIDO

10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7

Estructura de un programa de simulacin Parmetros Simulacin de fusin de nieves Aplicaciones de la simulacin en hidrologa Calibracin y optimizacin Otras aplicaciones de la simulacin en hidrologa Referencias Bibliografa ProblemasProbabilidad en hidrologa:una base para diseo

267 271 272 274 276 278 278 279 280 281 281 281 282 283 285 286 290 291 293 294 295 296 296 296 297 299 299 300 300 300 300 301 302 306 309 309 311 312 314 314 320 321 322 324 324 325 326 329 330

11

Probabilidad de crecientes

11-1 11-2 11-3, 11-4 11-5 11-6 11-7 11-8 11-911-10

Seleccin de datos Posiciones grficas Distribuciones tericas de crecientes Distribucin log-pearson tipo III Distribucin de valores extremos tipo 1 Seleccin de la frecuencia para diseo Anlisis regional de frecuencias Anlisis de frecuencias a partir de datos sintticos Probabilidad condicional Eventos frecuentes

Anlisis probabilstico de precipitacin

11-11 11-12 11-13 11-14 11-15 11-16 11-17 11-18 11-19

Distribuciones Datos generalizados de frecuencia de precipitacin Ajustes para cantidades de precipitacin de intervalo fijo Mapas de lluvia-frecuencia Tormentas de diseo

Anlisis probabilstico del volumen de escorrentiaDistribuciones Sequas

Eventos mximos probablesEstudios hidrometeorolgicos La creciente mxima probable Referencias Bibliografa ProblemasHidrologa estocstica MOdelo markoviano de primer orden Distribucin de t Definicin de parmetros El fenmeno de hurst Modelos para calcular el almacenamiento requerido Almacenamiento requerido utilizando datos estocsticos Confiabilidad de embalses Tendencias en el tiempo Modelos de generacin para varias estaciones Anlisis estocstico de la precipitacin Referencias Bibliografa

12

12-1 12-2 12-3 12-4 12-5 12-6 12-712~8

12-912-10

CONTENIDO

xlli

Problemas

330331 331 332 333 334 335 338 339 340 341344

13 13-1 13-213-3 13-4

13-5 13-6 13-713-8

13-9

Sedimentacin El proceso de erosin Factores que controlan la erosin Transporte de material en suspensin Transporte de material de lecho Mediciones del transporte de sedimentos Curvas de calibracin de sedimentos Produccin de sedimentos de una cuenca Simulacin del transporte de sedimentos Sedimentacin en embalses Referencias Bibliografa Problemas Morfologa de cuencas hidrogrficas Parmetros fsicos de la forma de la cuenca Parmetros del relieve de una cuenca Geometra hidrulica Patrones de alineamiento de cauces naturales Planicies de inundacin Referencias Bibliografa Problemas

345 345

14 14-1 14-2 14-3 14-4 14-5

347 347 350 352 353 356 356 357 357

ApndicesAB

Correlacin grfica Tablas de constantes fsicas, de equivalencias y tablas psicromtricas

IndicesIndice de Autores Indice de Materias

PREFACIO

La primera edicin de "Hidrologa para Ingenieros" se public en 1958 y ha sido utilizada ampliamente como texto para cursos avanzados de pregrado y de postgrado. En los aos siguientes, han ocurrido muchos desarrollos de importancia en la ciencia de la hidrologa; y las tcnicas disponibles hoy en da son, en general, superiores a las existentes en 1958. Esta segunda edicin representa una revisin extensiva del texto original. Se han aadido captulos en simulacin hidrolgica, hidrologa estocstica y morfologa de cuencas hidrogrficas; y se han hecho cambios considerables a lo largo de todo el resto del libro. Se ha destacado la importancia del uso de computadores digitales en el anlisis hidrolgico, pero, reconociendo' . que no todos tienen acceso a estas mquinas, se han discutido tambin los mtodos antiguos aun cuando en menor detalle. Los procesos bsicos de la hidrologa continan siendo discutidos en detalle, por el convencimiento de que el entendimiento de dichos procesos es indispensable para la correcta aplicacin de cualquiera de las herramientas de la hidrologa. Dado que la mayora de las naciones del mundo utilizan ahora el sistema mtrico, mientras que los Estados Unidos apenas han comenzado una conversin hacia las unidades mtricas, ambos sistemas se incluyen en el texto, las tablas y las figuras. En aquellos captulos que hacen referencia a tpicos de meteorologa, donde las unidades mtricas son de uso general con muy pocas excepciones, stas unidades se dan primero con sus equivalentes del sistema ingls a continuacin entre parntesis. En los dems captulos de la edicin . inglesa se hace lo contrario; sin embargo, en la traduccin se ha utilizado siempre la primera

xvi PREFACIO

convencin. Este arreglo se ha utilizado para facilitar el uso del libro en los pases de habla hispana en los cuales prima el uso de las unidades mtricas. Los problemas incluyen tambin ambas clases de unidades. . Los estudiantes encontrarn en la hidrologa un tema muy interesante pero notablemente diferente de la mayora de las materias de ingeniera. Los fenmenos naturales con los cuales se relaciona la hidrologa, no se prestan a los anlisis rigurosos de la mecnica. Por esta razn, hay una mayor variedad de mtodos, mayor latitud para el criterio y una aparente falta de precisin en la solucin de problemas. En realidad, la precisin de las soluciones hidrolgicas se compara favorablemente con otros tipos de clculo en ingeniera. La incertidumbre en ingeniera se ocuIta a menudo con el uso de factores de seguridad, con los procedimientos rgidamente estandarizados y con las suposiciones moderadas referentes a las propiedades de los materiales. Los autores reconocen con agradecimiento las tiles sugerencias, datos y otros tipos de asistencia recibidos de sus colegas en el NationaI Weather Service, la Universidad de Stanford, Hydrocomp Inc. y otras organizaciones. Mencin especial debe hacerse del profesor Stephen Burgues por su lectura cuidadosa del captulo referente a mtodos estocsticos.

RA Y K. LINSLEY, Jr. MAX A. KOHLER JOSEPH L. H. PA ULHUS

LISTA DE SIMBOLOS y ABREVIATURAS

SIMBOLOS= Area = Coeficiente B = Ancho b = Coeficiente = Coeficiente de Chzy p = Coeficiente del caudal mximo del hidro grama unitario sinttico t = Coeficiente del tiempo de retardo del hidro grama unitario sinttico e = Coeficiente; concentracin D = Profundidad; tiempo de detencin del flujo de superficie; grados-da d = Dimetro; coeficiente E = Evaporacin, cantidad de sedimentos etodados a partir de superficies impermeables E a = Tasa de evaporacin de referencia E T = Evapotranspiracin e = Presin de vapor es = Presin de vapor de saturacin F = Cada; costo inicial; fuerza; volumen de infiltracinA

a

e e e

xviii LISTA DE SIMBOLOS y ABREVIATURAS

J ( ) = Funcin de J e = Capacidad de infiltracin final Ji = Tasa de infiltracin Jo = Tasa inicial de infiltracin J p = Capacidad de infiltracin G = Produccin segura de un acufero; tasa de erosin de crcavaGig

J

=

Humedad relativa

=

Transporte de material de fondo (arrastre)

= Altura de medicin; aceleracin de la gravedad H v = Calor latente de vaporizacin

h1

= Altura; cabeza hidrulica; coeficiente de Hurst = Caudal afluente; ndice de precipitacin antecedente;= Intensidad de la precipitacin

carga interna

Tasa de abastecimiento (precipitacin menos retencin) Probabilidad j = Probabilidad (exponente) K = Constante de almacenamiento de Muskingum; factor de frecuencia; coeficiente de compactacin; conductividad hidrulica K r = Constante de recesin k = Coeficiente nmero L = Longitud; ndice de almacenamiento de humedad de la zona inferior L e = Distancia de la salida al centro de la cuenca Lo = Longitud de flujo de superficie M = Tasa de fusin de nieves m = Coeficiente o exponente N = Precipitacin normal; n m e r o , n = Coeficiente de rugosidad de Manning; coeficiente o exponente; nmero O = Flujo de salida; costo de operacin O g = Infiltracin subsuperficial P = Precipitacin Pe = Precipitacin de exceso P r = Potencia de retorno de radar P = Presin; porosidad; probabilidad P F = Logaritmo de potencial capilar en centmetros de agua Q = Volumen de caudal o de escorrenta Q a = Radiacin neta de onda larga Q ar = Radiacin reflejada de onda larga Q e = Energa utilizada en la evaporacin Q g = Volumen de caudal subterrneo Q h = Transferencia de calor sensible Qir = Radiacin incidente menos radiacin reflejada Q n = Energa radiante neta Q o = Radiacin emitida de onda larga Qr = Radiacin reflejada de onda corta Q s = Volumen de flujo de una corriente superficial Q = Radiacin de onda corta; carga de sedimento en suspensin Q v = Energa de adveccin Q = Cambio en almacenamiento de energa q = Tasa de descarga q b = Descarga base q d = Caudal de escorrenta directa

is J

= =

LISTA DE SIMBOLOS y ABREVIATURAS xix

q e = Tasa de flujo de equilibrio q h = Humedad especfica q o = Tasa de flujo superficial q 'P = Caudal mximo (pico) R = Radio hidrulico; relacin de Bowen; resistencia del suelo R D = Constante de los gases R, = Indice de escorrenta R n = Rango de una serie R 8 = Residuo de sedimentos en la superficie de la tierra r = Radio, rango S = Almacenamiento; volumen de retencin superficial; transporte de sedimentos S e = Constante de almacenamiento de un acufero S d = Capacidad de almacenamiento en depresin S D = Almacenamiento subterrneo Si = Almacenamiento de intercepcin Si = Indice de la estacin climtica S L = Almacenamiento de humedad de la zona inferior S 8 = Almacenamiento superficial S u = Almacenamiento de humedad de la zona superior s = Pendiente s b = Pendiente del fondo del canal T = Temperatura; transmisibilidad; tiempo base del hidrograma unitario T L = Tiempo de retardo T d = Temperatura del punto de roco T r = Perodo de retomo o intervalo de recurrencia T w = Temperatura del termmetro hmedo t = Tiempo te = Tiempo hasta alcanzar un equilibrio ('P = Retardo de una cuenca t R = Duracin de la lluvia t r = Duracin unitaria del hidrograma unitario sinttico U = Ordenada del hidrograma unitario; ndice de almacenamiento de la humedad de la zona superior u = Celeridad de una onda; factor en hidrulica de pozos Ve = Volumen de detencin superficial en equilibrio Vi = Almacenamiento de intercepcin V 8 = Almacenamiento en depresin V o = Volumen de detencin superficial cuando i = O v = Velocidad v 8 = Velocidad de asentamiento v * = Velocidad de friccin W = Indice de infiltracin W p = Agua precipitable en la atmsfera ffl' u= Funcin del pozo de u w = Peso especfico w r = Relacin de mezcla X = Una variable X = El valor promedio de X x = Distancia; constante o exponente

:o:

LISTA DE SIMBOLOS y ABREVIATURAS

y = Una variable y = El valor promedio de y y = Una distancia vertical; una variable reducida en anlisis de frecuencias y II = Un factor en el anlisis de frecuenciasZ

za

f3.::le O A..L

v y7T

p

ICT

y

l/J

Abatimiento en un pozo; funcin del tamao de la gota; una variable = Una distancia vertical = Una relacin; porcin de la evaporacin correspondiente a la energa de adveccin = Constante = Pendiente de la curva de presin de vapor-temperatura; un incremento = Coeficiente de mezcla; emisividad = Un ngulo = Potencial total = Viscosidad absoluta; la media de una distribucin = Viscosidad cinemtica = Coeficiente de la relacin de Bowen = 3, 1416... = Densidad; coeficiente de correlacin = Sumatoria = Desviacin estndar; constante de Stefan- l30ltzman = Esfuerzo cortante = Coeficiente de du Boy = Indice de infiltracin; funcin de la carga de lecho = Potencial capilar; funcin de p; funcin de la carga de lecho

=

ABREVIATURAS acre-ft atm Btu oC Cal cmAngstrom (lO-lO cm) Acres-pie Atmsfera Unidad trmica britnica Grados centgrados Calora Centmetro (lO-2 m ) Pies cbicos por segundo Pies cbicos por segundo por milla cuadrada Da Darcy Grado Grados Fahrenheit Pies Gramos Galn Hora Hectmetro (102 m) Mercurio Pulgada Kelvin

cfscsm d D deg

Fftg

= ==

gal h I;tm Hg in

K

LISTA DE SIMBOLOS y ABREVIATURAS xxi

Km Kn 1 lat lb In log Lg m mi! mJj min mm mgd nmi ppm s sfd y Mm

=

= = =

Kilmetro Nudo Litro Latitud Libra Logaritmo neperiano Logaritmo decimal Langley Metro Milla Milibar Minuto Milmetro (lO-3 m) Millones de galones por da Millas naticas Partes por milln (miligramos por litro) Segundo Pies cbicos por segundo por da ao Micrometro (Micra) (10- 6 m)

1INTRODUCCION

"La hidrologa versa sobre el agua de la tierra, su existencia y distribucin, sus propiedades fsicas y qumicas y su influencia sobre el medio ambiente, incluyendo su relacin con los seres vivos. El dominio de la hidrologa abarca la historia completa del agua sobre la tierra" [1] * La ingeniera hidrolgica incluye aquellas partes del campo que ataen al diseo y operacin de proyectos de ingeniera para el control y el uso del agua. Los lmites entre la hidrologa y otras ciencias de la tierra tales como la meteorologa, la oceanografa y la geologa son confusos y no tiene objeto el tratar de definirlos rgidamente. Asimismo, "la distincin entre la ingeniera hidrolgica y otras ramas de la hidrologa aplicada es vaga. Naturalmente que el ingeniero debe gran parte de su conocimiento actual de la hidrologa a los agrnomos, ingenieros forestales, meteorlogos, gelogos y otras profesionales de una diversidad de disciplinas.

1-1 El ciclo hidrolgico El concepto de ciclo hidrolgico es un punto til, aunque acadmico, desde el cual comienza el estudio de la hidrologa. Este ciclo (fig. 1-1) se visualiza inicindose con la evaporacin del agua de los ocanos. El vapor de agua resultante es transportado por las masas mviles de aire. Bajo condiciones adecuadas el vapor se condensa para formar las nubes, las cuales, a su vez, pueden transformarse en precipitacin. La precipitacin que cae sobre la tierra se dispersa de diversas maneras. La mayor parte de sta es retenida temporalmente por el suelo, en las cercanas del lugar donde cae, y regresa eventualmente a la atmsfera por evaporacin y transpiracin de las plantas. Otra porcin de agua que se precipita viaja sobre la superficie del suelo o a travs de ste hasta alcanzar los canales de las corrientes. La porcin restante penetra ms profundamente en el suelo para hacer parte del suministro de agua subterrnea. Bajo la influencia de la gravedad, tanto la escorrenta superficial como el agua subterrnea se mueven cada vez hacia zonas mas bajas y con el tiempo pueden incorporarse a los ocanos. Sin embargo, una parte importante de la escorrenta superficial y del agua subterrnea regresa a la atmsfera por medio de evaporacin y transpiracin, antes de alcanzar los ocanos. Esta descripcin del ciclo hidrolgico y el diagrama esquemtico de la fig. 1-1 son extremadamente simplificadas. Por ejemplo, parte del agua que se mueve en los canales naturales puede filtrarse hacia el agua subterrnea, mientras que el agua subterrnea puede llegar a ser en ciertas ocasiones una fuente de la escorrenta superficial que fluye en los canales naturales. Parte de la precipitacin puede permanecer sobre la superficie del terreno en forma de nieve hasta cuando la fusin de sta le permita fluir hacia las corrientes o el agua subterrnea. El ciclo hidrolgico es un medio apropiado para describir el alcance de la

*

Las referencias numeradas se encontrarn en la parte final de cada captulo.

2 HIDROLOGIA PARA INGENIEROS

hidrologa, la cual se limita a la parte del ciclo que cubre desde la precipitacin del agua sobre la tierra hasta el regreso de sta bien sea a la atmsfera o a los ocanos. El ciclo hidrolgico sirve para destacar cuatro fases bsicas de inters para el hidrlogo: precipitacin, evaporacin y transpiracin, escorrenta superficial yagua subterrnea. Estos temas se tratarn ms detalladamente en captulos posteriores. Si el examen del ciclo hidrolgico da la impresin de ser algn mecanismo continuo por medio del cual el agua se mueve permanentemente a una tasa constante, esta impresin debe ser descartada. El movimiento del agua durante las diferentes fases del ciclo es errtico tanto temporal .como espacialmente. Algunas veces la naturaleza parece trabajar demasiado para producir lluvias torrenciales que hacen crecer los ros en exceso. En otras ocasiones la maquinaria del ciclo parece detenerse completamente y con ella la precipitacin y la escorrenta, En zonas adyacentes las variaciones en el ciclo pueden llegar a ser bastante diferentes. Estos extremos de crecientes y sequas son precisamente los que a menudo tienen mayor inters para el ingeniero hidrlogo, puesto que muchos proyectos de ingeniera hidrulica se disean para la proteccin contra los efectos perjudiciales de los extremos. La explicacin de estos extremos climticos se

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125 -13.1

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~?:"

~ "~:'J-'FIGURA 5-6Evaporacin de un lago poco profundo en funcin de la evaporacin en un tanque de Clase A y de la transferencia de calor a travs del tanque. (U.S. National Weather Service.)

5-8

Aumentos en el abastecimiento de agua por reduccin de evaporacin

Cualquier medida que se tome para reducir la evaporacin en un embalse por unidad de almacenamiento produce un aumento equivalente en el agua que se utiliza para abastecimiento. Es ventajoso seleccionar el sitio y el diseo que produzcan un mnimo de rea de embalse por unidad de almacenamiento. El diseo de estructuras de salida que funcionen de tal manera que el agua superficial (ms caliente) pueda ser utilizada para abastecer la demanda reduce la evaporacin de un embalse. Este tipo de operacin no produce un aumento equivalente del agua que se va a utilizar, en puntos distantes aguas abajo, debido al aumento en evaporacin que ocurre a lo largo del canal de conduccin. En algunos casos, algunos embalses pequeos se cubren totalmente para reducir la evaporacin. Se ha propuesto tambin el uso de cubiertas flotantes [43] Y de material granular flotante [44 J. Aunque tales mtodos son efectivos son costosos en su aplicacin. A pesar de que se ha recomendado con insistencia el uso de rompe-vientos, stos son efectivos

EVAPORACION y TRANSPIRACION

141

solamente en embalses muy pequeos: una reduccin del 25 por ciento en la velocidad del viento normalmente producir una reduccin aproximada de slo un 5 por ciento de la evaporacin a largo plazo.

FIGURA 57 Evaporacin promedio anual (pulgadas) para lagos poco profundos. (U.S. National Weather Service.

Tambin se han llevado a cabo amplias investigaciones en la aplicacin de pelculas monomoleculares para reducir la evaporacin [45, 47]. A pesar del optimismo inicial, este enfoque tiene poco uso. En cambio, el uso de cantidades muy pequeas de alcohol etlico puede reducir la evaporacin en tanques pequeos hasta en un 40 por ciento, aunque rara vez es posible mantener en forma continua, una cobertura mayor del 10 al 20 por ciento en un embalse. Es ms, cualquier reduccin de la evaporacin est acompaada por un aumento indeseable en la temperatura del agua. Aun cuando se puede disipar gran parte de este exceso de calor a travs de un tanque evapormetro, este no es el caso para un embalse [48]. Parece que cualquier esperanza en obtener reducciones prcticas y apreciables de evaporacin en grandes embalses, radica en encontrar un material que aumente efectivamente la reflectividad de la superficie del agua sin producir efectos secundarios indeseables.

TRANSPIRACION

Del agua absorbida por el sistema de races de una planta, slo una porcin minscula permanece en los tejidos de la misma; virtualmente, toda el agua retoma a la atmsfera en forma de vapor, debido a la transpiracin. Este proceso constituye una fase importante del ciclo hidrolgico debido a que es el mecanismo principal por medio del cual el agua precipitada sobre la superficie de la tierra regresa a la atmsfera. Al estudiar el balance

142 IDDROLOGIA PARA INGENIEROS

hdrico de una cuenca hidrogrfica, es difcil, generalmente, separar la evaporacin y la transpiracin. Por esta razn ambos factores se tratan usualmente en ingeniera como uno solo; sin embargo, es necesario tener un conocimiento de cada proceso para asegurar que las tcnicas empleadas concuerdan con la realidad fsica.

5-9 Factores que afectan la transpiracinLas diferencias de concentracin entre la savia en las clulas de la raz de una planta, y el agua en el suelo, causan una presin osmtica capaz de mover el agua del suelo a travs de la membrana de la raz hacia las clulas de sta. Una alta salinidad en la solucin del suelo y/o

Cloroplastos

FIGURA 5,8 Estructura interna de una hoja.

una tensin de humedad alta en el suelo, pueden impedir o reducir sustancialmente la transferencia osmtica. Una vez dentro de la raz, el agua es transportada [ 49] a travs de la planta al espacio intercelular dentro de las hojas (fig. 5-8). El aire entra a la hoja a travs de los estomas (los poros de la superficie de la hoja), y los cloroplastos, en el interior de la hoja, usan el dixido de carbn del aire y una pequea porcin del agua disponible para producir los carbohidratos necesarios para el crecimiento de la planta (fotosntesis). Al entrar elaire en la hoja, parte del agua escapa a travs de los estomas abiertos; este es el proceso de transpiracin. La relacin entre el agua transpirada y el agua utilizada para formar la materia de la planta es muy grande, y alcanza valores de 800 o ms. La tasa de transpiracin es en general independiente del tipo de planta, siempre y cuando existan cantidades adecuadas de agua en el suelo, y que la superficie est cubierta totalmente por vegetacin. Dado que la fotosntesis depende en alto grado de la radiacin recibida, cerca del 95 por ciento de la transpiracin diaria ocurre durante el da [50], comparada con un 75 a 90 por ciento de la evaporacin del suelo [ 51 ]. El crecimiento de las plantas cesa cuando la temperatura disminuye hasta cerca de los 4C (40F) Y la transpiracin es entonces muy pequea. La transpiracin est limitada por la tasa a la cual la humedad se encuentra disponible para la planta. A pesar de que existen muy pocas dudas de que la tasa de evaporacin del suelo en condiciones meteorolgicas fijas disminuya casi ponencialmente con el tiempo, persisten ideas diversas con respecto a la transpiracin (ver Seco 5-15). Se cree que esta controversia y las discrepancias evidentes se pueden atribuir a los varios mtodos que se han utilizado para obtener los datos en que se basan las distintas hiptesis, y a la terminologa no descriptiva utilizada para expresar los resultados. Algunos investigadores creen que la transpiracin es independiente de la humedad disponible hasta cuando sta alcanza el punto de marchitez (contenido de humedad en el cual se produce marchitez permanente en las plantas), mientras que otros suponen que la transpiracin es aproximadamente proporcional a la humedad remanente en el suelo y disponible para las plantas. La capacidad de campo se define como la cantidad de agua retenida en el suelo despus de que el exceso de agua gravitacional.


143

ha drenado. El rango de humedad del suelo entre la capacidad de campo y el punto de marchitez (agua disponible) es una medida de la mxima cantidad de agua disponible para las plantas (Sec. 6-3). El agua disponible vara con el tipo de suelo, en un rango que va desde 0,5 mm/cm de profundidad (0,5 in/ft) para arenas hasta ms de 2 mm/cm de profundidad (2 in/ft) para arcillas limosas. El tipo de planta es un factor importante en el control de la transpiracin cuando la humedad del suelo es limitada. Cuando se secan las capas superiores del suelo, las especies con races poco profundas no pueden obtener agua y se marchitan, mientras que las especies con races profundas continan transpirando hasta que la humedad del suelo se reduce a profundidades mayores hasta el punto de marchitez. Por lo tanto, la vegetacin de races profundas transpira ms agua durante perodos secos sostenidos que las plantas de especies con races poco profundas. La transpiracin por unidad de rea tambin depende la densidad de la cobertura vegetal. Con espacios amplios entre las plantas (baja densidad de cobertura), no toda la radiacin solar llega a aquellas y parte de ella es absorbida por la superficie del suelo. Sin embargo, la transpiracin relativa no es proporcional a la densidad de cobertura por dos razones: (1) una planta aislada recibe radiacin en su cara que est al sol, la cual sera interceptada por una planta adyacente en caso de existir una cobertura muy densa, y (2) una porcin de la radiacin que llega al suelo es transmitida a la planta posteriormente (efecto de oasis). El tipo de planta tambin influye en la transpiracin durante perodos de sequa, an en condiciones especficas de humedad del suelo. Las xerofitas (especies de los desiertos), con menos estomas por unidad de rea y menor superficie expuesta a la radiacin, transpiran relativamente poca agua. Las freatofitas, por el contrario, tienen un sistema de races que llega hasta el nivel fretico y transpiran a tasas sustancialmente independientes del contenido de humedad de la zona de aeracin. Todas las plantas pueden controlar la abertura estomatal en algn grado, y an las mesfilas (plantas de las zonas templadas) poseen alguna capacidad para reducir la transpiracin durante perodos de sequa. Sin embargo, esta capacidad de control es slo para reducir la transpiracin. An las plantas acuticas, hidrfitas, no pueden bombear agua a la atmsfera en tasas que excedan aquellas controladas por la disponibilidad de energa radiante y sensible. Una charca cubierta de plantas acuticas no pierde agua a una tasa apreciablemente diferente a la de una charca libre de vegetacin. Cualquier diferencia en la transferencia de calor sensible, debido a un aumento en la rugosidad de la superficie, tiende a ser equilibrada por el aumento en albedo. La lluvia interceptada por la vegetacin es evaporada inmediatamente y por lo tanto utiliza alguna energa que de lo contrario estara disponible para la transpiracin. Los experimentos con coberturas de pasto [52] indican que la reduccin en transpiracin puede equivaler a la intercepcin, mientras que otros experimentos con pequeos pinos [53] parecen mostrar que la reduccin es mucho menor que las prdidas por intercepcin.

5-10 Medidas de la transpiracinComo no es posible medir las prdidas por transpiracin para un rea apreciable en condiciones naturales, la determinacin de la transpiracin est restringida a estudios de muestras pequeas en condiciones de laboratorio. Un mtodo consiste en colocar una o ms plantas en materos dentro de un espacio confinado y calcular la transpiracin como el aumento en el contenido de humedad del espacio confinado. La mayora de las medidas se llevan a cabo en un fitmetro, un recipiente grande lleno de suelo en el cual se siembran una o ms plantas. El nico escape de humedad es por transpiracin (la superficie de suelo se sella para impedir evaporacin), la cual puede ser estimada pesando la planta y el recipiente en diferentes intervalos de tiempo. Al suministrar aeracin yagua adicional, se puede llevar a cabo un estudio con el fitmetro durante todo el ciclo de vida de una planta. Como es virtualmente


imposible simular condiciones naturales, los resultados de las observaciones de este tipo principalmente tienen inters acadmico para el hidrlogo, y constituyen apenas algo ms que un ndice del uso del agua por una plantacin en condiciones de campo. Los atmmetros de cermica y de Pich, se han utilizado frecuentemente-en estudios de transpiracin. Estos instrumentos [34] alimentan automticamente una superficie hmeda expuesta, con el agua de un pequeo tanque. El cambio en el contenido del tanque sirve como ndice de la transpiracin. Si los atmmetros se utilizan con cuidado, pueden ser tiles en trabajo experimental para estimar las variaciones temporales y espaciales de la transpiracin potencial.

EVAPOTRANSPIRACIONAl estudiar el balance hdrico de un rea de drenaje, el inters principal radica en la determinacin de las prdidas de agua totales (o evapotranspiracinv, la evaporacin de superficies de agua, suelo, nieve, hielo y de cualquier otra superficie, ms la transpiracin. El uso consuntivo es la evaporacin total de un rea ms el agua utilizada directamente para construir los tejidos de las plantas. La distincin entre los dos trminos es en gran parte acadmica, con diferencias numricas que estn casi siempre dentro de los errores de medicin y generalmente se tratan como sinnimos [54]. Suponiendo que cualquier reduccin en evapotranspiracin, debida a una deficiencia en la humedad del suelo es independiente de las condiciones meteorolgicas, el concepto de evapotranspiracin potencial introducido por Thornthwaite [55] es de uso comn. El trmino fue definido por Thornthwaite como "la prdida de agua que ocurrira si en ningn momento existiera una deficiencia de agua en el suelo para el uso de la vegetacin". Se ha encontrado desde entonces que la evapotranspiracin depende de la densidad de cobertura y de su estado de desarrollo. Para que sea til, la evapotranspiracin potencial debe ser independiente de la naturaleza y condicin de la superficie, excepto con respecto a la disponibilidad de humedad, o debe estar definida en trminos de una superficie particular. Penman [56] sugiri que la definicin original se deba modificar para incluir la condicin de que la superficie estuviera totalmente cubierta por vegetacin verde. Esta definicin modificada es en general satisfactoria, pero no tiene sentido durante el invierno a grandes latitudes. Para fines de claridad y obtener resultados que se puedan reproducir, existe una buena razn para considerar la evapotranspiracin potencial como equivalente a la evaporacin de una superficie de agua libre, de grandes proporciones, pero sin capacidad de almacenamiento de calor [57] .La evapotranspiracin tal como fue definida por Thornthwaite, se aproxima a la evaporacin de agua libre siempre y cuando haya una cobertura vegetal completa y que los efectos de los factores meteorolgicos en las dos superficies sean lo suficientemente parecidos para que se conviertan de la misma manera en evapotranspiracin efectiva. Existen numerosos enfoques para estimar la evaporacin real y potencial, ninguno de los cuales se puede aplicar generalmente a todos los propsitos. El tipo de datos necesarios depende del uso que se persiga. En algunos estudios hidrolgicos se necesita la evapotranspiracin media de la hoya, mientras que en otros casos hay inters en el uso del agua por una plantacin particular o en el cambio de usos del agua que resultara de un cambio en la cobertura vegetal.

5-11 Determinacin de la evapotranspiracin promedio de una hoya por medio del balance hdrico.Suponiendo que el almacenamiento y todos los dems componentes de entrada y salida de agua, excepto por la evapotranspiracin, pudieran ser medidos, el volumen de agua (usualmente expresado en unidades de profundidad) necesario para balancear la ecuacin de


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continuidad para una hoya representa la evapotranspiracin. Entre otras cosas, la confiabilidad de los clculos de un balance hdrico depende considerablemente de los intervalos de tiempo considerados. Como regla general, la evapotranspiracin normal anual se puede calcular como la diferencia entre los promedios, sobre varios aos, de precipitacin y caudal de salida, debido a que el cambio de almacenamiento sobre un perodo largo de aos tiene pocas consecuencias [58]. Cualquier deficiencia en tales clculos se puede atribuir usualmente a datos inadecuados de precipitacin o escorrenta o a flujo subterrneo hacia adentro o hacia afuera de la hoya. Los estimativos de la evapotranspiracin anual pueden estar sujetos a errores apreciables si se desprecian cambios en el almacenamiento, excepto cuando el almacenamiento de humedad en la hoya permanece casi constante para una misma fecha cada ao. Generalmente hay que evaluar la humedad del suelo, el agua subterrnea y el almacenamiento superficial al comienzo de cada ao. El mtodo del balance hdrico tambin se puede aplicar para perodos cortos de tiempo [59]. En la fig. 5-9 ms de 150 mm (6 in) de lluvia cayeron en un perodo de 3 das, produciendo el aumento indicado el21 de junio, y 117 mm (5 in) ms cayeron hasta el 29 de junio. La escorrenta producida por la segunda tormenta (26 a 30 de junio) fue de 60 mm (2,37 in). Si se supone que en los das 21 y 29 de junio el suelo estaba en iguales condiciones de saturacin al final de la lluvia, la evapotranspiracin durante el perodo fue de 117-60 = 57 mm (4,60 - 2,37 = 2,23 in) o 7 mm/da (0,28 in/da). Los errores en clculos para perodos tan cortos como una semana pueden ser considerables, y se recomienda usar perodos ms largos cuando sea factible. Si los clculos se llevan hasta el 16 de julio, la evapotranspiracin estimada tiene un promedio cercano a 6 mm/da (0,23 in/da), sin lugar a dudas un valor que est ms de acuerdo con la realidad. Los clculos se deben basar en la escorrenta total (Sec. 7-5). Este procedimiento se adapta mejor a regiones donde la profundidad del agua subterrnea es relativamente pequea y la precipitacin es uniformente distribuida durante el ao. A pesar de que los estimativos de la evapotranspiracin obtenidos de esta manera deben considerar la ocurrencia fortuita de grandes tormentas o de perodos relativamente hmedos, se pueden llevar a cabo determinaciones suficientes para todos los aos de registro, para definir la distribucin temporal (fig. 5-10). Si la curva resultante sirve para representar la evapotranspiracin normal anual, los clculos deben llevarse a cabo en forma continua, pues la omisin de perodos secos sesga los resultados. Si la curva se usa para representar la evapotranspiracin potencial, los clculos deben llevarse a cabo solamente para aquellos perodos durante los cuales existen condiciones potenciales.

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Determinacin de la evapotranspiracin en parcelas

La aplicacin del balance hdrico a pequeas parcelas slo produce resultados satisfactorios en condiciones ideales, las cuales rara vez se obtienen. Una medida precisa de la percolacin no es posible, y sus errores tienden a ser acumulativos. Si el nivel fretico se encuentra a gran profundidad, un aumento en este nivel puede ser inconsecuente, aunque esto no es necesariamente cierto en todos los casos. Si estos aumentos son inconsecuentes, las medidas de la humedad del suelo se convierten en la principal fuente de errorjque aunque aleatorias por naturaleza son lo suficientemente grandes como para excluir la posibilidad de calcular la evapotranspiracin en intervalos cortos). Sin embargo, es factible obtener estimativos razonables por estaciones [60, 61]. El balance energtico puede aplicarse para determinar la evapotranspiracin de una parcela de igual manera que para un lago (Sec. 5-3). En vez de considerar el almacenamiento de calor en una masa de agua se debe estimar la energa almacenada en el perfil del suelo. El calor especfico del suelo vara desde cerca de 0,2 hasta 0,8 cal Zcm" dependiendo de su contenido de humedad y de la clase de suelo, y por lo tanto es necesario conocer tanto el calor especfico como la temperatura del perfil del suelo. Otra alternativa es medir el flujo de calor

146 HIDROLOGIA PARA INGENIEROSro3/seg -efs 28 - 100100 1000

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FIGURA 5-9 Deduccin de estimativos de la evapotranspiracin para perodos cortos.

a alguna profundidad conveniente (alrededor de la cm o 4 in) y no calcular el cambio en el almacenamiento de calor por debajo de esta profundidad [ 62] . Cuando se aplica la razn de Bowen [eco (5-4)] se usan la temperatura y la presin de vapor en la superficie. Medir la presin de vapor de una superficie cubierta por vegetacin es un problema aparte y es necesario medir los gradientes de temperatura y de presin de vapor entre dos niveles por0,28.!!!"O

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FIGURA 5-10 Curva de la evapotranspiracin media calculada a partir de datos de lluvia y caudal.


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encima de la superficie. La energa de adveccin, en trminos del balance hdrico, es normalmente pequea y se desprecia con frecuencia. La ecuacin de transporte turbulento de Thornthwaite-Holzman se ha utilizado para estimar la evapotranspiracin [63,64 ] aunque existen dudas acerca de si ha sido comprobada adecuadamente. Las necesidades instrumentales son difciles de satisfacer para condiciones de campo, pues la evapotranspiracin calculada es proporcional a las diferencias medidas de viento y de presin de vapor a dos niveles situados cerca de la superficie estudiada. Las tcnicas de balance energtico y de transporte turbulento son tambin aplicables a la determinacin de la evapotranspiracin potencial, con el nico requisito adicional de que el rea bajo observacin tenga cantidades de agua adecuadas todo el tiempo. Debido al extremo cuidado necesario en la aplicacin de estas tcnicas, su uso se ha limitado a fines experimentales.

5-13

Determinacin de la evapotranspiracin por Iismetros

Muchas de las observaciones de la evapotranspiracin se llevan a cabo en recipientes de suelo [65, 70], conocidos bajo diferentes nombres como tanques, evapotranspirmetros y lisimetros . Los primeros dos trminos se refieren a recipientes con fondo impermeable, mientras se ha intentado restringir el uso de la palabra lismetro a recipientes con fondo permeable o con un mecanismo para mantener una presin negativa en el fondo. La evapotranspiracin se calcula manteniendo un balance de aguas en el recipiente. As como en los tanques evapormetros, los evapotranspirmetros pequeos producen solamente ndices de evapotranspiracin potencial. En consecuencia, la normalizacin del instrumental y su operacin son de extrema importancia. Al resumir los resultados de observaciones alrededor del mundo, Mather [65] dice: El evapotranspirmetro, cuando se opera adecuadamente, es decir, se riega satisfactoriamente de tal manera que no haya deficiencia de humedad ni exceso de humedad apreciable en el suelo del tanque, y cuando se encuentra expuesto homogneamente dentro de un rea de proteccin de tamao adecuado para eliminar el efecto de adveccin de humedad, es un instrumento que debe producir resultados razonablemente confiables de la evapotranspiracin potencial. Se debe tener un gran cuidado en la operacin del instrumento y el suelo, la vegetacin, los mtodos de cultivo y las prcticas de regado se deben mantener normalizados para poder asegurar resultados comparables de una estacin de observacin a otra. Con muy poca frecuencia se obtienen observaciones confiables de la evapotranspiracin real (cuando sta es apreciablemente menor que la potencial) debido a que es casi imposible mantener la humedad del suelo y la cobertura vegetal de las zonas vecinas al tanque bajo las mismas condiciones de ste. Los resultados experimentales [71] indican que se pueden tomar medidas confiables de la evapotranspiracin con lismetros grandes de 5 m (15 ft) o ms de dimetro si se tiene en cuenta la necesidad de aplicar una fuerza de succin en la base comparable en magnitud a aquella presente en el perfil natural del suelo. Se necesita adems que las dimensiones limitadas dellismetro no impidan el desarrollo de las races,y que las caractersticas de cobertura (densidad, altura y vigor) sean iguales sobre ellismetro y en las reas circunvecinas.

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Estimacin de la evapotranspiracin potencial a partir de datos meteorolgicos

Se han desarrollado varias tcnicas empricas para estimar la evapotranspiracin potencial a partir de datos climatolgicos fcilmente asequibles y de la latitud (posible extensin de horas-sol por da). Thornthwaite [72] ha obtenido un procedimiento algo complicado en el que se utilizan solamente la temperatura y las posibles horas de sol. El enfoque de Blaney requiere de estos dos factores pero fue diseado principalmente para transponer datos


observados de uso consuntivo de reas de irrigadas a otras reas por medio de coeficientes obtenidos. Usando datos promedios anuales, Lowry y Johnson [73] encontraron una alta correlacin entre el uso consuntivo y los grados da acumulados durante el perodo de crecimiento vegetal. Otros procedimientos, los cuales dependen exclusivamente de la temperatura como nico ndice de calor incidente para la latitud particular y que desprecian la nubosidad, humedad, viento y otros factores, estn sujetos a grandes errores en circunstancias adversas. La evapotranspiracin potencial y la evaporacin a partir de una superficie delgada de agua libre estn afectadas por los mismos factores meteorolgicos: radiacin, humedad, viento y temperatura. Aunque existen diferencias en cuanto a la rugosidad de la superficie, su albedo y posiblemente otros factores involucrados, la evaporacin de agua libre debe ser un mejor ndice de la evapotranspiracin potencial que la temperatura del aire. Por lo tanto, parece que las ecs. (5-16) o (5-18) constituyen el mejor mtodo para calcular la evapotranspiracin potencial, aunque existe duda con respecto a la necesidad de un factor de reduccin. Los resultados experimentales que aparecen en la literatura son contradictorios e involucran la definicin de la evapotranspiracin potencial (ver Seco 5-13). Utilizando los datos observados en uno de los lismetros ms grandes y confiables de los Estados Unidos, Pruitt y Lourence [74] encontraron que el promedio anual de evapotranspiracin potencial para el pasto es de 173 cm (68 in). La evaporacin de un tanque evapormetro enterrado de 20 m 2 para el mismo perodo de 3 aos fue de un 2 por ciento menor. Este y otros resultados [75, 76] llevaron a la conclusin de que el factor de reduccin anual es mucho ms cercano a la unidad que al valor de 0,75 encontrado por Penman [11], Yque mientras se llevan a cabo nuevas investigaciones, el valor supuesto de la unidad es posiblemente satisfactorio cuando se consideran reas de drenaje con cobertura vegetal variada. Cualquiera de los mtodos para estimar la evaporacin de una superficie libre de agua se puede, por lo tanto, aplicar, incluyendo el enfoque de coeficientes de tanques evapormetros.

5-15 Estimacin de la evapotranspiracin real a partir de la potencialEl efecto de las deficiencias de humedad en la relacin entre la evapotranspiracin real y la potencial ha sido tema para largos debates [77, 83]. Algunos investigadores pregonan que la evapotranspiracin desde una parcela homognea contina a una tasa sin disminucin hasta que el contenido de humedad a travs de la zona de races se reduce cerca al punto de marchitez; otros citan resultados experimentales que muestran que la tasa (relativa a la potencial) es aproximadamente proporcional a la cantidad de agua disponible remanente; un tercer punto de vista es que la tasa es una funcin compleja del agua disponible (exclusivamente) pero limitada por la tasa potencial. Independientemente de la relacin funcional para una parcela homognea, la tasa de abatimiento en un rea de drenaje heterognea, e inicialmente saturada, disminuye rpidamente con el tiempo (para una evapotranspiracin potencial constante) debido a variaciones en la capacidad en la zona de races y de otros factores pertinentes. La suposicin de que la relacin entre la evapotranspiracin real y la potencial es proporcional a la cantidad de agua disponible tal vez sera satisfactoria en una cuenca, si cada tormenta pudiera saturar el suelo. Desafortunadamente, esta simple funcin no puede explicar adecuadamente el aumento de la evapotranspiracin que ocurre inmediatamente despus de una tormenta moderada, en un suelo relativamente seco. Esta dificultad puede ser superada por la separacin arbitraria del almacenamiento de humedad en dos categoras [84]. En este enfoque se considera que la humedad de la zona superior disminuye siempre a la tasa potencial y que cualquier dficit en esta zona debe ser satisfecho antes de que la lluvia empiece a recargar la zona inferior. El abatimiento en la zona inferior ocurre solamente cuando se acaba la humedad disponible en la zona superior, en cuyo caso, se supone que la


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tasa de evapotranspiracin es proporcional a la humedad disponible en la zona inferior. Aplicando este simple modelo a observaciones de precipitacin y de escorrenta total (Sec. 7-5) se pueden calcular valores diarios de evapotranspiracin por medio de procedimientos de contabilizacin. Se debe sealar que algunos de los modelos ms complejos usados para la simulacin de caudales pueden producir tambin valores estimados de evapotranspiracin (Cap. 10).

516

Control de la evapotranspiracin

Como consecuencia del xito reportado al reducir la evaporacin de superficies de agua por medio de pelculas monomoleculares (Sec. 5-8), se llevaron a cabo experimentos para reducir la transpiracin de las plantas mezclando alcoholes grasos en el suelo [85]. Se han publicado algunos resultados positivos, mientras que otros experimentos han indicado efectos no significativos [86] o un aumento en la transpiracin. Un anlisis detallado [87 J de un gran nmero de experimentos independientes llev a la conclusin de que las concentraciones de alcohol graso necesarias para reducir la transpiracin tambin reducen el crecimiento de las plantas y que estos materiales no son adecuados como antitranspirantes. Desde principios de siglo se ha efectuado un gran esfuerzo investigativo continuo para determinar o predecir los efectos hidrolgicos de cambios en el uso de la tierra. Existen pocas dudas de que los cambios en el uso de la tierra puedan tener un efecto apreciable en la evapotranspiracin anual, como tambin en su distribucin cclica [88,89 J. Las diferencias en albedo, rugosidad aerodinmica y comportamiento de las plantas tienen algn efecto, pero los factores primordiales son aquellos relacionados con la disponibilidad de agua y el porcentaje del rea cubierta por una vegetacin libre. La disponibilidad de agua est determinada en buena parte por el tamao de la zona de races y el rgimen climtico. Si los perodos largos sin lluvia, durante la temporada de crecimiento, son caractersticos de un rea, la cobertura forestal de races profundas transpirarar libremente la mayor parte del tiempo aun cuando se haya terminado la disponibilidad de agua para plantas con races poco profundas. En reas donde las condiciones climticas son tales que las plantas con races poco profundas obtienen una adecuada cantidad de agua la mayor parte del tiempo, la evapotranspiracin es afectada en menor grado por la profundidad de la zona de races. Los cambios en el uso de la tierra que se reflejen en diferentes duraciones del perodo de crecimiento de plantas tambin tienen efecto. Cualquier intento por reducir la evapotranspiracin mediante cambios en el uso de la tierra se debe llevar a cabo solamente despus de un estudio cuidadoso de todos los posibles efectos secundarios. Una tala de bosques disminuir la evapotranspiracin y aumentar el caudal pero puede producir tasas de erosin inaceptables [90 Jy caudales poco mayores [91 J.REFERENCIAS

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EVAPORAC10N y TRANSP1RAC10N

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EVAPORACION y TRANSPIRACIONWORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION,

155

"Guide to Hydrological Practices," 3d

ed., WMO no. 168, Geneva, 1974.PROBLEMAS

5-1

5-2

5-3

Al entrar en la relacin superior izquierda de la fig. 5-4 con la evaporacin, viento y el punto de roco en orden inverso al indicado se obtiene un valor estimado de la temperatura de la superficie de agua en el tanque evapormetro (en el eje denominado "temperatura del aire"). De esta manera, calcule la temperatura del agua para cada una de las 10 condiciones meteorolgicas enumeradas en la tabla 5-1. Describa aquellas condiciones que resulten en temperaturas del agua superiores a las del aire, y viceversa. Utilizando la fig. 5-1, calcule la evaporacin en un lago (ignorando por lo tanto adveccin y cambios en el almacenamiento de calor) para cada conjunto de datos presentados en la tabla 5-1). Calcule tambin los coeficientes' del tanque para cada caso. Es el rango de coeficientes mostrado indicativo del rango de coeficientes anuales que se pueden esperar en su pas? Por qu? A partir de la fig. 5-1 se puede obtener una idea de la variacin aproximada de la evaporacin de un lago con la elevacin para condiciones especficas si los valores de los parmetros respectivos se conocieran para dos elevaciones. Considerando que los datos de la tabla 5-1 constituyen una serie de observaciones a nivel del mar, calcule la evaporacin a 3000 ft sobre el nivel del mar, usando los siguientes gradientes con la altura (por cada 1000ft): temperatura del aire, - 3P; punto de roco, - IOP; viento, 10 por ciento; y radiacin, 2 por ciento. Si se comparan estos resultados con los del problema 5-2, se puede concluir que el efecto de la elevacin permanece relativamente constante para las circunstancias consideradas? Discuta lo anterior.

Perodo Oct. Nov. Dic. Ene. Feb. Mar. Abr. Mayo Jun. .Tul. Ago. Sep. Suma Media

Ternperatura del aire57 46 37 34 36 44 54 65 72 77 75 69

Punto de roco46 35 28 25 24 30 39 51 60 65 64 58

Viento52 59 68 81 90 92 83 66 50 44 41 44

Radiacin290 200 150 150 230 310 400 480 510 500 440 370

Evaporacin del tanque3,2 1,7 1,0 0,8 1,0 2.8 4,8 6,0 6,4 7,1 5,8 4,2

Precipitacin

Escorrenta0,8 1,1 1,3 1,6 1,7U~

i

I

I I

2,7 2,4 3,1 3,4 2,9 3,5 3.6 3,7 3,9 4,0 4,6 3,6 41,4

1,7 1,4 1,2 0,8 1,0 0,7 15,1

...56

...44

...64

...336

44,8

5-4

Para los datos tabulados a continuacin, calcule la evaporacin mensual y anual para un lago usando la fig. 5-1. Suponiendo que un embalse propuesto experimentara esta cantidad de evaporacin por ao (y teniendo en cuenta que la precipitacin menos la


5-5

escorrenta es igual a la evapotranspiracin natural), cul sera la prdida neta anticipada de agua del embalse por acre de superficie? En base a la evaporacin de Clase A, calcule los coeficientes mensuales, medio mensual y anual para el tanque. Discuta cualitativamente los efectos de almacenamiento de calor en un embalse profundo en los coeficientes del tanque obtenidos mensualmente. Para una hoya seleccionada pequea dibuje el hidrograma de caudales medios diarios y un grfico de barras de la precipitacin diaria (para varios aos). La hoya y el perodo deben seleccionarse para incluir condiciones razonablemente saturadas en varias ocasiones. Calcule la evapotranspiracin media diaria para varios perodos designados como perodos de saturacin de la hoya (fig. 5-9). Cul de los perodos analizados considera usted que es indicativo de las condiciones potenciales?

6AGUA SUBTERRANEA

Cerca de la quinta parte del total del agua usada en los Estados Unidos (excluyendo la utilizada en la generacin de fuerza hidroelctrica) proviene de los recursos de agua subterrnea. El agua subterrnea es relativamente libre de contaminacin y es particularmente til para uso domstico en pueblos pequeos yen granjas aisladas. En regiones ridas, el agua subterrnea es frecuentemente la nica fuente segura de abastecimiento para irrigacin. Dado que las temperaturas del agua subterrnea son relativamente bajas, grandes cantidades de ella se utilizan para enfriamiento en zonas clidas. Aparte de su uso directo, el agua del subsuelo representa tambin una fase muy importante del ciclo hidrolgico. La mayor parte del flujo en corrientes permanentes de agua proviene del agua subterrnea, mientras que una gran parte del flujo en corrientes intermitentes puede filtrarse bajo la superficie. De este modo ningn examen sobre agua superficial puede ignorar las relaciones con los procesos subsuperficiales. Dado que el estado y movimiento del agua subterrnea estn ntimamente ligados con la estructura geolgica del terreno, la comprensin de los controles geolgicos es un prerrequisito para el correcto entendimiento de los procesos de hidrologa subsuperficial. El presente captulo destaca las relaciones entre el agua superficial y el agua subterrnea y supone nicamente un conocimiento elemental de geologa.

JI

~III

Agua vadosa gravitacional ~ o intermedia Agua capilar

Agua emperchada

Agua fretica (agua subterrnea) Formacin acluiclusa

Agua en combinacin qumica con la roca

FIGURA 61 Seccin transversal esquemtica que muestra el estado del agua subterrnea.


6-1 Estado del agua subterrneaLa fig. 6.1 es una seccin transversal esquemtica de la parte superior de la corteza terrestre con una columna idealizada que muestra una clasificacin comn del agua subterrnea [1]. La dos regiones principales estn separadas por una superficie irregular llamada nivel fretico o tabla de agua. La tabla de agua (en un acufero inconfinado) es el lugar geomtrico de los puntos donde la presin hidrosttica es igual a la presin atmosfrica. Por encima del nivel fretico est la zona vadosa en la cual los poros del suelo pueden contener aire o agua; por esta razn se llama tambin zona de aeracin. En la zona fretica, por debajo de la tabla de agua, los intersticios estn llenos de agua por lo cual esta zona se llama tambin zona de saturacin. La zona fretica puede extenderse a una profundidad considerable, pero, a medida que aumenta la profundidad, el peso de la sobrecarga tiende a cerrar los poros de manera que es poca el agua que se encuentra en el suelo a profundidades superiores a los 3 kilmetros (10.000 ft). Se encuentran a menudo zonas localmente saturadas que constituyen los llamados conos de agua emperchada sobre lentes o estratos de material impermeables. Algunas veces el agua subterrnea se halla en una formacin recubierta por un estrato impermeable, formando as un acufero confinado o artesiano. Los acuferos confinados se encuentran generalmente a presin debido al peso de la sobrecarga y a la cabeza hidrosttica. Si un pozo llega a penetrar la capa confinante, el agua subir hasta alcanzar el nivel piezomtrico que es el equivalente artesiano de la tabla de agua. Si el nivel piezomtrico se halla por encima de la superficie del terreno, el pozo descargar como un mantantial.

FIGURA 6-2 Humedad capilar en los suelos.

HUMEDAD EN LA ZONA VADOSA

En la zona vadosa la humedad se reparte en las tres regiones que se indican a continuacin. En primer lugar, la regin de humedad del suelo es aquella en la cual penetran las races de las plantas y est comprendida entre O y 10 metros a partir de la superficie; en esta zona el agua flucta de acuerdo con la tasa de extraccin de agua por las plantas entre perodos de lluvia. La franja capilar, en segundo trmino, comprende la regin que est por encima del nivel fretico, donde impera la tensin capilar que obliga el ascenso del agua; esta franja vara en espesor desde unos centmetros hasta algunos metros, de acuerdo con el tamao de los poros del suelo. Si el nivel fretico est cerca de la superficie, la franja capilar y la zona de humedad del suelo pueden superponerse; sin embargo, en sitios donde la tabla de agua es profunda, aparece una regin intermedia donde los niveles de humedad permanecen constantes y son iguales a la capacidad de campo del suelo y la roca del lugar.

6-2 Relaciones agua-sueloLa humedad del suelo puede encontrarse en forma de agua gravitacional, en trnsito dentro de los intersticios ms gruesos del suelo como agua capilar en los poros ms pequeos (fig. 6-2), como agua higroscpica adherida en una capa delgada alrededor de los granos del suelo y tambin como vapor de agua. El agua gravitacional presenta un estado

AGUA SUBTERRANEA 159

transitorio. Despus de una lluvia, el agua puede infiltrarse a travs de los poros ms grandes del suelo, pero luego debe dispersarse en la zona capilar o pasar a travs de la zona vadosa hacia los acuferos o hacia el canal de un ro. El agua higroscpica, por otro lado, es retenida por atraccin molecular y no puede ser removida del suelo bajo condiciones climticas normales. Por esta razn, el elemento variable ms importante de la humedad del suelo es el agua capilar. Si se coloca un tubo lleno de suelo con su extremo inferior abierto dentro de un recipiente con agua, alguna cantidad de agua se mover hacia arriba a travs del suelo. La tasa de movimiento ascendente se hace progresivamente ms pequea hasta que finalmente se aproxima a cero. Si se mide el contenido de humedad en la vertical dentro de la columna de suelo, se ver que la humedad del suelo disminuye con la altura sobre la superficie del agua (fig. 6-3). Similarmente, si la muestra de suelo es inicialmente saturada y luego sometida a40 " : : : 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - : 1 0 0:/::'::.

Tubo lleno de suelo

80

60 G

e

(/)

40

tCIl

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10 ~

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I

.. -' -- --- ---'- - - - - - - - - - -'-+--------'L . . - - - L . - - - - - - - . . . l - - - - - - - - - l O .1

FlGURA6-9Uso del mtodo de Theis para resolver un problema de pozos. Las coordenadas del punto comn son:(u)11 =

0,4; W

= 0,7;

Z

= 3,4;

r 2 ft

= 5,3 +

10'.

es grande, y en este caso es posible una solucin modificada del mtodo de Theis [19] mediante la expresin: 23 t T = - '-q log ~ (6-14) 4n AZ t] donde !:I. Z es el cambio del abatimiento entre el tiempo t 1 Yel tiempo t 2. El abatimiento Z se representa en un grfico de escala aritmtica contra t en escala logartmica (fig. 6-10). Si

AGUA SUBTERRANEA

171

AZ se toma como el cambio de abatimiento en un ciclo logartmico del grfico, 10g;O ~ = 1 Y T se puede determinar muy fcilmente a partir de la ecuacin (6-14) con t1 Z = O: S = 0.3 Tt o (6-15) e r2 donde t o es la interseccin (en das) obtenida extendiendo la parte recta de la curva hasta

Z

=

O.

Como en la ecuacin de Thiem, Theis supone lneas de flujo paralelas, o sea abatimientos pequeos y penetracin completa del acufero por el pozo. Aun cuando Theis compensa el efecto de almacenamiento del acufero, supone un desecamiento instantneo del material del acufero a medida que el nivel fretico desciende. Estas condiciones son razonablemente exactas en acuferos artesianos. Sin embargo, el mtodo debe utilizarse con cuidado en el caso de acuferos de espesor delgado o de baja permeabilidad, cuando stos son inconfinados.O,-----.,..----...:-r---r----r--r-,---r-r-r----,---r----r-,--,--,--,--,--.-.O

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Probabilidad de ser igualado o excedido

FIGURA 111 Relacin caudal-frecuencia para el ro Clearwater en Kamiah, Idaho, EE. UU. La relacin est dibujada en papel de probabilidad log-norrnal y se muestra la distribucin log-Pearson Tipo 1II correspondiente.Periodo de retomo, aos

1P01 1,01 120110

1,11,2 1,5 2I

5I

10I

25 I I

SO 100II

200

100

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I

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Hidrología para Ingenieros-LINSLEY, KOHLER y PAULHUS

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